（机械设计及理论专业论文）液压支架铰接孔用龙门四轴镗床的设计与研究.pdf

摘要 摘要 为了满足液压支架铰接孔加工的需要，提高液压支架的加工质量和效率， 本文采用先进的设计理论和方法，完成了液征支架铰接孔餍龙门婚轴镗床的设 计与研究。论文研究内容包括以下几个方面。 第一章提出了本课题的研究背景、主要研究内容以及相关技术路线；第纛 章对加工液压支架铰接孔的工艺方案进行了研究，探讨了龙 丁四轴镗床的稳定 性移切碡l 时的相关计算，对龙门四轴镗床进行了总体设计，并对通用零都件和 不同配置方式进行了选择；第三章利用s o l i d g b r k s 软件，建立了龙f 1 3 四轴镗床 的实体模型，并对关键零部件结构和功能进行了分析；第四章和第五章采用 a n s y s 软件，对龙门因轴镗床的关键零部件进行了理论计算，分别对龙f l 四轴 镗床的立柱和动力滑台进行了有限元分析，得到了其静动态特性，并验证了设 计的合理性；第六章对龙门四轴镗床的实际运行情况进行了测试，获得了相关 实验数据，并进行了分折：第七章为结论与展望。 通过对龙门四辘镗床关键零部件立柱和滑台的静力学、动力学分析，论文 得n - f 其结构的威力场、位移场，以及圈有频率和振燮，评价了结构设计的合 理性。实际加工的实验数据表明，所设计的龙门四轴镗床满足了加工要求。本 文研究为该四轴镗床的改进和完善提供了一种有效方法。 关键词：液压支架铰接孔；龙门四轴镗床；静动态特性；有限元分析；静 力学分析：s o l i d w o r k s ；刎峪塔 a b s t r a e t a b s t r a c t i no r d e rt os a t i s f yt h em a n u f a c t u r i n gr e q u i r e m e n tf o r 曩l eh i n g e dh o l e so ft h e h y d r a u l i cs u p p o r ta n dt oi n c r e a s ei t sp r o c e s s i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c y ，t h ed e s i g na n d r e s e a r c hf o rt h eg a n t r yf o u r - a x l eb o r i n gm a c h i n eu s e df o rt h eh i n g e dh o l e so ft h e h y d r a u l i cs u p p o r ta r ef u l f i l l e db yt h ea d v a n c e dd e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d t h ot h e s i s a p p r o a c hi n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s 。 i nt h ec h a p t e rl ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n dt h e r e l a t e dt e c h n i q u ec o u r s ea r eg i v e n 。i nt h ec h a p t e r2 ，t h ep r o c e s ss c h e m ef o rt h e m a n u f a c t u r i n go ft h eh y d r a u l i cs u p p o r th i n g e dh o l e si ss t u d i e d t h es t a b i l i 哆a n dt h e r e l a t e dc u t t i n gc a l c u l a t i o nf o rt h eg a n t r yf o u r - a x l eb o r i n gm a c h i n ea r ed i s c u s s e d n e g a n t r yf o u r - a x l eb o r i n gm a c h i n ei sd e s i g n e di nt h ew h o l e 曩豫c o m m o np a r t sa n dt h e d i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o nm e t h o d sa r es e l e c t e d 。i nt h ec h a p t e r3 ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a l s o l i dm o d e lo ft h eg a n t r yf o u r - a x l eb o r i n gm a c h i n ei se s t a b l i s h e di ns o l i d w o r k ，n e s t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o no ft h ek e yp a r t sa l ea n a l y z e di na n s y s i nt h ec h a p t e r4 a n dt h ec h a p t e r5 ，s o m ek e yp a r t so ft h eg a n t r yf o u r - a x l eb o r i n gm a c h i n ea r e c a l c u l a t e dt h e o r e t i c a l l y 。羽1 ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s e sf o rt h el e ga n dt h ep o w e rs l i d i n g t a b l ea r ep e r f o r m e da n dt h es t a t i ca n dd y n a m i cf e a t u r e sa r eo b t a i n e d 弧ed e s i g n r a t i o n a l i t yi sv e r i f i e d 。i nt h ec h a p t e r6 ，t h ea c t u a lo p e r a t i o ns i t u a t i o no ft h ef o u r - a x l e b o r i n gm a c h i n ei st e s t e da n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa r ea c h i e v e da n da n a l y z e d i nt h e c h a p t e r7 ，t h ec o n c l u s i o na n dt h ep r o s p e c ti ss h o w e d t h r o u g ht h es t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s e sf o rt h el e ga n dp o w e rs l i d i n gt a b l eo f t h eg a n t r yf o u r - a x l eb o r i n gm a c h i n e ，t h es t r u c t u r a ls t r e s s ，d i s p l a c e m e n tf i e l d s ，t h e n a t u r a lf r e q u e n c ya n dv i b r a t em o d e la 糙o b t a i n e d 。面l er a t i o n a l i t yf o rt h em a c h i n e s t r u c t u r a ld e s i g ni sa l s oe v a l u a t e d 。弧ea c t u a lp r o c e s s i n ge x p e r i m e n td a t as h o w st h a t t h ed e s i g n e dg a n t r yf o u r - a x l eb o r i n gm a c h i n ei sa b l et os a t i s f yt h em a n u f a c t u r i n g n e e d s 。n 玲t h e s i sr e s e a r c hc a l l p r o v i d e a l le f f e c t i v em e t h o df o rt h e d e s i g n i m p r o v e m e n to f t h er e l a t e db o r i n gm a c h i n e k e yw o r d s ：h i n g e dh o l e so fh y d r a u l i cs u p p o r t ；o a n t r yf o u r a x l eb o r i n gm a c h i n e ； s t a t i ca n dd y n a m i cf e a t u r e ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；s o l i d w o r k s ；a n s y s 鞋 1绪论 1绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 液压支架简介 液压支架是综采设备的重要组成部分，其功能是支撑和控制工作面的顶板、 使采空区隔离，并能有效地防止矸石进入回采的工作面和推进所用的输送机等。 它一般与采煤机配套使用，在采煤机不断采煤的工作中，根据采煤机的采掘量 进行移架支护、填充及相关工作，可以改善和提高采煤和运输的效率，并在保 证煤矿工人的安全上起到至关重要的作用，能最大限度地保障工人的生命安全。 它的主要作用是支护采场顶板、推移采掘设备和保证安全工作空间。 液压支架的种类很多，但其基本功能是相同的。 近年来，我国液压支架的研制工作发展很快，从基本上依靠进口，发展到 自行设计、自行制造，而且品种繁多、功能齐全、质量可靠。 如图1 1 所示国产第一台液压支架l lj 。 厂 a 图1 1 国产第一台液压支架 液压支架的型式很多。根据液压支架与顶板相互作用的原理进行分类，液 压支架可分为三大类：支撑式、掩护式、支撑掩护式，如图1 _ 2 - - - , 1 4 所示。它 1 绪论 主簧用予水平面小予和等于1 0 。的缓倾斜厚煤层治底板一次放顶煤采全高开采 的长壁综采王作面，也适用于急倾斜特厚煤层水平分层放项煤综采工作丽。 ，1 图1 _ 2 支撑式液压支絮结掏 l 、谈粱；2 、髓粱：3 、立柱；4 、控制阀；5 、推移装置；6 、底座 图l - 3 掩护式液鹾支架缤构 l 、护帮装登：2 、前粱；3 、顶梁：4 、前梁千纤顶；5 、弹簧筒：6 、顶粱侧护掇；7 、立桂； s 、掩护粱；9 、平衡乎斤顶；1 0 、掩护梁侧护板；1l 、前连括；1 2 、后连杼侧护板； 1 3 、稻逶杆；1 4 、底座：1 5 、推穆千厅顶；1 6 、摊秆 2 1绪论 1 1 2 课题的来源 图1 4 支撑掩护式液压支架结构 文盏妄兰一_ 磐 = 湮鎏 j i 【7 臻_ ! 一，l _ 1 ! ：一f u”熬 。卜 ! l l - i l l ；4 、 ， 窜 鸶l j e 甄域 j ：霜氏0 i 。穗圈 月l 擘 。 ， ：垒】弘 咒，凋 一 一譬氖上： 孽嚣： 一髟二? ， 氇l i 一、二扫，二盏- - 髀翟 一 i 略5 ，j 。支 j 巳同；i 1 1 乏 翰誓函蕊 一一 l绪论 难度，如图1 5 所示为原有的龙门四轴组合镗床机床图，这种机床随着液压支架 的不同市场需求，尤其是顶梁、掩护梁和底座等体积越来越大，已经不能满足 煤矿单位的需要，给公司的生产带来了问题，严重影响了新产品的研制及加工 的生产效率。这也给大型的龙门四轴组合镗床的研究提出了新的课题。基于以 上考虑，公司根据实际液压支架的加工需要自行研制了龙门四轴组合镗床，并 在原有的基础上进行相关的设计和计算。 1 1 3 镗床的国内外研究现状 镗床在机床加工行业一直占据着重要地位。国外的研究主要针对镗床的关 键零部件和机床整体进行分析和优化。德国s c h a r m a n n 公司1 2 生产的高速铣镗中 心其静压轴承的转速最高可达1 2 0 0 0 r r a i n ，滚珠轴承转速最高为3 0 0 0 r r a i n ； y v e s 成口粥加唧【3 】等研究了镗杆在加工过程中对表面粗糙度的影响，并根据切削 变量这个因素确定标准镗杆和阻尼镗杆的加工系数；j u n z h o u 胁d 【4 】介绍了压电 控制主动误差补偿镗杆的设计和测试，采用一个计算机控制的压电制动器，使 镗杆架能根据加工时的切削力进行瞬时移动，可以自动纠正在切割过程中的加 工行为；eb u d a k 和ed z z “【5 】在车削和镗削过程中运用多维的方法建立颤振稳定 性分析模型，分析其动态特性，并在模型中模拟刀尖半径参数，得出加工时刀 尖半径对加工的影响，确定一个理想的加工半径；d g l e e a 和ps u h b t 6 3 根据 镗杆加工过程中诱发的颤振，在运用低刚度和阻尼悬臂式镗杆的形状的基础上 增加其刚度和阻尼，建造及测试了石墨环氧树脂复合镗杆，得到了良好的效果； d e q f n g 胁切【7 】等基于一个磁变流体控制镗杆颤振抑制的作用，研制了一个新型 的镗削杆，在改变镗削加工时镗杆的刚度和外部磁场时可以很好的控制其镗削 频率，避免了再生颤振；s a t o s h ie m a a 和e t s u om a r u i b t s j 使用冲击阻尼器控制其 振动，在这项研究中，镗刀和抑制颤振的阻尼能力都得到了很大提高；h e n r i k 彳彪船d 疗f 9 】等着重研究了不同夹紧条件下镗杆的动态特性，指出夹紧螺钉、紧固 螺丝直径尺寸、螺丝的紧固扭矩、螺钉拧钳位置及不同切削速度和切削深度的 镗杆对其加工的影响，表明一个标准的夹紧螺钉在夹紧镗杆时对非线性动态镗 杆的行为的影响。ezr i v i n a t l o 】等用组合结构的动力减震器对悬臂式镗杆的动态 性能进行论述，并把组合结构设计的刚度和减振器的有效性( 阻尼) 进行优化 以达到最优组合。f e r e n ce r d e t y i 和c s o n g o rs a n t h a i n 主要对镗铣床生产单元监 控系统进行分析，采用两种系统即v i l m o s - i 监测系统和“两级制”监测系统，实 4 1 绪论 现新的监测任务。 在机床的结构优化设计及参数化方面，有限元技术在国外得到了广泛应用。 胁以p a r t i c k 1 2 】在美国机械工程师学会“o p t i m a ls y n t h e s i so fc o m p l i a n t m e c h a n i s m su s i n gs u b d i v & i o na n dc o m m e r c i a l f e a ”上的一篇文章中指出，可以在 在机床设计中运用有限元分析，对机床结构采用全程参数化设计，并进行拓扑 优化，全面阐述了设计变量在优化设计中的作用，最后求出了最佳的机床结构 尺寸；g b i a n c h i 1 3 1 等学者对机床的动态设计进行研究，把动态设计与控制相结 合，提出了新的设计理念：zmv a n c e t l 4 1 等运用虚拟现实技术对机床的结构形状 进行参数化设计并进行了优化，取得了良好的效果：zj i a n g 和彪c h i r e d a s t 【l 5 j 提出在有限元动态分析的基础上采用数学模型进行拓扑优化设计，对整个机床 的零部件结构和机床的结合面进行模拟，得出了机床连接件的位置和数量。 国内专家和学者也在对镗床的加工进行着不断的探索。张志军等1 1 6 j 通过对 普通镗杆和减振镗杆的动态特性和结构模态进行研究，找出了切削振动对镗杆 在深孔加工中的作用，并进行了相应的动态测试和参数优化。张志军、吴希平i i 7 j 推导和测试了现代外伸减振镗杆中动力减振器的特性参数，对减振镗杆的设计 和动态测定进行研究，并对动力减振器的动态特性进行了理论研究和动态特性 测定，找出了一些动力减振器的性能对减振镗杆切削性能的影响因素。孔金星、 任违【1 8 】在文章中指出在深孔加工中影响加工效率、加工精度和表面质量的主要 因素是刀具颤振，为解决上述问题进行了模态试验并测得了其动态特性，为减 振镗杆的研制提供了参考。程宏伟【i9 】等在分析深孔镗削加工的振颤的基础上， 建立了减振镗杆的动力学模型，进行瞬态动力学和谐响应分析，验证其动态性 能。谢钰琼【2 0 】从切削原理出发，分析了镗床在加工过程中产生振动的机理，探 讨振动和加工精度之间的重要关系，并对镗床的关键零部件进行动力学分析， 根据振动产生的原理建立分析模型，进行抗振性分析，从而进一步提高镗床的 加工精度。张侃【2 l 】针对目前机车机体主轴孔修复过程中出现的问题，根据现在 中国并无专用设备并不充分具有修理机车机体主轴孔的能力的现状，自行研制 了机车发动机体主轴孔加工专用设备组合镗床，然后对设计精度进行分析， 设计并制造出了主轴孔修复的专用组合键床以及相应的工装夹具，并进行了动 静态特性分析，最后应用该组合键床对两台机型的机体进行了试加工，通过对 大量检测数据的分析表明，达到了设计要求。张朋【冽采用有限元分析的方法， 在大型三维设计软件p r o e 建立模型，并通过有限元分析软件a n s y s 进行联合 1 绪论 仿真分析，在约束的条件下得出模态分析的固有频率，配置了机床的电机，保 证了加工的稳定性。姚银歌f 2 3 】以t k 6 9 1 6 大型数控落地铣镗床为研究对象，在 s o l i d w o r k s 中建立铣镗床的关键部件滑座和主轴箱三维实体模型导入到有限元 分析软件a n s y s 中，进行静动态特性分析，最后采用a p d l 语言对主轴箱进行 优化设计。赵兴顺【2 4 】分析了7 a 2 8 8 数控龙门镗铣床工作台在加工过程中产生爬 行的原因，提出了改进方案。沈阳数控机床中捷机床有限公司口纠设计了集成机、 电、液机床，采用了卧式6 0 0 倾斜床身导轨形式的双主轴数控镗铣机床，具有结 构紧凑、布局先进合理、排屑性能好、操作方便等优点，而且便于配置工业机 器人，为全自动和无人化生产提供了方便。吕建法【2 6 j 等检测了t x 6 9 1 6 落地镗铣 床样机的动态特性，对主轴进行有限元分析，建立了轴承主轴系统的有限元 模型，采用锤击法对主轴进行动态响应试验，为该机床的动力学进一步研究提 供了重要依据。高峰【2 7 】等在五坐标编程方法和控制技术的基础上，通过虚实映 射变换、插补运算和速度处理，得出了六轴混联镗铣床的数控加工方法。杨浩【2 9 】 等对t x 6 9 1 6 落地式镗铣床采用有限元和试验的方法进行模态分析，并将试验数 据和有限元计算相对比，得出弹簧阻尼连接在机床的重要性。王予津【2 9 j 等运用 a n s y s 对数控镗铣床立柱进行了结构分析找出了该机床立柱在受载情况下的变 形规律，并进行试验验证。 纵观国内外发展现状，为了适应现代化工业的发展，提高大型孔件的3 n i 质量和性能，镗床的整体性能研究和关键零部件的机理研究已成为国内外学者 们关注的焦点。然而，尽管目前大多数学者在该领域已经做了大量的工作，但 在组合龙门四轴镗床的研究过程中，还有很长的路要走。在根据工厂需要自行 设计的专用组合镗床方面还有进一步研究的空间。 1 1 4 组合镗床及龙门四轴镗床简介 镗床主要采用镗刀进行镗孔工作，另外还可以进行平面的铣削、凸缘的车 削及螺纹加工等工作。常见的镗床类型有：卧式、立式、落地、金刚和坐标镗 床等多种类型【3 0 1 。 组合镗床是镗床中一种高效的专用机床，这种机床把大量的通用部件和少 量的专用部件组合起来，其优点有： ( 1 ) 设计与制造周期短，通用化程度高，在制造机床时可以根据加工要求 选用通用部件、零件和标准件。 至 l 绪论 ( 2 ) 结构的可靠性和z 艺性好，性能稳定，加工质量高。 ( 3 ) 由于这种机床的通用零部件的标准化和系列亿，为制造机床带来了方 便，可以很好的组织批量生产，有效的降低了加工成本，缩短了加工周期。 ( 4 ) 自动化程度高，易损件和易耗件都可以提嚣准备，便于机床的维修和 保养。 ( 5 ) 便于产品的更新换代。由于机床零部件中通用零部件的再利用，可以 改造成新的机床。 这种组合镗床的通用部件具有一定的适应性，其规格般受到加王的限制 也很有限，使褥其结构形式较为复杂。这种机床可以从多方面、多工位对一个 或多个工件同时进行多刀加王，在成批、大量定型产品中得到了广泛应用。如 汽车、内燃机、缝纫机和机床制造等部门。 从王艺上来考虑，由于加工时零部件固定不动，通过刀具迸给来完成加工， 因此其加工范围主要是零部件的孔方面的加工，如钻孔、扩孔、铰孔、镗孔等 工作。 组含机床由少量专蹋部件和大量通用部件组成。其通用部件可分为以下五 类。 ( 1 ) 动力部件：例如动力头、动力滑台等。它们是机床传递动力的主要源 泉，可以完成进绘运动、快速前进、工作进给和快速退回等工件循环。而切削 运动则主要由切削头来实现，进给运动则由动力滑台来完成。 在通用零部件中动力部件的结构和技术性能壹接决定了机床的指标，如工 作性能、技术经济性及工艺可靠性。 ( 2 ) 支承部件：顾名思义就是在机床中起支撑作用的部件，如床身、立柱 和底座等。在支撑部件上主要用于安装动力部件、夹具等其它工作部件。 这给支撑部件提出了剐度及精度上的要求，在保证支撑作用的前提下，应 使其具有很高的稳定性，以至于不会产生变形。 ( 3 ) 输送部件；主要用来实现工件的多工位加工，常见的有移动及圊转工 作台等。在通用部件中，它们的定位精度直接影响着机床的加工精度。 ( 4 ) 控制部件：控制部件例如液压操纵装置、传动装置、电气柜等，是机 床的控制中枢，保证了机床的程序化工作。 ( 5 ) 辅助部件：例如冷却、润滑、排属装置和机械、气动扳手等。 组含机藤的专用部件，按机床用途各异，主要有以下几种： 7 1 绪论 ( 1 ) 夹具：组合机床的夹具具有其自身的特点，要求具有很高的定位准确 性，其结构型式在很大程度上决定了机床的结构形式。并对机床的加工精度、 生产效率和使用性能等都有很大的影响。 而其夹具一般采用通用的夹具型式，为机床的设计选型带来了方便，可缩 短了设计与制造周期。 ( 2 ) 刀具和工具：刀具具有很高的耐用度和可靠性，且具有很高的复合程 度和导向。在机床机构的作用下，可以完成刀具的横向或其它方向的运动。 组合机床刀具与工具的设计、制造和使用情况，直接影响着机床的生产效 率、加工质量、经济效果，也关系着机床的加工工艺范围和台数。 我国是世界上最大的煤炭产出国和消费主体，煤矿综合机械化采煤的主要 支护设备液压支架在综采工作面中起关键作用，其关键零部件的加工精度和质 量尤为重要。在液压支架的关键零部件上，如掩护梁、顶梁和底座三大件镗削 孔的加工，为加工设备的选择提出了更高的要求。为保证液压支架的产品质量， 提高生产效率，需要自行研制一种用于液压支架焊接后整体镗孔的加工设备。 图1 - 6 机床外观图 龙门四轴镗床主要由床身、工作台、大立柱、小立柱、水平导轨、滑台、 镗削头、滑台平衡装置、润滑系统、电气系统等功能部件构成( 图1 - 6 所示) 。 两个大立柱以工作台轴线为对称轴对称布置，在床身另一端设有两个各小立柱， 1 绪论 两个小立柱分别通过一个与工作台平行的导轨设予床身上，在每一个大立柱和 小立柱上均设有动力头和滑台，滑台通过竖直导轨与立柱和小立柱相连接，动 力头通过侧向导轨设予滑台上。龙门因轴镗床采用四个立柱，两个小立柱通过 水平导轨设于床身上，滑台通过竖直导轨设予各个立柱上、动力头通过侧向导 轨设于滑台上，便于调整动力头的位置，以保证两对或者多对同轴藐的同轴度 以及多对同轴孔之间的平行度，既保证了零件加z 精度、各个零件的装配质量， 会又提高生产率，丽且该镗床制造成本较低。它是用于液压支絮加工的专用机 床，采用立式双丽布置，中间为移动工作台，行程大、承载重量大，机床刚性 好，工作平稳；两侧分别由两组立柱构成，一组固定另一组可移动，能同时实 现四孔的镗削加工。 l 。2 论文主要研究内容与技术路线 1 2 1 论文主要研究内容 液压支架类零部件尺寸较大，各个零部件上需要加工多个用于连接的销轴 孔，液压支架类零部件上同一轴线几个孔的同轴度与不同轴线孔之间的平行度 决定着零件之间能否连接可靠。目前的采取的方法有芯轴拼焊和焊后整体镗孔 两种。芯轴精拼工艺的同轴度低，不能达到设计要求；专利“镗铣床”公开了种 能够加工同轴孔的镗铣床，它解决了传统机床加工同轴孔时工件找正困难、同 轴度差的问题，但由于其设置了两个立柱，z 件一次装夹，只能加工一对同轴 孔，如果工件上有几对轴线互檩平行的同轴孔，则无法通过工件一次装夹完成 船工，由于该类零件加工时无精基准，再次装夹找正工件将带来工件安装误差， 且生产率低下。数控卧式双磊镗床可以对工件同时进行双面加工，保证两个孔 的同轴度，僵其左右移动滑板只能带动刀盘做纵向进给，不能在其垂直方向移 动，需要在装夹时调节工作台的高度来调节工件豹高度，而且在加工多对同轴 孔时，再次调节工作台又会带来定位误差。 为了解决以上闯题，本论文采用现代设计方法，以有限元法作为结构分析 的工具，完成对龙门豳轴镗床的改进设计，为龙门四轴镗床设计提供可靠精确 的设计参数和完整可行的设计方案。同时，进行有限元分析系统a n s y s 和c a d 系统勋删硒施数据交换，提赢龙门四轴镗床的抗疲劳性能，减轻龙门飚轴镗 床的重量，降低生产成本，提高经济效益，同时提高了液压支架的产品质量， 9 i 绪论 以此龙门四轴镗床为基础，为液压支架生产的新工艺提供参考，提高加工精度 和生产率。其必要性及研究意义如下： ( 1 ) 缩短设计时间。采用先进的三维建模设计方法，进行虚拟装配，保证 7 设计过程的合理性，大大缩短了样机调试时间。 ( 2 ) 提搿工作效率。采用兰维设计，缩短了产品的设计周期。和以前在实 践的基础上进行的实际经验设计，并只能根据产品的物理样机进行试验调试相 比，节省了研发时阅，提高了王作效率。 通过以上分析可知，对龙门四轴镗床的研究有其长远和现实意义。本论文 以龙门四轴镗床为主要研究对象，对其工艺方案及总体设计进行了分析，并在 总体设计的基础上进行理论计算，其次对龙门四轴镗床的关键零部 孛进行建模 和分析，然后在关键零部件建模的基础上对影响龙门四轴镗床加工的立柱和动 力滑台进行有限元分析，最后通过试验对结果进行比对分析，并对其实际运行 效果与效益进行分析。围绕上述内容，其主要研究内容为： ( 1 ) 在加工液压支架铰接孔时，对其工艺方案进行研究，确定较优的工艺 方案，并对龙门四轴镗床的稳定性及切削时的相关计算进行探讨，并对龙门四 轴镗床的总体进行食绍，对通用零部件和不同配置方式进行选择； ( 2 ) 在三维设计软件s o l i d w o r k s 中，建立龙门靼轴镫床的实体模型，并对 关键零部件结构和功能进行介绍： ( 3 ) 对计算机仿真软件a n s y s 进行简要的概述，为计算机仿真提供前提条 件；对龙门四轴镗床的关键零部件进行理论计算； ( 4 ) 对龙门西轴镗床的立柱和动力滑台进行静力学和动力学分析，得出其 静动态特性，以此验证设计的正确性； ( 5 ) 对龙门四轴镗床的实际运行情况进行分析，并测得实验数据。 l 。2 2 论文研究的技术路线 本论文利用三维设计软件建立镗床的实体模型，对龙门四轴镗床的镗杆进 行有限元分析，并在理论计算穰实验的基础上进行比对。其主要技术路线如圈 所示： l 1 绪论 l 。3 小结 瑟1 7 技术路线露 本章主要介绍了缝床豹研究概况及龙门器轴镗床研究的主要蠹容翻意义， 其主要内容如下： ( 1 会绍了液蘧支架及其主要零部件； ( 2 ) 对舀内井的研究概况送行了篱要概述，著指嬲菇门鼹轴缝臻谤究的重 要性； ( 3 ) 对研究内容进行说嘴，提出了论文的主要技术路线。 2 液匿支架铰接孔加工工艺分析及龙门四轴镬床总体设计 2 液压支架铰接孑己加工工艺分析及龙门四轴镗床总体设计 2 。l 结构参数的确定 液压支架类零部件尺寸较大，各个零都件上需要加工多个用于连接豹铰接 孔，液压支架类零部件上同一轴线几个孔的同轴度与不同轴线孔之闻的平行度 决定着零件之闻能否连接可靠。目前的采取的方法有芯轴拼焊和焊后整体镗孔 两种，芯轴精拼工芑的丽轴度为2 r a m ，不能达到使用要求；翻前的焊詹整体镗 孔设备加王孔阀同轴度i - - 0 5 r a m ，设备生产率低，同时现有镗孔设备采用的直 线导轨副接触面积小，阆隙大，易损坏，零件精度不够稳定，制约了生产周期 帮零件加工质量。 褥嗣：1 丽釜疋l | 卜 厂：l 氍 | 书群卜 i l i j i l 。 r k 。f _ | i |捆 器删 器 l 卜 。，l 。 i | 且 l _ 。 h l 戤 h 娟 一f 上j i 瞧黜嚏 l 丫荆丫i 图2 - i 掩护粱 1 2 2 液匿支檠铰接孔加工王艺分析及龙门四轴鳞廛璺堡塑盐 圈2 - 2 赢座 湖2 - 3 顶梁 液艇支架兰大件如图2 - i 2 3 所示，其相关技术参数如下：曼种典型部件 加工的最大孔径为1 6 0 r a m ，工件最大宽度为1 6 5 0 r a m ，孔距底面最高为1 7 0 0 m m ， 1 3 2 液篷支架铰接孔加工工艺分析及楚门鲤轴镀床总体设计 孔闻距最大为3 6 0 0 r a m ，工斧的最大熏量为18 吨。主轴孔数4 个，尺寸精度h 7 ， 表面租糙度如嚣1 2 。s ，露辘度9 囊5 ，襁邻两孔赋轴度矽疆5 ，灏柱魔妒爨，切削 余量戈6 r a m ，材料为9 4 6 0 和q 5 5 0 等。 2 2 工艺方案的带0 定 工艺方寨主要霉的是在傺证耩度稳稳定性的前提下，使梳床的体积和重量 在满足麓工的条件下应尽量减小和减轻，蔼结构变酌简单可靠，使用方便并且 效率嵩，这是龙门因轴镗床设计的重要缱成环节。 在确定龙门理轴镗寐工艺方案时，应参照的一般原则有： 第一是粗精加工分开的原则。在粗加工时，馥子留踟量较大，使切削力增 大，这样就造成了工件在切麓时的热变形、受力变形和切燃振动等现象，这样 为下一步豁耩加工带来了严重的艏果，蛊接影响了王件麴加王精度帮表面粮糙 度。因就，在加工液压支架的过程中，工件上孔豹切澍量余量很大，工序王艺 过程需要选择褪精加工分开韵原则，般采用两次走刀。 第二是工痔集中的原则。缀合镗床基于工序集串恧产生，也是近代镗床发 展的主要方向之一。在工序集中的前提下可以实现多刀集中在一台机床上报据 工蕊要求完成楣应的加工要求。可以减少工件对刃和夹紧的时间，提高生产效 率。这样也有利予效益浆提搿，使规床豹台数、占地匿积和人力大幅度减少。 但王序的集中也会穗应懿造成机床结构的复杂，给机床的设计鸟制造提趣了更 商的要求。丽当刀其过多时，机床的停桃率也过离，这样反两降低了机床的使 甭效率，在加王时切削负荷过大，在工件斡刚健不足对，会产生变形，影响加 王质量。因此，王序的集中程度须全面分析鞠考虑。 对予组合镗床，镗孔粪径一般较大，髓度要求较离，主辘与枫床嚣度较好。 对相互位置耩度要求较高的孔应考虑集中在一台机床上嬲工。根据这一原赋， 在液压支架豹搬工中，一般同时加王四个藐的情漉属多，可以在四个动力头上 分剐放鬻刃具对魏进行艇工。 1 4 2 液压支架铰接孔加工工艺分析及龙门四辅缝床总体设计 2 。3 工艺方案的拟定步骤 2 3 。1分耩、研究加工要求和现场工艺 要求研制的龙f j 四轴镗床是为加工液压支架铰接孔的。对于液压支架而言， 所加工的孔在同轴线上的一般为两个，四轴可以同时加忑，所能保证的表面 粗糙度为如= 1 2 。s ，材料类型为缪6 0 ，属子低合金高强度结构钢【3 l 】。其屈服强 度为魄拳4 6 0 m p a ，抗剪模薰7 9 e l o 。孔表面的切削余量要求为6 r a m ，工件 的外部尺寸较大，重量也很大，对于装夹都有一定的难度。 2 。3 2 定位基准和夹紧方式的选择 龙门四轴镗床在切削加工过程中，_ 般采用多刀同时加工，使刀具的切削 负荷大，并且工件受力随加工时间而变化。因此，在保证加工精度的前提下， 应有效的选择合理的定位基准和夹紧部件及方式。定位基准的选择对于毛坯来 说要考虑工件加工余量的均匀性，对于光面定位基准来说要基面与王件问的位 置定位。定位夹压部件的选择首先要考虑其有足够的夹紧力，且使工件的变形 最小，使进刀和走刀方便。 根据液压支架三大件顶梁、底座和掩护梁的结构特点，拟采用以下定位方 案。首先是部件在组合镗床的定位，根据工艺基准与设计基准重合的原则，选 用各部件的底面作为定位丽。并采用定位块实现定位。其次是镗杆相对于部件 主轴孔的定位，娃机床床身两侧立柱及导轨标尺( 光襁尺) 定位，加工相应的 孔，保证褶应的同轴度要求。 而夹紧方式的选择，采用压扳和专用夹具进行固定，戬保证部件固定在机 床上。 2 3 3 刀具选择 刀具是机械制造中重要的切削工具，也是最终实现加工质量的重要前提条 件。在龙门四轴镗床上常见的刀具有：一般简单刀具、复合刀具及特种加工刀 具。选择刀具结构应考虑以下问题f 3 2 1 ： 第一，在满足加工的条件下，应尽量选用标准刀具和简单刀具。 第二，在组装式结构中，为了提高加工时工序的集中程度和加工精度，一 般采用复合刀具来同时加工两个或两个以上的表面。 2 液压支絮铰接孔加互工艺分析及龙门网轴镗床总体设计 第三，液压支架上常见的孔一般是直径在妒1 6 0 m m 以上的孔，所以选用的 刃具大多采用高速钢镗刀且常安装在镗杆上。选择镗削加工，镗刃的制造和维 修刃磨简单可靠。 第四，在加工硬质较高的铸铁秘低合金结构钢时，为提高刀具的使用寿命， 提高加工质量，选择昀刀具必须考虑材料的工艺特点，一般采用多刃固定镗刀 和多刃镗头。当采用单刀镗削时，可以有利于提高加正精度和表面粮糙度。 液压支架加工时主要是莎5 0 和q 4 6 0 低合金结构钢，选择的刀具材料为高 速工具钢w 1 8 c r 4 矿3 3 j ，主偏焦耳紫6 0 0 7 s o ，副偏危酶= 0 0 5 0 ，前角 r o 拳1 0 0 - - 1 5 0 ，后危铂= 6 0 0 - - 一7 5 。，耐后角嘞警1 8 0 ，刃前角以黧0 0 3 稿，刀 尖拳径只燃0 5 l 。5 r a m 。 在系统刚性得到保证的前提下，采用上述镗刀，可以使耐用度得到提高。 而系统耐性不好时，势了降低刀具的径向力，可考虑增大其主偏角减小刀尖的 阑角半径，并虽减小切海4 宽度和增加切削厚度，以便于避免系统产生的振动。 2 3 4 切削闸量的确定 龙门四轴机床切肖l 用量的选择应从工件加工的实际情况出发，在保证加工 精度和技术要求的前提下，应按照经济性原则，合理安排加工方式和选择加工 用量。其确定时应注意的闯题有： ( 1 ) 合理利用刀具，充分发挥性能。由于在镗削头上安装的刀具种类和直 径不同，因此各刀具切削的用量选择也不同，一般第一次进刀切削用量太，进 给速度小，面第二次进刀时加工余量较小，则可提高加工速度，进给量也很小。 所以一般情况下可参照主轴转速嚣( 转，分) 和每分钟的进绘量与动力滑台的进 给量相对应。也可以根据按每分钟统一的进给薰进行附加( 增减) ，以此满足 加工要求和合理利用刃具i 硼。 ( 2 ) 复合刀具切肖0 用量选择，应考虑刀具的使用寿命。 ( 3 ) 在液压支架生产中，应考虑零件的批量问题。在保证生产效率要求离 的前提下，应尽量提高刀具的耐用程度。四轴组合机床通常要求的切削用量刀 具的耐用度一般应不低予一令工作班。 ( 4 ) 在镗孔时，切削速度的选择应考虑工件的加工精度、表面光洁度和镗 刀的耐用度 ( 5 ) 镗巍4 头的选择主要考虑到切削用量的影响。用于铸铁和低合金结构钢 1 6 2 滚艇支絮铰接孑l 加王工艺分析及龙门滔辘镳庶葸俸设计 的粗、毕精加工时，没肖冷却和润滑，则应降低切削速度。 ( 6 ) 选择切爨l 用量时，还妊须考虑所选动力滑螽翡性能。动力懑螽童要是 遗过丝杠来传递运动豹，翻予外在豳素瓣影褊可能会造成进给量的不稳定，影 螭搬王精度。 切削用量筋选撵一般采粥查袭法，参照表2 。l 所剃渊，以及谲研生产现场用 围类工艺，通过王艺试验确定甥削用薰。 壶予祝体材料是羝含金结鞫钢，刃具材辩选用糍逮销，掇攥工厂实际搬王 幸毒况，选用的切削用量如下： 主辘转速：粗船工时霹= l o o r m i n ，拳鞲加王时t t 描1 5 0 r r a i n ，帮切肖峨鏊 度洚v 茹3 1 。4 r n m i n ，迸给速度为，= 0 3 5 m m l r 。 表2 。l 切剿用鳖袭 2 。3 5 切削力、切割转矩、切削功率计算 动力部件是组合枕廉的最霆要鹣通用部件，它煞结构帮技术性麓决定着缀 合杌床的主要王 乍性能、技术可能性及经济型。本机床用四个镗剡头弼时加工 四缓孔，镫削头功率决定了设备热王能力鞠生产率及设备的经济性，是本机床 的芙键部件之一。其受力情况是机床设计的关键。 切澍力的计算： 7 一 2 液压支架铰按孔加王工艺分析及龙门网轴镗床总体设计 _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 一一 用指数公式进行计算，其计算公式如下： 主切削力： 匕拳白2 如厂y 您p 雌z ( 2 1 ) 吃刀抗力： 墨= 勺冬厂y 移p 礼哆晦 ( 2 2 ) 走刀抗力： 最= 铲，y 段民 ( 2 3 ) 式中；、q 、诀定与被加z 金属和切削条件的系数，墟、皿、 琵最、如、绣、竭、耗墨、z 唼、y 最、麓& 分别为切削深度( r a m ) 、切削速度 矽( 融) 和进给量，( r a m 刎r ) 的指数。 砟为实际加工条件与所求得经验公式不符时各因素对切考力的修正系数的 积。 酶鬈f f k ”f ( 2 4 ) 式中：、声、尹、芦分别为加工材料机械性能、前角、主偏角、刃尖 圆弧半径对切削力的修芷系数。 = ( 悬) 甜 ( 2 5 ) 工件材料为缈6 0 ，锄端4 6 0 a 巾口= 0 4 6 g p a 。 代入上式，得：蚝吼嚣0 9 1 ，焉卿= 1 0 8 ，黝= 0 5 9 p 3 。 取镗刀主偏危为6 0 。，前角为1 0 。，刀尖圆弧半径i m m ，无切削液，切削力 的修正系数查表如下： x 虹擎嚣糕0 9 8 ，装b 盼= 0 7 1 。k 盼f 篝篇1 2 7 。 x r o f 2 拳1 1 5t k r o p 擎篇1 6 。k t o p x 篇1 7 。 k r e f z = 0 9 ：3 ，k r e f y 鬣0 8 2 ik 囊e 溉= 1 0 。 计算得： 比= o 9 1x0 9 8x 羔1 5 o 9 3 尝o 。9 5( 2 6 ) i ；p y = 王0 8xo 7 1 1 6x0 8 2 1( 2 7 ) 取= o 。5 9x1 2 7x1 7x1 0 = 1 。2 7( 2 8 ) 工件材料0 4 6 0 、刃具材料选高速钢切削速度、进给量查得备系数及指数， l g 2 液援支絮铰接孔加工工艺分析及龙门酉轴镫床蒜体设计 代入切剐力计算指数公式： 磊= 1 7 7 0 3 ix0 3 5 0 7 s 7 5 0 0 9 5 = 2 3 2 0 n 弓= 9 2 0 3 。1 9 0 3 5 0 7 蓦x7 5 0 x 羔= 1 1 4 3 n & 嚣5 3 0x3 1 2x0 3 5 。7 5 7 5 0x1 2 7 端1 1 5 7 n 切割爨率麴计算： ( 2 - 9 ) ( 2 - l o ) ( 2 _ 1 1 ) 徽( 最秽+ 嚣慧) 1 0 3 渺 ( 2 - 量2 ) 式串：兄主切潮力( 榉) ； t 扣一切削速度( m s ) ； 最越给力( 辩； 2 王件转速( r s ) ； 卜埘给量( m m r ) 。 p m - - 2 3 2 0 磊s o + 字) x 1 0 3 = 1 9 5 k w泓 镗剖头实际功率： 冉= 熬( 2 1 4 ) 式中；栅床效率 琏= = 1 9 5 = 2 7 8 k w ( 2 董s ) 舢 n 7 本杌床耀镗、半精镫体加工，粗镗对出上道切割工浮造成药熟影响区硬 度增加及藐阕距误差及拼焊工序过程造成的孔偏心误差，使得锺削头电机负载 处予周期变化且不稳定；镗孔过程为阅断镗孔；考虑到粗镗、半糖镗一体加王， 为方便调整切雕速度，选用变频电机。根据变频电机豹功率特性，实际选用的 每个镗削头亳机功率为7 5 k w 变频亳极。 工作台移动电机珐攀计算： 工件重爨1 8 吨，及工俸台囱萋7 吨，计算结聚如下； 工俸台移动时平稳秃7 孛击，只受重力彳乍甩，载荷系数取1 0 。 。 移动需要克服的摩擦力：f 端嬲露。 工 乍台和床身的材料均h t 2 5 0 ，查表得：静摩擦系数o 。1 5 0 1 6 ，动麟擦系 数必0 0 7 0 。1 2 ，取鼹大值： f 茹0 。1 6 2 5x1 0 3x9 8 = 3 9 。2x1 0 3 k n( 2 。1 6 ) 2 液舔支黎饺接孔加工工艺分析及龙门耍轴镗床总体设计 工件移动速度：1 1 = 4 m m s ，采用电视蜗轮蜗杆减速搴凡带动丝枉丝母移动 工俸台。 蛩总芝露毫撬x 强述橇x 习錾狂蘸 ( 2 - 1 7 ) 式孛i 霹嗽税= 0 7 5 - - - 0 9 2 ，取