开题报告-车床功能部件开发-动力刀塔三维模型设计.doc

毕业设计（论文）开题报告题目： 车床功能部件开发动力刀塔三维模型设计 学院名称：机电工程学院 专业班级： 机械设计制造及其自动化 机 1选题的背景、意义机床产业是国民经济发展的基础，装备制造业发展的重中之重。随着技术的发展，产品品种不断增加而批量减少，加上产品结构的复杂程度明显提高，以及客户对产品质量要求的日益苛刻，对生产过程的柔性化提出了越来越迫切的需求1。目前，国内的机械加工多采用普通机床、组合机床和数控机床。对于大多数零件的普通加工，可以用普通机床完成；对于一些复杂的且精度要求较高的零件，多采用数控加工中心；组合机床多用于多孔钻削、多平面的铣削2。传统的数控车床的加工能力十分有限，一次装夹，只能实现车削或端面钻孔操作。对于较复杂形状类零件的加工，需要在几种不同的加工机床间经过多次加工才能完成，因此就要经过多次的搬运、装夹、定位，这样不仅造成了加工周期的延长，降低了生产效率，而且由于多次装夹、定位，容易造成多次误差积累，也降低了加工精度，这些都违背了现代加工制造业所倡导的高效、高精度的要求。在激烈的市场竞争环境中，缩短和保证交货期十分重要。一个产品的加工过程链越长，生产周期就越难控制。此外，由于数控机床性能的提高，机动时间越来越短，影响交货期的瓶颈往往在于机床辅助时间和工件在工序之间的滞留，减少工作地的数量就意味着缩短生产周期1。完整加工( complete machining )是指在一台机床上能加工完一个零件的所有工序，有时也可能需要两台机床，所以也称为综合加工或复合加工。近年来，完整加工有了很大进展，工序集约化突飞猛进，扩展到回转体零件，首先是在数控车床上增加铣削加工，然后从车铣复合加工到完整加工。如今，世界已进入了全球制造的时代，缩短产业链，专注于自身核心竞争力的提高已成为了世界制造企业的变革趋势。面对千差万别的制造业，如何以客户为中心，满足客户个性化的需求，为他们提供一个整体的最优化的解决方案是当今制造企业所面临的一个重要课题。鉴于此，复合机床便应运而生。复合机床（Complex Machine Tools），又称为复合加工机床，或多功能复合加工机床，是能够在一台主机上完成或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工的机床。复合机床一般都是数控机床或加工中心，即复合数控机床或复合加工中心。复合机床是当前世界机床技术发展的潮流。复合加工在保持工序集中和消除（或减少）工件重新安装定位的总的发展趋势中，使更多的不同加工过程复合在一台机床上，从而达到减少机床和夹具，免去工序间的搬运和储存，提高工件加工精度，缩短加工周期和节约作业面积的目的，为使用者带来效益。这不仅能够满足用户在减少占地面积，减少零件传送和库存，保证加工精度等方面的需求，而且也适应了现代社会的节能减排要求。目前越来越多的复杂零件采用复合机床进行综合加工，复合机床成为各国机床制造商开发的热门产品。实现复合加工，有许多可行方案，其中，数控车床与数控车削中心的一个重要组成部分就是数控转塔刀架。数控转塔刀架是实现复合加工的核心功能部件，不仅可以像普通刀架装配多把普通车刀，并且能够同时提供动力驱动动力刀具，完成铣、钻、攻丝、铰孔等加工，从而大大扩展了数控车床的加工范围，提高了其加工能力。对数控车床的功能改造技术，将在相当长的一段时期内发挥重要的作用，因此对于动力刀塔等功能部件的研制也有着十分重要的理论和现实意义12,17。2相关研究的最新成果及动态 在全球机床制造和金属加工领域，复合加工技术已成为主要的发展趋势，并且在高速加工技术的有力支撑下，复合加工技术正以其强大的加工能力被不断发展和应用。由于我国复合加工机床起步比较晚，最早研究的是车铣复合加工机床。首台复合加工机床出现2001年中国国际机床展上，是由沈阳机床股份有限公司与德国MAXMULLER公司合作生产的车铣复合中心。此后，复合加工机床不会仅停留在车削和铣削上，从淬火，磨削，压入到冷压成形，超声波加工，激光加工等不同工种将都可能组合到一台机床上，朝着一台复合型加工机床的方向发展19。 目前，复合加工机床日趋多样化，世界上主要的复合机床大体可分为三类：第一类是以车削为基础的复合加工机床，如车铣复合中心、小型五轴车铣复合中心、车铣复合加工单元等；第二类是以铣削为基础的复合加工机床，如五轴棒料加工中心；第三类为一磨削为基础的车磨复合加工机床，如车磨复合加工机和倒置式车磨复合中心。 （1）以车削为基础的复合加工机床 这类机床在卧式车削中心和立式车削中心的基础上集成了铣削、钻削和攻丝、镗削、磨削以及滚齿和插齿等工艺方法，成为卧式或立式车铣复合加工机床。具有代表性的有奥地利WFLMillTunTechnologies公司的M65和M60-G；日本MAZAK公司的100、200、300系列，QTN100MS、250MSY、350M系列；德国INDEX公司的TRAUBTNX65；DMG公司的TWIN65等多种卧式车铣复合加工机床6。 奥地利WFLMillTunTechnologies公司的M65卧式车铣复合加工机床具有一定的代表性。该机床总体采用传统卧式车床布局形式，床身采用高刚性的60斜式床身结构，导轨为特殊设计的大尺寸直线导轨，具有高刚性和优良的抗振性。床身左端为车削主轴箱，具备C轴功能。右端为尾座装置。斜式床身上部是车、铣、镗主轴装置，可沿纵向（Z轴）、横向（X轴）、径向（Y轴）进行直线运动和B轴的摆动回转运动。此外，B轴还可以2.5为单位分度，具有进行旋风车铣粗加工的能力。斜式床身的下部是一个在纵向和横向均可机动控制的中心支架，用于端面和镗内孔加工不能使用尾座装置时支撑工件。而M60-G在此位置是一个双刀盘式的车削回转刀架，在纵（Z1）轴、横向（X1轴）均可参与联动加工。因而该机床具备X、Y、Z、B和C多轴插补联动功能。在无人干预的情况下，进行车削、钻孔、铣削、磨削、枪钻、内外齿加工、车铣、圆弧铣削等加工任务。该机床在主轴箱后面配备一个多达120把刀位的无磨损、免维护盘式刀库取代传统的链式刀库，可存放长达900mm、重达20kg的刀具。换刀位置位于机床左端主轴箱主轴的上方，为减少换刀时车铣主轴往返移动带来的非生产性时间浪费，换刀位置在全纵向行程内编程置于程序库内。机床车铣主轴的下方配置的第二个刀具支撑附件采用独特坚固的燕尾槽结构，可以安装深孔钻刀杆、WFL系列镗刀杆、整体钻头、内型腔加工动力刀具和特殊型面镗刀等远大于标准刀具尺寸的大型刀具。在机床右端主轴上方设有换刀台，可自动存取最多两把，长度可达1550mm、重达150kg的大型刀具。深孔镗刀杆和内型腔加工动力刀具可装载多种加工刀具，可直接由左端刀库取刀，并且可由一独立的机床滑门操作，无需中断加工。对工件内、外圆同时进行加工时，可以达到极高的同轴度，同时又能保证镗孔和铣削表面的位置精度6。 （2）以铣削为基础的复合加工机床这类机床在卧式加工中心和立式加工中心的基础上集成了车削、钻削和攻丝、镗削、磨削以及滚齿和插齿等工艺方法成为卧式或立式铣车复合加工机床。如日本MAZAK公司的INTEGREXe-800 V/5、e-1 550Vl0卧式铣车复合加工机床在五轴卧式加工中心的工作台增加回转车削功能，可以在一次装卡下对圆型盘类零件实现车、铣等工序的完全加工。INTEGREX e -500HS立式铣车复合加工机床则在机床左右两端各设一个带卡盘的回转主轴右端卡盘可在轴向伸缩，可对长轴类零件进行顶卡加工，也可在左右两端同时进行对两个短轴类零件的车、铣等工序的加工工作6。（3） 以磨削为基础的车磨复合加工机床 车磨复合机床研究方面，国内外已经有很多相关研究和生产。瑞士MAGERLE公司的MGR型立式车磨复合加工机床，机床上方配有多个磨头和一个车刀架，可以对零件进行磨削和精车，实现了一次装夹，完成多种工艺加工；日本森精机制造所的IGV-3NT型磨头可回转式立式磨床，可在一次装夹下对零件内外圆和端面进行加工；瑞士STUDER公司的S33型万能数控磨床，可以在一次装夹下实现多线螺纹加工和内外圆、端面加工。南京数控机床有限公司的N-094型数控双端面车磨复合机床是用于汽车刹车盘的双端面车和双端面磨加工的专用机床。车磨复合加工提高了加工精度，减少了零件的装夹时间以及砂轮的更换时间，提高了加工效率14。 （4）以不同加工类型为基础的复合加工机床将多种不同的加工类型集成在一起，例如激光淬火与磨削加工集成的复合加工类型；切削、磨削、研磨加工集成的复合加工机床；铣削与激光三维加工集成的复合加工机床等。未来的复合加工机床将结合数控技术、软件技术、信息技术、可靠性技术的发展向构件简约化、结构紧凑化、配置模块化和部件商品化方向发展。复合加工机床的性能也会根据用户的加工要求向多样化发展，有为适合于多品种、单件和小批量生产条件的全功能性复合加工机床，也有为适合于提高生产效率、较大批量生产条件的专用的功能适宜的复合加工机床。同时复合加工技术也在重型、大型机床上有着广泛的开发前景。复合加工是未来机床发展的重要方向。当今世界数控机床正向高速、精密、复合、智能、环保、方向发展，而功能部件在数控机床发展中起到了及其重要的作用，其性能已成为整机性能的决定因素。针对国内复合机床发展的特殊现状，通过在普通数控车床上添加功能部件，扩展数控车床的加工范围，提高该数控车床的加工能力，将数控车床改造为车铣复合加工机床，从而大大减少设备投资，是国内许多工厂的迫切需要，是针对国内复合机床发展的特殊现状的一个过渡产物。数控车床功能部件涵盖了众多方面，如数控系统、刀库、数控刀架和转台、摆头、主轴、电主轴、滚珠丝杠副和滚动导轨副、高速防护等20。其中动力刀塔功能部件的应用对于数控车床加工范围的扩展起到了关键性的作用，通过在动力刀塔上安装车刀、铣刀、钻头、砂轮等，可以将数控车床扩展为集车削、铣削、磨削、钻孔等多种功能于一体的复合加工机床。国际上的数控回转动力刀架分为两个设计趋势：（1）带刀库的自动换刀装置；（2）转塔式刀架。两种方案针对的加工对象有所不同：前者结构尺寸较大，适合搭载在立式铣床上，对大尺寸工件进行加工；后者结构尺寸比较小，适合搭载于数控车床上，完成小尺寸零件的加工17。数控刀架作为数控车床的动作执行部件，其基本结构包括：驱动装置，分度装置，预定位装置，松开、刹紧装置，进定位装置，发信装置，装刀装置。为满足不同工件的加工要求，数控刀架分为4、6、8、10、12工位，形式为立式和卧式16。3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标3.1研究内容（1） 应用CAD的相关软件对动力头进行结构设计，确定动力头的基本尺寸参数和结构分 布。（2）对动力刀塔结构进行静态特性分析，利用所学知识完成设计计算说明书。3.2研究方法（技术路线）（1） 文献检索：接受任务后，明确本课题的任务要求，分析本课题中的重点和研究难点，查阅相 关文献资料，了解该领域目前已有的研究成果及发展动向；（2）撰写开题报告、文献综述报告、及外文翻译材料；（3）针对设计的基本要求，选择合理的机械结构及传动装置，进行系统的整体方案设计；（4）利用CAD软件设计出动力头的草图设计，初步确定动力头的基本参数和结构尺寸，并进行 初步的参数校核以满足任务的基本要求；（5） 利用三维软件（UG或Solid works），依据参数进行零件体的建模，并完成子装配体及总装 配体的组建工作。通过软件进行装配的模拟运作，并完成最终的图纸设计，导出工程图。（6）对动力刀塔结构进行静态特性分析，确定最终的系统设计方案，撰写毕业设计说明书。3.3研究难点在多功能车床开发中，加工精度、表面质量及加工效率等是机床开发中的难点问题。而动力刀塔立柱的静动态性能将直接影响零件的加工精度、表面质量和机床的生产率。因此，在多功能车床关键零部件开发中，动力刀塔是极为重要的组件。由于刀塔立柱作为动力刀塔中决定加工精度的重要部件，设计要求具良好的静动态特性。静态特性中，切削力的估算，相关结构(如齿轮传动机构)的应力计算和强度校核，以及静态特性随参数变化的变化情况等，都是此次设计的难点。3.4预期达到的目标 通过设计开发出一种功能部件，将其添加到普通数控车床上，在保留原有普通数控车床功能的基础上，对其进行功能扩展，提高其加工能力，从而实现在普通数控车床上对复杂形状类零件进行多工序复合化加工的目的。在设计开发出的动力刀头上安装车刀、铣刀、钻头、砂轮等,可以将普通数控车床扩展为集车削、铣削、钻孔、磨削等多种功能于一体的复合加工机床,尤其是可以实现侧向的钻孔和铣削加工，再配合以数控系统，可以实现多轴连动，能够对一些曲面进行加工，从而大大扩展了普通数控车床的加工范围,提高了其加工能力。4研究工作详细进度和安排2012.10.16：接受任务，查阅文献，撰写文献综述、开题报告及外文翻译稿；2012.10.162012.12.25：完成文献综述和开题报告、外文翻译稿；2012.12.262013.03.11：完成动力头的结构设计，绘制装配图及工程图；2013.03.122013.04.20：实习；2013.04.202013.05.10：撰写设计说明书（论文）；2013.05.112013.05.20：整理完善各种设计材料，答辩。5参考文献1 张 曙.从车铣复合到完整加工J.新技术新工艺,2004,(8):2-5.2 王晓员.车铣多功能机床总体设计J.机械工程师,2007,(5):62-62.3 吴宝海,严亚南,罗明,张定华.车铣复合加工的关键技术与应用前景J.航空制造技术,2010,(19):42-45.4 贺小宇,齐明思,张峰. 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