（机械工程专业论文）铣削式厚壁型压缩机切割机床的创新设计.pdf

摘要 本文基于企业对厚壁型压缩机切割的生产实际需要，分析了现有切割方式和 切割设备的现状，对目前常用的立式车床车削加工、无齿锯加工和旋压切割加工 的现状和优缺点分别进行了分析比较，在利用现代设计方法和相关的创新设计理 论基础上，研发设计了一种更加有效和可靠的压缩机外壁切割设备，即基于高速 铣削方式对厚壁型压缩机外壁进行切割的专用切割机床。 设备已经设计制造完成，并已交付厂家使用。从整体使用效果来看，完全满 足了厂家的需求，生产效率比立式车床高几倍，同时体积小，功率小，节约能源， 降低了企业的相关成本。 在设备的调试过程中，我们也遇到了一些设计时未曾想到的问题，经过进一 步的优化和改进，最终逐一解决了调试过程中发现的所有问题。例如，在试生产 时，由于切屑力的作用，使压缩机产生振动而发出噪声。经过仔细分析后，通过 对压缩机转盘加阻尼的方式得到了很好的解决。 本次设计所利用的高速铣削的加工方式，在国内外类似产品的加工方式中未 有见闻，这种加工方式速度快，可加工材料厚度范围大，对于厚壁型件是一种很 好的加工方式。如设备可做相应的改进，还可用到管件加工等行业。本课题可以 做更深一步的研究，设计出适应性更加广泛的通用型管件加工机床。 关键词：压缩机切割铣削现代设计可编程控制器 a b s t r a c t t i l i sp a p e fi sb 嬲eo nt h er e a lr e q u i r e m e n t 丘o mm 棚f i a c t l l r e rr e g a r d i n gt h et h i c k s h e uc o m p r e s s o rt e a rd o w nf i 瑙t l yw em a d et h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g es t u d yo f c l l n c n tc u t t i n gp r o c e 鼹粕dm a c h i n e r mf b ri n s t a n c et h ev e i r t i c a ll a t h et l l r 刀【i n g ，e d e n t a l s a wc u t t i l l ga n dr o l l i l l gp r c s sm a c h i n e a tt h e 锄dw ew o r k e do u tt h em o r ee 饪i c i e m 觚dm o r cr e l i a b l ec u t t i n gm a c h i n e r yb a s eo nm o d e md e s 迢ns o l u t i o na n di n n o v a t i o n s o l u t i o n t h i sn e wm a c h j n ei sh i g hs p e e d 血通g 础犯h i n ew h i c hd e d i c a t e d 旬rt h i c k s h e nc o m p r e s s o rt e a rd o w n t h ed e s 远n 锄dm a 肌f a c t u r eo ft h i s 蠡l c i l i t yw a sa l r e a d yd o n e ，锄di ta h a d y d e h 删t ot h c 锄叩r i s e n o mg e n c r a lp o 血o f v i 毗i ti ss a t i s f i e dw i t ht h eo r i g 渤l 舷l u 硫m e n t 舶me n t 唧r i s e t h ee 伍c i e n c yo ft h i s 舭i l i t yi s1 1 i g h e rm a nv e l t i c a ll a t h e ， i ta l s oh a ss m a l l e rv o l u m e 锄dl e s sp o w e rc o 咖m p t i o ns ow ec a ns a yt 胁t h j s m a c h j n e r yc a n 阻v et h ee n e 唱y 锄dr e d u c et h ec o s tf o rt h ee n t e 印r i s e w ea l s o lm e ts o m eu x p e c t c di s s u ed u r i n gt h ed e b u g g i n gp e r i o d w cm a d et h e r e v i s i o na n do p t i n l 娩a t i o na n d 血a l l yw es o l v e da ut h ep r o b l e n lf o ri n s t 锨l c ew e 南u n dt 1 1 cv i b r a t i o na n dn o i s ed u et 0t h em 丑1 i n gf o r c ed 嘶n gt h et r i a lr 眦b a o nt h e d e 印锄l y s i s ，w es o h ，c t h j sp r o b l e mw i t ht h cs o l u t i o nt h a tp u tt h ed a m p i i l go nt h e c o m p r e s s o r 跚p p o r t e r f o rt h eh i g hs p e e dm i l l _ i n gp r o c e 豁w 1 1 i c hu s e di nt h i sd e s i g n ，i ti sn e wi nm i s 丘e l d a uo v c rt h ew o r l d i th 嬲t h ea d 啪t a g e 也a th i 曲s p e e d ，b 远p r o d u c i n gr 龇培eo f t h i c l ( i l e s sa n de s p e c i a l l yf o r t h et h i c ks h e up r o d u c e r na l s oc 髓b ea p p n c di nt h et u b e p r o c 韶sa r e a 讧w em o d i f i e ds o m e w h c r cb a s eo nt h ec 啊r e n td e s 迳na n di tc 趾b e d e s i g n c d 鹪s t 趾d a r dt l l b ep r o c e s sm a c h i n e 巧w i t hm o r ed e 印s t l l d y k e y w o r d s ：c o m p r e s s o r ，t e a rd o w n ，m i l l 吨，瑚d e md e s i g n ，p r o g r 锄珊a b l e 1 0 9 i cc o n t r o l 第一章绪论 1 1 概述 1 1 1 涡旋压缩机简介 第一章绪论 涡旋压缩机最早诞生于1 9 0 5 年，由法国工程师l e o nc r c u x 发明的，由于加 工技术的局限性，8 0 年代初才开始批量生产。7 0 年代开始，由于能源危机的加剧 和高精度数控铣床的出现，为涡旋机械的发展带来了机遇。 涡旋压缩机是继往复压缩机、转子压缩机、螺杆压缩机之后的又一种新型高 效容积式压缩机，被公认为是技术最先进的第三代压缩机。涡旋压缩机作为一种 新型制冷压缩机，具有效率高，噪声小，零部件少等一系列优点【l 】。与同等容量 的往复式压缩机相比，主要零部件仅为往复式的l 1 0 ，体积减少4 0 左右，噪声 下降5 8 d b ，效率提高l o ，重量减轻1 5 ，驱动力矩的波动幅度仅为往复式的 1 l o 。 涡旋压缩机属一种容积式压缩的压缩机，压缩部件由动涡旋盘和静涡旋组 成。包括使通过压缩机壳体的气体的分路流动方式以减少夹带的油的许多结构特 征。在进入壳体之后，某些气体向上流动以减少了向下朝向油的流动的气体量。 为了实现这一目的，压缩机的电动机可以被套简包围，该套筒具有用于引导气流 到达电动机的上和下定子端部诸匝线圈的上和下孔。在某些实施例中，相对于在 定子与电动机壳体之间的两气体通道重要地对吸入进口定位。该进口的位置使一 通道接纳进入气体和将该流动分为沿两相反方向即向上和向下的流动。其它的通 道仅传送气体向上。此外，吸入挡板、扩散件、流线型平衡重块和吸入管捕油件 也能有助于气油分离或使夹带的油最少。 涡旋压缩机在过去十年中得到了快速发展，构成了压缩机技术发展的新亮 点。目前涡旋压缩机已在柜式空调领域占有绝对优势。在车用空调领域，涡旋压 缩机的制冷系数已达2 0 ，显示出较强的竞争力。涡旋压缩机的发展在于扩大其 制冷量范围，进一步提高效率，使用替代工质和降低制造成本等方面。 1 1 2 涡旋压缩机开壳切割需求简介 随着社会的发展，产品市场的竞争越发激烈。产品质量作为产品竞争的根本 已被厂家视作企业的生命。为了能在市场竞争中立于不败之地，需要对产品的不 第一章绪论 断改良和研究。针对于广大的压缩机生产厂家，做测试时需要对压缩机切开进行 分析，同时，对于报废的压缩机，生产厂家需研究其内部结构从而确定压缩机不 能正常工作的原因以期在日后的压缩机设计与生产中得到改进。 1 2 国内外涡旋压缩机开壳切割机床现状 压缩机壳体材料属难加工材料，形状属于轴对称类，目前的切割加工设备主 要为：立式车床、无齿锯和天津大学机械学院研发的旋压切割机床。 大部分厂家目前仍采用立式车床车削的方式开壳切割。但采用车削的方式需 要较大的立式车床，前期投资大，设备功率大，运行成本高；同时，采用车削的 方式将压缩机车断对刀具的损坏也比较大，效率也较低，通常车削切断一台压缩 机需要3 0 分钟左右。 多年来，国际上相关公司已针对这一需求进行了大量的研究，目前比较好的 解决方案是采用旋压切断压缩机壳体的来加工，采用用旋压工艺，将压缩机切断。 目前日本已经研制出切割压缩机壳体的旋压设备，其可加工圆形与椭圆形压缩 机。在国内，天津大学机械学院已经研制出加工圆柱形压缩机的旋压切割机床( 图 1 1 ) ，已应用于生产实践。 图卜l 天津大学机械学院制造的旋压切割机设备 基于旋压技术的专用旋压切割机床属于少切屑或无切屑加工，切割加工过程 对产品影响较小，不影响切开后产品的研究分析；同时，机床操作方便，效率高， 能耗低。特别是天津人学机械学院所制造的旋压切割设备，已经达到国内领先水 2 第一章绪论 平，在生产厂得到了广泛的应用。 1 3 研究课题的提出 基于旋压技术的专用旋压切割机床属于少切屑或无切屑加工，切割加工过程 对产品影响较小，不影响切开后产品的研究分析；同时，机床操作方便，效率高， 能耗低。特别是天津大学机械学院所制造的旋压切割设备，已经达到国内领先水 平，在生产厂得到了广泛的应用。 旋压切割方式的局限性为其只能加工壳比较薄的压缩机，一般只能加工壁厚 小于4 5 毫米的压缩机。对于壁厚型产品，由于旋压切入力过大而无法加工。 鉴于此，需要研发一种新型切割机床设备，能加工厚壁型压缩机，以满足生 产厂家迫切的需求。 1 4 课题的研究内容 针对压缩机厂家的生产实际情况和需求，本课题在对现有切割机床分析的基 础上，利用现代设计方法和相关创新设计理论，在分析目前国内切割设备的现状 和优缺点的基础上，创新设计出一种新型切割设备。 第二章现有压缩机外壁切割设备的现状分析 第二章现有压缩机外壁切割设备的现状分析 2 1 目前现有切割设备概况 现在市场上对压缩机外壁进行切割的设备主要有立式车床、无齿锯、旋压式 切割机床。下面将对这几种加工设备的现状进行分析。 2 2 立式车床在压缩机外壁切割中的应用 2 2 1 立式车床在压缩机外壁切割中的应用范围 车床的主要加工过程是工件转轴线旋转和刀具产生相对运动来进行切料去 除，而大部分压缩机在外型上都近似的关于中心轴对称，所以现有很多压缩机生 产公司在对压缩机进行外壁切割的时候采用立式车床。对压缩机外壁进行切割目 标是为了对压缩机的不良产品进行分析，这样就需要在切削外壁的时候不能对压 缩机的内部产生破坏，并且能够尽量的保持压缩机内部的原有状况。这就需要我 们在在装卡压缩机的时候尽量使压缩机的机体受力较小，而且压缩机里面充有冷 却和润滑用的油，在切割过程中为使油不至于撒出，这就使我们更多的选择使用 立式车床。立式车床的应用虽然在很多压缩机生产厂中得到了应用，但是这些企 业都是比较大型的，对于很多中小型企业来说，立式车床在压缩机外壁的切割中 就需要较大的投入和需要较大的空间，这就使立式车床在此应用的厂家有了一定 的限制。 2 2 2 立式车床在压缩机外壁切割中的优点和局限性 由于压缩机品种较多，市场上存在着各种产品。为满足各方面的需求，压缩 机有各种各样的尺寸，我们在切割压缩机外壁的时候要选用不同的机床，但是车 床的发展有了较长的时间，而且车床的应用也在各种尺寸上都有相应的型号，这 就使我们在压缩机外壁切割时在立式车床的选用上有较大的选择范围。这就是立 式车床在压缩机外壁切割上的可选择优势，能够满足不同尺寸的压缩机外壁的切 割。 4 第二章现有压缩机外壁切割设备的现状分析 虽然立式车床在压缩机外壁切割上有较大的选择性，但是车床的加工最主要 方式还是刀具相对于回转轴线旋转的工件来进行材料去除，而压缩机的外形并不 都是关于回转轴线对称的，所以在切削过程中有较大的振动性和噪声，这就使我 们的劳动环境比较恶化，不适应现今社会对加工领域以人为本的要求。 2 3 无齿锯的原理和应用 2 3 3 无齿锯在压缩机外壁切割中的应用领域 无齿锯就是没有齿的可以实现“锯”的功能的设备，是一利t 简单的机械，主 体是一台电动机和一个砂轮片，可以通过皮带联接或直接在电动机轴上固定。切 削过程是通过砂轮片的高速旋转，利用砂轮微粒的尖角切削物体，同时磨损的微 粒掉下去，新的锋利的微粒露出来，利用砂轮自身的磨损切削，实际上是有无数 个齿。无齿锯在铁艺加工中是一种常用的电动工具，用于切断铁质线材，管材， 型材。可轻松切割各种混合材料包括钢材、铜材、铝型材、木材等。 2 3 4 无齿锯在压缩机外壁切割中的优点和局限性 由于无齿锯主要用在铁艺加工上，并且可轻松切割管材，所以在切割压缩机 外壁时从理论上来说也是合理的；但是由于无齿锯大部分都是比较简单的，手动 的机械，所以它只适合于切削一些小型化的压缩机，在切割压缩机的时需要一些 配件或者第二者的加入，人的主观技术性占了很大的作用，所以在切割的时候只 能进行单件的生产，而且生产周期相对较长，所以不能够提供及时的分析和满足 客户快速反应的要求。现在用无齿锯切割压缩机外壁都是一些小的厂家来进行， 不能够形成产业化，所以现在也淡出压缩机切割外壁应用的领域。 2 4 旋压切割机床在压缩机外壁切割中的应用 2 4 1 旋压切割机床的原理和应用 旋压切割设备是基于旋压的一种综合锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、横轧 和滚压等工艺特点的少、无切削加工的先进工艺。可旋压的工件主要是回转体零 件，诸如圆筒、圆锥、抛物线形、异型等。可旋压成形的材料广泛，所有塑性材 料都可用旋压加工。旋压的显著优点在于能够成形高强度难变形的材料，因为在 第二章现有压缩机外蹙切割设备的现状分析 旋压成形过程中，旋压刀具与工件接触面积小，单位压力大。 2 4 2 旋压切割机床在压缩机外壁切割中的优点和局限性 旋压切割设备是基于无屑加工的种设备，而且这种设备可以配备多把刀具 同时进行加工，这就大大的缩短了加工的周期。虽然旋压技术有很多优点，但是 基于旋压技术设计的旋压切割设备所加工的压缩机外壁主要倾向于薄壁的切割， 其最大的切割壁厚在4 5 毫米，这就在一定范围内限制了它的推广。现在高压型 压缩机的壁厚已经达到7 1 0 毫米，目前的旋压设备已经不能满足对此类压缩机 外壁切割的需求，所以我们根据企业需求，研发设计一种新型压缩机外壁切割设 备。 2 5 现在市场对压缩机外壁切割设备的新要求 由于现有市场上的设备不能够满足压缩机外壁切割的要求，所以现在市场对 我们提出了新的要求。新设备不但要能够满足现有压缩机的加工要求，还要能够 满足在未来5 年内出现的新型传统压缩机的外壁切割要求，表( 1 ) 中表明了现有 厂商对新型设备的基本要求。为了满足新的加工产品族的要求，我们不仅要对以 前旧有的设备进行调研和分析，我们还需要引进一些新的设计方法论等来作为我 们新设备设计的指导思想，使我们在设计中能够尽量的满足客户的要求，跟上时 代的步伐，使新设备不但能够在现在得到最为广泛的应用，即使在1 0 _ - 2 0 年内也 要占有一定的市场份额。 表2 一l 压缩机产品族 直径系列高度系列壁厚( m 戤)安装尺寸 4 支脚2 5 45 0 s5 1 9 1 0 2 2 0 木2 2 0 3 1 65 j 8j 8 1 2 1 6 木3 0 5 2 6 6j 9 16 3 l2 7 9 3 0 5 3 4 4 6 7 87 加 2 4 6 2 4 6 3 5 22 9 4 3 0 4 4 2 j 3 支脚 乃53 3 33 骝4j宣径124 2 8 84 l j 直径1 卯 3 j 2 4 2 j 6 第二章现有压缩机外壁切割设备的现状分析 2 6 本章小结 本章从设计需求出发，在充分分析了目前相关产品的现状及其优缺点基础 上，明确了设计目标、设计方向以及待解决的问题。 7 第三章现代设计方法的应用 第三章现代设计方法论的应用 3 1 设计方法学的概念及应用 近二十年来科学技术的发展和进步极为迅速，工业世界市场竞争激烈，构思 新颖的产品不断涌现，产品更新的助其不断缩短，对产品的技术性能要求越来越 高，价格质量比的要求越来越低。而对上述事实，人们已经普遍意识到，在工业 基础水平相当的情况下，工业产品的竞争归根到底就是产品设计质量的竞争。产 品的质量及其竞争力很大程度上取决于设计阶段的工作。为了提高设计质量，人 们开始研究并不断完善设计过程的合理工作步骤，优化每个工作步骤，把各个工 作步骤有机的合乎逻辑的联系起来，形成通用、完美的设计工作程序，以期获得 优质的产品。 3 2 设计方法学在设计中的基本步骤 3 2 1 问题定义 对系统进行调查研究，弄清问题的实质。通过全面地搜集有关资料和数据， 说明类似问题的历史、现状和未来的发展趋势，从而为解决目标问题提供可靠的 依据。在这里，对含糊不清的要求和问题要做调查、研究、分析，以求要求明确、 定义准确。 3 2 2 系统设计和目标 规定系统的输入、输出和边界约束条件，要弄清系统要达到的目标，并制定 出系统目标评定准则，用以判断各个方案的优劣。常用的评价准则可以使费用、 经济效益、性能、可靠性等产品最为关心的技术经济指标。 3 2 3 系统综合 构造满足给定目标的系统，对各类方案进行详细的讨论，并完善到能根据系 统目标评定准则进行评价的水平。解放思想，自由提出设想，在开发新系统时更 需要创新精神和创造力。 8 第三章现代设计方法的应用 3 2 4 系统分析 将系统模型化，从量的方面分析预测各个方案的性能、费用和效益。所谓模 型化就是将所要研究系统的物理或自然本质、经济特征、生产组织、规划管理活 动、确切地用数学、图表、流程等关系表达出来。 3 2 5 系统评价 系统综合时提出了许多方案。要对大量方案进行详细评价是耗时费钱，实际 上不可行的，必须在进行定量评价之前进行初步筛选。筛选可按约束条件或主要 评价指标进行测算，最后留下不多于5 个方案进行详细评价优化。 3 2 6 系统决策 决策主要从两个以上不同方案、途径、方法中经过分析、对此选出最佳方案。 新方案总是带有一定的风险性，因此在选定新方案时要做风险性决策。当考虑所 有方案都不能完全满足主要设计目标时，要及时果断地做出放弃系统研制的决 策。 3 2 7 系统实施 复杂的大系统要经过多次设计加工- 式验、鉴定改进的过程，直 至成功的应用推广。 3 3 方案设计 3 3 1 方案设计的任务和步骤 l 、方案设计的任务 方案设计阶段的主要任务是根据计划任务书或技术协议书，在调研、创造性 思维和试验研究的基础上，克服技术难关，并通过分析、综合和技术经济评价是 构思和目标完善化，从而确定产品的工作原理和总体设计方案。 2 、方案设计的步骤 如图3 1 所示，把复杂的设计要求通过功能分析分解为简单的模式，寻找满 足设计要求的原理方案。 9 第三章现代设计方法的应用 3 3 2 抽象辨明主要问题 设计的对象是尚不存在或至 少是与现有产品所不同，其构成方 式是多解的，并永远有改进、创新 和发展的余地，因此，方案设计最 重要的问题是发散思维，防止先入 为主。为此，首先要把设计任务抽 象化。 1 抽象的目的 传统的设计方法，一般是几个 总体方案图中选一个，不仅费时， 而且往往不能提供最佳方案，因 为： 每个设计部门都有个经验库， 限于设计师知识的局限性、习惯乃 至偏见，束缚了创造力的发展。通 过抽象有利于开拓思维，可寻求更 理想的解法。 设计要求往往很复杂，不理清 头绪，分清主次，就不利于抓住主 图3 1 方案设计的步骤 信息 定义 创新 评价 决策 要矛盾，发挥创造力。通过抽象有利于暂时滤去偶然情况和枝节问题，突出一般 必要和基本的要求，易于突破和创新。 因此，设计师必须要有抽象化的能力，即用抽象的概念指明设计对象的功 能和属性。但是必须控制抽象化的程度，一般应以有利于及时寻求到可行的解法。 2 黑箱法 设计对象在 未弄清其内部构 造以前犹如一个 黑箱，各种功能 均可用黑箱图 ( 图3 2 ) 的形象 抽象地表达。黑 箱法的目的在于 明确设计对象的 1 0 图3 2 黑箱图 输出) 信号 能量 物料 第三章现代设计方法的应用 输入、输出及其与环境的关系，摆脱具体的问题按功能要求探索系统的机理和结 构。 对于工程系统所谓的黑箱是由信号、能量和物料组成的，伴随着这一切种种 所发生的都是我们事先不必考虑的，黑箱法在设计中的应用也是非常广泛的。 3 辨明和表达主要问题 分析设计要求，辨明主要功能和约束条件。把复杂的、潜在的以及有时含糊 不清的要求变为系统、明确相对独立的要求项目，是完成创造性设计的关键。功 能要求的表述方法不同，将导致不同的设计方案。对实现功能要求的方法和手段 尚不清楚的的开发性设计问题的表述更有特殊的意义。 4 明确表述的系统扩展 明确了设计的主要任务之后，还应进一步探索是否可扩展解题范围；甚至作 为某些改变，以寻求更好的解法，而不局限于既定的框框。 3 3 3 建立功能结构并进行分析 技术系统有构造体系和功能体系组成。建立构造体系是为了实现功能要求。 因此，后者是本质的东西。从功能体系进行分析，有利于摆脱现有结构的束缚， 形成新的、更好的方案。所谓功能分析就是通过分析建立设立对象系统的功能结 构，通过局部功能的联系，实现系统的总功能。 功能结构 设计要求决定对象系统的功能，而一个系统的总功能要求通常是比较概括 的。它的组成部分很多，物理过程复杂，输入、输出关系往往尚不清晰，不易直 接找出相应的解法。因此进行功能分解，将总功能逐级分解为复杂程度较低的分 功能甚至能直接从技术效应中找到具体解法的功能单元。 建立功能结构的目的在于： 使复杂问题简化。 清楚显示各功能的相互关系，有利于功能明确定义、分析研究、寻求解法。 多样化的子功能解法可组合为多样化的总功能系统方案，有利于优化。 有利于进行模块化设计。 有利于建立设计目录。 功能定义 即对产品及其要素应具有的功能用简明的语言，把其本质明确的表达出来。 明确它的功能是什么，开阔思路，进行评价。 功能元 有些功能元已有的结构元、部件可作为载体，但许多功能元还需要从技术效 第三章现代设计方法的应用 应和逻辑关系中找出能满足要求的解法。其中机械功能元中的基本单元包括( 表 3 1 ) 表3 1 机械功能的基本单元 功能元作用举例 动力发生元为实现工作对象的给定转换提供电机，液压缸 动力转换元动力齿轮，丝杠副 力的传递元 将提供的动力转换为符合的动力螺栓，液力耦合器 运动约束元在系统中形成力流轴，箱体等 监测元使运动部件按要求形式运动传感器，显示器 控制元监测系统的工作状态阀，行程开关 信息元根据监测信息发出控制指令逻辑，软件 向系统提供信息，进行处理 功能结构的建立与应用 3 3 4 寻求实现子功能的方法 1 、一般解法 一般解法中包括情报检索、自然系统分析、现有技术系统分析、模型实验法。 2 、创造性思维法。 3 、采用设计目录 设计目录中应该包含对象目录、作业目录、解法目录。 3 3 5 组合解法原理实现总功能 在获得各子功能原理解法的基础上，按功能结构把各子功能组合起来，以便 实现总功能。 组合的基本要求： 所组合的解法原理在物理上和几何上必须是匹配的。 保证信号、能源、物料三流通畅。 保证技术经济效果最佳。 3 3 6 原理方案的设计筛选 用系统组合法可以获得很多方案固然是优点，但是也同时提出了一个问题， 即如何剔除不行的而又不遗漏有价值的方案。这就要求我们对各个方案进行匹配 性鉴别，采用选择表方法选出符合要求的最优化的方案。 1 2 第三章现代设计方法的应用 3 3 7 若干方案的形成 前述以功能结构为基础寻求的解法，主要用于满足技术要求，往往还不够具 体，达不到可据此确定原理方案的程度，为了全面满足设计系统的目标和约束条 件，还必须收集有关信息，逐步具体化、定量化，使所建造的原理组合化转为方 案设计。为此还需进行下列操作。 1 概略计算。 2 画草图或大致的比例图，勾画出轮廓、构型所需空间和各部分匹配的情 况等。 3 做初步试验或模型试验，确定主要特性或性能的大致定量状况和优化范 围。 4 建立模型，以便分析和形象化。 5 用计算机进行模拟或仿真。 6 针对某些具体指标，进一步检索专利和其他文献。 7 对采用的技术、资料、外购件等进行市场研究。 3 3 8 对方案进行技术经济评价 当完成所有的设计和实现产品的样品化生产后，我们需要对产品进行技术和 经济的评价，评定新产品是否能够满足市场的需求和客户的需求，及产品在未来 市场的前景。以此判定产品的经济效益，使之能够符合产品的最初提出和要求。 3 4 本章小结 本章介绍了现代设计方法的概念，以及设计步骤。再利用现代设计方法理论 对设备进行方案选择和优化，得到了一套其实可行的最优设计方案。 第p l l 章基于方法论对产品进行方案提出和分析 第四章基于方法论对产品进行方案提出和分析 4 1 基于黑箱法对产品的功能进行提出 4 1 1 黑箱法的原理 在只知道进料和出料的情况下，设计对象是一片的空白，就如放在一个黑箱 中，这就更有利于设计人员对内部进行各方面的猜想，不受专业的限制，这样在 大家讨论的范围能够得出更多的设计思路。 4 1 2 黑箱法在此产品中的应用 黑箱法在产品设计中的首要任务是扩大设计者的思维，以便得出更为优秀和 经济的设计方案。 4 1 3 利用黑箱法中的得出其功能 现在设计的压缩机外壁切割设备的进料就是那些已经损坏或有不良反应的 压缩机，出料为已经被切开外壳的压缩机，并且要保证压缩机内部原件的完整性 和原件原有位置的不动性。 4 2 基于现有压缩机外壁切割设备的优点提出新的方案 要设计压缩机外壁切割设备，我们首先就要了解压缩机的外形，如图4 一l 所 示，这是两种典型的工业用的大型的压缩机 1 4 第四章基于方法论对产品进行方案提出和分析 一口d _ h h矿l影、 w _ _u _ 2 f 回1 i 滞 一司 i o 叩 1 1芒-_ ( a ) 4 支脚型压缩机 ( b ) 3 支脚型压缩机 图4 1 压缩机外形图 我们知道压缩机的外壁虽然整体上是一个关于中心对称的，但是在外壁上的 很多细节上还有很多的工艺安装部分，使外壁不完全关于中心对称，所以在考虑 压缩机外壁切割时可以综合考虑各个前述设备的优点和优势加以应用。 4 2 1 立式车床的可选用单元和优点 车床经过百年的发展，在很多方面已经有了非常成熟的配套设施，诸如刀具， 夹具等，当然还有其成熟的切削方式车削。在我们设定新的方案的时候都可 以借鉴车床上这些配套设施提供给我们的便利，使我们少走弯路或直接接手其有 用的机械单元，也可以将一些相关的机械单元稍作修改使其符合我们产品的需 求。 在这里我们先假设立式车床可供我们选择的单元有刀具的夹具、加工品的夹 具、刀具的移动方式、去料的方式车削。 1 5 第四章基于方法论对产品进行方案提出和分析 4 2 2 无齿锯切削设备的可选用单元和优点 无齿锯是在单件或极小批量加工各种型材、管件、压缩机外壁上常用的设备， 在第一章中我们也介绍了其切削的原理，在这里我们主要是选用无齿锯在切削材 料时所要配备的加工件的夹具和其切削的方式在我们这套设备中的应用。因为无 齿锯加工由于各种型材的外形是多样的，所以它可提供的夹具也是非常多样的， 这就可以给我们一个更大的选择范围，或者给我们一个更加广阔的思维空间。 无齿锯提供给我们的一是切削方式磨削或铣削，二是多种夹具的配合使 用。 4 2 3 旋压切割设备的可选用单元和优点 旋压切割设备是现在已经比较广泛的应用于压缩机外壁切割的设备，它一向 有切割速度快、无碎屑产生等优点，而且它在压缩机领域有其比较成熟的应用， 所以在压缩机切割方面可以使我们了解更多压缩机外壁切割所需要的工作单元， 其次它的很多与压缩机切割相对应的独立的、专用的机械单元也是我们可以直接 或间接选择的。诸如压缩机切割的升降台，压缩机圆盘刀具的安装台等等。 旋压切割设备给我们能够参考的机械单元正如上述的有升降台、圆盘刀具的 安装台、专门的机座等，这就要求我们对各个方案和原理进行优化比较，并且对 一些比较合适但是又不能直接应用的加以改进再做比较得出一个合适的单元。 4 2 4 对各个机床的优点进行比较和优化原理的选择 一、单元化 为了满足产品的设计，以及将设计方法论在此得到应有的运用，我们需要对 产品划分单元，并且进行比较，在此我们将各个单元和原理以表格的形式表现出 来使我们对各单元一目了然( 表4 一1 ) 。 二、去料方式的选择 在选择夹具和移动方式的前期，我们必须对设备的去料方式有一个明确的选 择。这就要求我们对上方提出的去料方式的各个原理有一个比较，找出优缺点所 占的权重，才能够得出一个合理的去料方式。从上面的论述中我们知道，在此类 加工中主要有车削、磨削、冷挤压的去料方式。但是冷挤压方式在加工壁厚较厚 的情况之下有一定的限制，所以在此我们不做选用和讨论。无齿锯的磨削可以看 作是有无数齿进行铣削加工，而且磨削本身有加工速度慢，噪声大，火花产生等 缺点，所以我们可以将磨削直接用铣削来代替。这样我们在下面主要分析车削和 铣削加工方式的工艺和优缺点，以进行比较达到选择的结果。 1 6 第四章基于方法论对产品进行方案提出和分析 表4 1 各单元的方式和优缺点 项目名称方式应用范围优点 夹具 三爪卡盘 三爪卡紧通用夹具自动定心，应用广泛 四爪卡盘四爪卡紧 找正法装夹工 这种方法方便、简单、适用于单件、小 件 批生产。 v 形抱紧v 形相互抱 工件以外圆定v 形块限制工件在y 方向上的移动自由 装置紧 位 度。它除定位外，还兼有夹紧作用。 压块，压铁 压紧方式是可调夹具适用范围宽，可加工相似的多种工件 去料车削工件回转， 同轴心对称工应用广泛，技术成熟 方式刀具进给件的加工 磨削砂轮片旋转异型件的切机械设备相对简单，体积小，能够随地 断，打磨加工，加工范围宽 铣削刀具旋转 非对称零件的应用广泛，技术成熟 旋压冷挤压薄壁加工 少碎屑，速度快 移动工作台升丝杠、气动、刀具不适宜动 方式降液压等的设备 刀具台升丝杠、气动、 降液压等 l 、车削 车削的工艺特点： ( 1 ) 易于保证工件各加工面的位置精度 a 例如易于保证同轴度要求 利用卡盘安装工件，回转轴线是车床主轴回转轴线 利用前后顶尖安装工件，回转轴线是两项尖的中心连线 b 易于保证端面与轴线垂直度要求由横溜板导轨，与工件回转轴线的垂直度 ( 2 ) 切削过程较平稳避免了惯性力与冲击力，允许采用较大的切削用量， 高速切削，利于生产率提高。 ( 3 ) 刀具简单 车刀制造、刃磨和安装均较方便。 车削的应用： 在车床使用不同的车刀或其他刀具，可以加工各种问转表面，如内外圆柱面、 内外圆锥面、螺纹、沟槽、端面和成形面等，加工精度可达i t 8 一i t 7 ，表面粗 糙度r a 值为1 6 o 8 ，车削常用来加工单一轴线的零件，如直轴和一般盘、套 类零件等。若改变工件的安装位置或将车床适当改装，还可以加工多轴线的零件 1 7 第l ，q 章基于方法论对产品进行方案提出和分析 ( 如曲轴、偏心轮等) 或盘形凸轮。单件小批生产中，各种轴、盘、套等类零件多 选用适应性广的卧式车床或数控车床进行加工：直径大而长度短( 长径比0 3 0 8 ) 的大型零件，多用立式车床加工。成批生产外形较复杂，具有内孔及螺纹的 中小型轴、套类零件时，应选用转塔车床进行加工。大批、大量生产形状不太复 杂的小型零件，如螺钉、螺母、管接头、轴套类等时，多选用半自动和自动车床 进行加工。它的生产率很高但精度较低。 2 、铣削 铣削的工艺特点 铣削是指用能旋转的圆形多刃刀具切削金属工件，是平面加工的主要方法之 一。往往是刀具旋转( 做主运动) ，工件固定( 工件可随工作台的运动实现进给 运动) 。铣削平面的机床有卧式或立式升降台铣床，适于单件小批量生产。 铣削分端铣和周铣。端铣法是用铣刀端面上的切削刃铣削工件。周铣法是用 铣刀圆周表面上的切削刃铣削工件。 铣削的特征 ( 1 ) 铣刀各刀齿周期性地参与间断切肖i j ( 2 ) 每个刀齿在切削过程中的切削厚度是变化的。 顺铣，工件的进给运动方向跟铣刀的旋转方向相同。 逆铣，工件的进给运动方向跟铣刀的旋转方向相反。 实际生产中多用逆铣，因为顺铣情况下铣刀的切削力会使工件向前窜动，窜动是 由于工作台的进给丝杠螺纹间有间隙，且间隙在运动的前方，顺铣时受前向突然 增大的切削力，使工作台和工件向前跳动。 但是实际上，顺铣比逆铣能减少刀具磨损，提高表面光洁度。如果能消除丝杠 间隙的话，还是顺铣较好。只是目前没有有效消除间隙的方法。所以实际生产 还是用逆铣。 若铣刀切削速度的方向与工件进给方向相反称为逆铣，反之称为顺铣。 逆铣和顺铣各有优缺点，应根据具体情况选用。 顺铣时刀具寿命长。 顺铣时表面质量好。 顺铣时夹紧力比逆铣小。 顺铣时容易造成工件窜动。 从上述比较可见，顺铣比逆铣更优越。因此，当铣床工作台具有丝杠和螺母 间隙的调整装置、工件表面无硬皮时，应采用顺铣。但是目前一般铣床还没有消 除工作台和螺母问隙的装置，所以，在生产中仍多采用逆铣。 综上所述我们知道车削对有较大的振动性，而且比较适合用于大批量，关于 第四章基于方法论对产品进行方案提出和分析 中心对称的轴类零件的加工，而压缩机外壳有很多不是关于中心对称的，从中我 们就能够得出车削在压缩机外壁上的应用范围应该是比较狭小的，并不是最优化 的，所以我们选用铣削方式对压缩机外壁进行加工。 三、铣削方式的确定 铣削有顺铣和逆铣之分，在上结我们从经验上得出了顺铣和逆铣的优点，在 此我们将对顺铣和逆铣的受力进行分析，得出更加让人信服和合理的结论。 l - 锯片铣刀的描述 在高速铣削时，通过盘形铣刀( 图4 2 ) 可提高生产效率4 卅倍以上。铣削力 是铣削加工过程中一个重要的物理量，对工件表面、刀具和机床刚性等具有重要 的影响。作者根据盘形齿轮铣刀铣齿的特点，研究盘铣刀的逆铣法和顺铣法。两 种铣削工艺的铣削力表达式，与试验数据进行比较，研究不同加工方法的加工效 果，以其得出更加符合此设备的铣削方式。 图4 2 盘形铣刀 2 顺铣受力分析旧 由于刀盘的两侧是对称的，为简便起见，只需研究一侧刀片的切削力。从盘 铣刀的特殊性可以看出，铣刀加工时齿根部分的切削和齿侧的切削是不一样的。 齿根部分的切削是由铣刀的项刃来完成的，而顶刃在切削齿轮齿根部分时因切屑 及切削热等难以排除，是铣削时刀具铣削条件最恶劣的部分，刀具的磨损，崩损 也常常出现在铣刀的顶刃( 如图4 3 ) 。 图4 3 铣刀项仞崩溃图4 4 顺铣示意图 1 9 第p l q 章基于方法论对产品进行方案提出和分析 因此选择铣刀顶刃点s 为研究对象。图4 4 是齿根部分顺铣示意图，铣刀的旋 转角速度为u ，方向为逆时针；铣刀的进给速度为v f ，方向与z 轴方向相反；因 铣刀刀齿前角为0 ，所以铣刀在铣削工件时，切入点s 与铣刀回转轴线同在水平面 内；o 角为瞬时铣削角度1 l r a 角为顺铣最大铣削角，i r a = a r c c o s ( 1 一a p r ) ； 点p 为切出点。 设盘铣刀上的刀齿是均匀分布的，因此由曲线s p 和圆弧s n 及线段n p 围成的面 积是由铣刀上s 至岍之间的刀齿在铣刀旋转v 。后铣削而成的，设s 到n 之间的铣刀 齿数为z ：点s 为切入点s 经t 时刻的瞬点，t 为切削1 l r 所用时间；当铣刀从s 切入 到由点p 切出，所用时间为t ，机床在t 时间内铣削的铣削量f z m = v f t 。 根据图6 我们可以给出圆盘铣刀在顺铣时进给速度和受力的关系。 = ru ，y 。= 形s 硼，以2 圹c o 跗： 日= 研 阶研。s 卜p 叼 r = 、王，。= ( a r c c o s l 一口p r ) 耽= 锹s i n 1 9 l = 锨s i n 砚 = 一h 一础c 。s p u 硎c o s ( 砚) ( 1 ) ( 2 ) 将x 带入z 得到： 一垆啪s ( 彩墙i n 一。s 所以顺铣由切入点s 到切出点p 和点q 围成的面积为s 渺，则 舭 耐 程 砒 方 沁 毵 坝 畚 ， 携 刎 吩 线 义 一 扪 烈 = 切 扭 耐 ；薹 肛 她 甜 龇 胁 在 吠 ，1 m 脚，扣。矿 一 一 卿 第四章基于方法论对产品进行方案提出和分析 r s 渺= ， a r c c 。s ( ) 户+ r s i n a r c c 。s ( 衫，一) 出 尺一口， ( 4 ) 由图可以得出，顺铣中盘铣刀由切入点s 到切出点p 之间的刀齿经最大铣削角 y 。后铣削的面积s 删等于s 渺减去由点s 、点q 和点n 围成的面积s 删，即 ss 口n ：s 泌p ss 淤 ( 5 ) 铣刀从点s 切入工件时的切入角依然为卢，点s 的坐标为( r s i n 卢，尺c 。s 卢) ，点s 未切入点s 经t 时刻的瞬间点；、壬，。角为最大铣削角；刀具旋转、壬，。角所用时间为 l 。 卢= a 1 c s i i l ( 1 一衫尺) ，= 翻状，p = 卢+ 似 最大铣削角为：甲。2 、王，。一妒，所以乙。甲。，动点s 的速度为： 上晦= 的阳硎c o s 坳) lh = s i n 9 = 揪s i n ( 卢+ 研) ( 6 ) p 邶妒邓倒岫邯喇) l z = 1 0 f 1 尺c 。s 卢+ ，& 】rs i i l + 耐) d 赤，飞_ 2 尺c 。s p + 尺c 。s 够+ 甜) 纠u i 咧枷c o s 肿c o s 一；n 2 l 第网章基于方法论对产品进行方案提l 出和分析 所以逆铣由切入点s 。到切出点只，点d 和点q 围成的面积s s q m 只， 则 最卿= 。，眈a r c s i 嗾一咿狱c 。驴 吗( 9 ) + r c o 町c s i 卅固协 由图可以得出，逆铣中盘铣刀由切入点s 。到切出点。之间的刀齿经最大 铣削角y 。后铣削的面积s s 。肌只等于s s 。q a 只减去由点s 、点q 和点n 围成的面 积s s q 。肌，即 s s 。n 。p 。：ss q ，n 4 p 4 一ss q n 。 o ) 根据塑性理论分析，得到被加工材料的硬度h b 与单位切削力之间，不仅因次 相同而且数值也相等因此切削力f 。由下式计算： 尸m = p 彳洲v c o sy 。c o s ( 一y 。) 水船 ( 1 1 ) 式中心，为多刃刀具的切削面积平均值，顺铣中九，：s 腓，逆铣中 彳，：s s 。只m ；p 为加工对象的密度；以为刀具前角，垂为剪切角；h b 为加工 材料的硬度。将扎：o ，及式( 5 ) ，式( 1 0 ) 分别带入式( 1 1 ) 即可得到铣刀顺铣和 逆铣时的切削力。 尸肌p = ps 脚v c o s 串脚 ( 1 2 ) 尸棚万= p s s 。只肌v 2 c 。s 巾木船 ( 1 3 ) 由上面的计算可以得出，在选择盘形齿轮铣刀进行逆铣削时，刀具除初次切 削外，其余的铣削接触面都是已加工面，可避免毛刺、飞边等对刀具的损害。又 由于逆铣时铣刀的旋转方向与刀具进给的方向相反，切入切削的厚度小，加工效 率高，适于高速铣削。采用逆铣法时，因铣削力较顺铣时的铣削力小，铣刀受到 的冲击力也比采用顺铣法冲击力要小，同时铣削工件时机床的自激振动减弱，使 第四章基于方法论对产品进行方案提出和分析 刀具能较顺利地切下工件金属，形成完整的切屑，使切削刀具的寿命得以延长。 同时减少了机床铣削时产生的噪声，并能获得较好的工件加工精度及表面质量， 提高机床的使用寿命。所以我们在此得出的结论就是在这里我们采用逆铣法。 4 夹具的选择和确定 为了满足对我们加工的压缩机产品族的要求，我们需要对现有的压缩机外壁 加工设备所用的夹具有充分的了解。 根据表三我们能够得出我们在选择夹具时只能够选择四爪卡盘或者是v 形 块，当不能够单独完成加紧任务时，我们还可以引进压块或压板和一些组合夹具 来完成我们所需要的工作。 片蜘 同：! 翻蜡 4 2 5 新方案的提出 根据上面的论述，我们在 此设计了压缩机外壁的切割 方案，对压缩机进行切割，压 缩机做圆周方向的旋转，铣刀 高速旋转和切削进给，来满足 厚壁型压缩机切割的要求。 根据旋切方案，我们可以 初步的规划一下压缩机外壁 切割设备在切割部分的机构 图4 _ 5 切割部分方案示意图 示意图( 图4 5 ) 。在此机构图中，我们不考虑设备基座的部分，仅考虑在切割的 时候所需要的一些必备的部分