工程硕士专业学位论文-数控旋锻机床主体结构设计及锻压—硕士论文.doc

学号：0841106003 密级： 无 . 工程硕士专业学位论文数控旋锻机床主体结构设计及锻压受力研究刘 祥学校指导教师 副教授 河海大学能源与电气学院 .基地指导教师 .申请学位级别 专业硕士 工程领域 控 制 工 程 .论文提交日期： 2012年 5 月 10日 论文答辩日期：2012年 6 月 2 日.学位授予单位和日期： 河 海 大 学 2012年 6 月 20 日 .答辩委员会主席： 论文评阅人： . 2012年 6 月 中 国 南 京密级： 无 论文作者姓名 学号 单位 河 海 大 学 . 论文中文题名 数控旋锻机床主体结构设计及锻压受力研究 .论文中文副题名 无 .论文英文题名 CNC Swaging Machine main structure and forging stress design and research .论文英文副题名 None .论文语种汉论文摘要语种 汉、英 论文页数 66 论文字数 3.7（万）论文主题词数控旋锻机床、机床结构设计、三维造型、ANSYS、模具修整. .申请学位级别 专业硕士 专 业 名 称 控制工程 研究方向 数控技术 .学校指导教师 教授 导师单位： 河海大学 能源与电气学院 基地指导教师 教授 导师单位： 重庆科创职业学院 论文答辩日期 2012 年 6 月 2 日 CNC Swaging Machine main structure and forging stress design and research Dissertation Submitted toHohai UniversityIn fulfillment of the RequirementFor the Degree ofMaster of EngineeringbyLiu Xiang(College of Energy and Electric)Dissertation Supervisors: Associate Professor Lv Guo FangJune, 2012 Nanjing, P.R.China学位论文独创性声明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者(签名)： 年 月 日学位论文使用授权说明：河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊(光盘版)电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布(包括刊登)授权河海大学研究生院办理。 论文作者(签名)： 年 月 日摘 要机床是将金属毛坯件加工成机械零件的机器,是制造机器的机器,机床工业的发展水平正反映了一个国家的工业化进程水平。而特种数控机床作为具有先进制造技术的基础制造装备,已被广泛应用于航天、航空、能源、交通等各个领域,其加工精度、加工效率和加工能力的高低直接影响着一个国家国民经济和国防建设的发展。论文研究对象是一种德国进口并可进行旋转锻压加工的多功能特种数控机床，目前国内并无此种设备的研制和生产。本论文正是对此种机床的结构进行分析并进行主体机床结构的仿制和设计。研究中应用先进设计手段辅助机床结构设计，利用Pro/E软件进行机床三维布局及造型设计，机床的设计效率和设计过程可视化程度都得到较大提高。论文研究除完成了数控旋锻机床结构的主体设计，论文中还运用ANSYS有限元分析软件,对机床使用的模具进行动态受力分析。论文还对数控旋锻机床的模具和主要附件的制造和修整做了较详细的介绍，对数控旋锻机床的检修和保养方法也做了说明。希望在借鉴和学习国外先进机床制造技术的情况下，能对国内特种机床的发展和进步提供一些资料和参考。关键词： 数控旋锻机床 机床结构设计 三维造型 ANSYS 模具修整 AbstractThe machine tools are used to manufacture all machineries, the level of machine tools industry reflects one countrys process of industrialization. CNC machine tools with advanced manufacturing technology as the basic manufacturing equipment has been widely used in aerospace, aviation, energy, transportation and other fields. Its processing accuracy, efficiency and capability have a deep influence in the development of national economy and national defense construction. The research object of this paper is CNC Swaging machine tools with multi-Function systems of Germany.Currently no manufacturers for such equipment production,Therefore, analysis is made on its structure and overall structure of the machine tool and the design of the imitation.With the help of three-dimensional modeling and shape design by use of the software Pro/E, the elementary shape of machine is defined. This method make the design process visible and increase the design efficiency.The general construction design of CNC Swaging Machine is completed in the thesis. Using finite element analysis software of ANSYS,we analyzed the dynamic character of Main structural member.Research on CNC Swaging Machine tool mould and the main annex the manufacture and repair are introduced.On the numerical control rotary forging machine tool fault diagnosis and maintenance methods are also presented.In the hope of learning and learning foreign advanced machine manufacturing technology condition,To our country machine tool industry development and progress and make some contribution. Key Words: CNC Swaging Machine, Design of machine tool structure, Three-dimensional modeling, ANSYS, man-machine interface 目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪论11. 1 锻压机床的发展和种类11. 1. 1 板材加工机床11. 1. 2 大重型锻造机床21. 1. 3 特种锻造机床31. 2 数控旋锻机床的产生和发展41. 2. 1 数控旋锻机床的发展基础41. 2. 2 数控旋锻机床的发展沿革41. 2. 3 数控旋锻机床的快速发展51. 3 数控旋锻机床使用领域61. 3. 1 数控旋锻机床在各领域的应用61. 3. 2 数控旋锻机床主要使用领域61. 3. 3 数控旋锻机床在本文中的应用71. 4 本课题研究的背景和目的81. 4. 1 各国数控机床发展现状81. 4. 2 国内外数控旋锻机床发展现状91. 4. 3 本课题研究的主要内容101. 4. 4 本课题研究的意义11第二章 数控旋锻机床结构、模具和附件122. 1 数控旋锻机床结构122. 1. 1 数控旋锻机床主送料器122. 1. 2 数控旋锻机床气动传输系统132. 1. 3 数控旋锻机床锻压系统142. 1. 4 数控旋锻机床夹紧机构142. 1. 5 数控旋锻机床锁紧机构152. 1. 6 数控旋锻机床冷却油供应系统152. 1. 7 数控旋锻机床液压油供应系统162. 1. 8 数控旋锻机床控制系统172. 2 数控旋锻机床专用模具和芯棒172. 2. 1 数控旋锻机床专用模具172. 2. 2 数控旋锻机床专用芯棒192. 3 数控旋锻机床的其它附件202. 3. 1 数控旋锻机床的刹铁202. 3. 2 数控旋锻机床的顶套和夹钳21第三章 数控旋锻机床性能和要求233. 1 数控旋锻机床性能233. 1. 1 数控旋锻机床的加工特点233. 1. 2 数控旋锻机床加工的优点233. 1. 3 数控旋锻机床加工的缺点243. 1. 4 数控旋锻机床加工的精度243. 1. 5 影响产品精度的因素253. 2 旋锻加工与传统加工方式的比较253. 2. 1 汽车管柱零件传统加工方式253. 2. 2 旋锻加工相对传统加工的优势263. 3 旋锻加工时对毛坯件的要求273. 3. 1 尺寸精度误差的要求273. 3. 2 表面粗糙度及形状误差的要求273. 3. 3 材料硬度的要求283. 4 数控旋锻机床主要加工类型及工艺步骤283. 4. 1 数控旋锻机床渐进法加工283. 4. 2 数控旋锻机床凹进法加工293. 4. 3 数控旋锻机床凹进转渐进法加工30第四章 数控旋锻机床工作原理及结构设计324. 1 数控旋锻机床主体结构324. 1. 1 数控旋锻机床主体结构设计324. 1. 2 数控旋锻机床主体结构原理334. 2 数控旋锻机床锻压机构364. 2. 1 数控旋锻机床锻压机构设计364. 2. 2 数控旋锻机床锻压机构原理384. 3 数控旋锻机床主送料器41第五章 数控旋锻机床传动系统分析与计算435. 1 主体结构的传动分析435. 1. 1 主体结构的传动要求435. 1. 2 传动形式的选择435. 1. 3 带型的选择445. 2 主轴的设计445. 2. 1 主轴结构设计的基本要求445. 2. 2 主轴设计的步骤455. 2. 3 主轴材料的选择455. 2. 4 主轴支承部件的选择455. 2. 5 夹紧机构的设计465. 3 主轴的计算校核475. 3. 1 主轴直径选择475. 3. 2 轴承跨距和悬伸量选择485. 3. 3 计算主轴前后轴承刚度485. 4 锻压机构设计与分析505. 4. 1 锻压机构的设计505. 4. 2 刹铁和模具的设计525. 4. 3 锻压机构离心力计算53第六章 模具锻压管件受力分析556. 1 软件简介及分析流程556. 1. 1 ANSYS/LS-DYNA软件简介556. 1. 2 建模分析流程566. 2 有限元模拟的试件566. 3 有限元模拟中的计算576. 4 有限元模型的建立与参数设置576. 4. 1 分析环境设置586. 4. 2 定义单元类型及实参数586. 4. 3 定义材料模型586. 4. 4 建立几何模型596. 4. 5 网格的划分606. 4. 6 对模型进行加载616. 4. 7 分析选项设置与递交求解636. 5 建模中涉及的问题646. 5. 1 材料模型选择646. 5. 2 接触问题646. 6 模拟结果分析646. 7 吸能情况分析666. 7. 1 模拟变形结果666. 7. 2 模具能量吸收计算67第七章 数控旋锻机床传动系统分析与计算错误！未定义书签。7. 1 主体结构的传动分析错误！未定义书签。27. 1. 1 主体结构的传动要求错误！未定义书签。7. 1. 2 传动形式的选择错误！未定义书签。7. 1. 3 带型的选择错误！未定义书签。7. 2 主轴的设计错误！未定义书签。7. 2. 1 主轴结构设计的基本要求错误！未定义书签。7. 2. 2 主轴设计的步骤错误！未定义书签。7. 2. 3 主轴材料的选择错误！未定义书签。7. 2. 4 主轴支承部件的选择错误！未定义书签。7. 2. 5 夹紧机构的设计错误！未定义书签。7. 3 主轴的计算校核467. 3. 1 主轴直径选择467. 3. 2 轴承跨距和悬伸量选择467. 3. 3 计算主轴前后轴承刚度477. 4 锻压机构设计与分析497. 3. 1 锻压机构的设计497. 3. 2 刹铁和模具的设计错误！未定义书签。7. 3. 3 锻压机构离心力计算错误！未定义书签。第八章 总结与展望68参考文献错误！未定义书签。致 谢错误！未定义书签。VII第一章 绪论第一章 绪论1.1 锻压机床的发展和种类现代机床设备的分类方法很多，按零件在加工中材料的去除方式可以分为：金属切削机床，铸造机床，锻造机床，焊接机床，特种加工机床等。其中锻压机床在整个机床设备种类中占有重要且不可替代的作用。1锻压机床是工业基础装备的重要组成部分之一，在航空航天、汽车制造、交通运输、冶金化工等重要工业部门都得到广泛的应用。一个国家锻压机床的技术水平和拥有量可以看作是其工业发达水平的重要标志。迄今为止，我国锻压机床经半个多世纪的发展，已经从只能生产单机(各种普通、专用压力机、液压机、锤)发展到能够生产装备机械化、半自动化和自动化锻压生产线，大重型锻压机和具有各种特殊功能的先进特种锻压机床。经过几十年的发展，我国锻压机床行业在引进国际先进技术和建立合资生产基地的基础上，极大提高了锻压机床的设计能力和制造水平。近年来，随着我国汽车行业的迅猛发展，大大刺激了锻压设备的生产和技术改进。尤其是新型的锻压装备的引进和研制，大大提高通用产品的性能、质量和可靠性，国产大型精密高效的成套设备、自动化生产线等高新技术设备的投产使用，使我国的机电产品可以与国外公司竞争。2到目前为止，我国生产的锻压机床主要产品有一千多种，主要生产企业一百多家，年产量6.7万台套，年产值66亿元，年销售额62亿元，年出口近2.4亿美元。主要的锻压机床设备有以下几类。1.1.1 板材加工机床(1)重型机械压力机及覆盖件生产线、大型多工位压力机重型机械压力机、覆盖件生产线和大型多工位压力机主要运用于汽车、航空航天、电子和家用电器等产品的金属板壳零件，特别是汽车的车体个性化和覆盖件大型一体化制造中的应用最多。(2)数控板冲、剪、折机床及柔性加工生产线我国的数控冲(剪、折)机床始于八十年代，现已经发展到四轴控制、辅助功能增多、模位数增大并带两个自转模位，进一步发展为液压驱动四、五轴控制，现已出现网络式数控转塔冲床。(3)板材无模多点成形压力机多点成形是将柔性成形技术和计算机技术结合为一体的先进技术。它利用多点成形装备的柔性与数字化制造特点，无需换模就可完成板材不同曲面的成形，可实现无模、快速、低成本生产。目前已在高速列车流线型车头制作、船舶外板成形等领域，得到广泛应用。(4)高速压力机随着电子工业的发展，小型电子零件的需求日趋高涨，促进了高精度、高效率的高速压力机的发展。我国金丰、江苏扬锻、高将精机、江苏扬力、徐锻和西安通力都有高速压力机产品。这些压力机广泛应用于电子和微电子行业，全面提高了行业技术装备水平，替代了大量的进口机床。(5)其他板材加工机除上述多种多类的先进板材加工设备外，目前大量使用的普通设备还有通用中小规格的油压机、通用曲柄压力机、卷板机、剪板机等。1.1.2 大重型锻造机床(1)水压机水压机主要用于模锻和自由锻。模锻主要用于重型曲轴、重型汽车前梁、火车车轴等，自由锻主要用于电站汽轮机主轴、大型船用柴油机主轴及军工产品等。(2)模锻曲柄压力机这类设备在工业发达国家是模锻的主力，我国仅占14.5%，主要用于重型汽车曲轴、前梁等锻件的生产。当前国内制造的最大吨位热模锻压力机为KT-12500型楔式模锻压力机，公称力125MN，滑块行程500mm，最大封闭高度1800m。(3)大吨位螺旋压力机螺旋压力机的品种在世界上已拥有液压螺旋压力机、电动螺旋压力机、离合器式螺旋压力机，新近又出现了交流伺服驱动电动螺旋压力机、楔型电动螺旋压力机、多击式电动螺旋压力机等。(4)大型弯曲校正机床包括大型卷板机、船用闭式卷板机、板料校平机、型材弯曲机等。这类设备广泛用于石油化工、船舶制造、锅炉等行业。目前国内制造此类设备较著名的公司是长治锻压机床集团公司，较著名的产品有亚洲最大冷热卷板机、世界第一大板材校平机等。1.1.3 特种锻造机床(1)特种轧制机床辊锻及辊锻机。辊锻工艺主要用于复杂模锻件的制坯和成形，诸如发动机连杆、汽车前轴及汽轮机叶片等等。目前国产的辊锻机有两大类：一类是悬臂式辊锻机，第二类是带上下料机械手的自动辊锻机组。楔横轧机。与传统锻造工艺比优点是：生产率高、材料利用率高、综合力学性能高、模具寿命长、成本低。目前已可以直接生产精密阶梯轴和复杂锻件的精确预制坯类零件。数控辗环机。采用环形轧制，可大幅降低设备吨位和投资、振动冲击、制件成本等。这一工艺已大量应用在轴承环、齿轮环、法兰环、火车轮及轮箍、汽轮机环等的加工中。(2)摆动辗压及摆动辗压机摆动辗压是60年代才发展起来的连续局部塑性成形工艺，适合加工各种盘型件、环型件、半轴型件、带齿形的各类齿轮零件。摆动辗压机是进行摆动辗压的专用设备，国内有60余台，在世界上拥有量是最多的。这些机器不仅能热辗大锻件，冷辗高精度件，还可进行粉末摆辗，精密铆接、复合材料加工等。(3)冷挤压及冷挤压机冷挤压是一种应用广泛的特种塑性加工工艺，它的特点是高精、高效、优质低耗，适用于中小型锻件的规模化生产。与常规模锻比较，节省材料30%50%，节能40%80%，并能提高锻件质量，改善作业环境。国产冷挤压机发展很快，规格品种齐全，目前，已出现多工位冷挤压机和液压驱动冷挤压机。(4)数控弯管机在大型船舶建造和石油化工企业中，将大量使用各类大型立体弯管；在汽车、航空航天、机床制造和家电业所使用的中小尺寸弯管也非常多。我国长治锻压机床集团公司、江阴机械制造有限公司、张家港和丰机械制造有限公司等都有弯管机产品，而大型数控弯管机的制造当数长治锻压机床有限公司。(5)其他特种锻压机除上述用途比较广泛的机种外，还有许多专用塑性加工设备，诸如旋压机、径向锻机、镦锻机、电热镦机、型材卷弯机、冷闭塞锻造压力机等。1.2 数控旋锻机床的产生和发展1.2.1 数控旋锻机床的发展基础旋锻机床是在锻压机床的基础上产生和发展起来的。3锻压机床是金属和机械冷加工用的设备，他不仅改变金属的外部形状，还对金属材料起到分割、剪裁的作用。锻压机床虽然发展时间较长，发展门类很多，包括卷板机，剪板机，冲床，压力机，液压机，油压机，折弯机等等，但是数控旋转锻压机床也只是近几十年产生的新式专业锻压设备。随着现代专用锻压机床如辊锻式锻压机床、机械压力式锻压机床、挤压式锻压机床、螺旋式锻压机床的依次产生，尤其是数控技术和检测技术的迅速发展，数控旋转锻压机床也随之应运而生。1.2.2 数控旋锻机床的发展沿革(1)辊锻式锻压机床金属坯料在两个相对旋转的扇形模中通过而产生塑性变形形成工件的锻造方法。它是成形轧制(纵轧)的一种特殊形式。辊锻可用于生产连杆、麻花钻头、扳手、道钉、锄、镐和透平叶片。(2)机械压力式锻压机床机械压力锻压机床通过曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转换为滑块的直线往复运动，对坯料进行成形加工的锻压机械。机械压力机动作平稳，工作可靠，广泛用于冲压、挤压、模锻和粉末冶金等工艺。(3)挤压式锻压机床挤压式锻压机床分热挤压机床和冷挤压锻压机床。热挤压机床可以生产特殊的管材和型材，也用于碳钢和合金钢零件，如杆件、炮筒、容器等；冷挤压锻压机床用于生产铅、锌、锡、铝、铜等的管材、型材，以及牙膏软管、干电池壳、弹壳等制件。(4)螺旋式锻压机床螺旋式锻压机床用螺杆、螺母作为传动机构，并靠螺旋传动将飞轮的正反向回转运动转变为滑块的上下往复运动的锻压机械。螺旋压力机通常由电动机通过摩擦盘带动飞轮轮缘而使飞轮旋转，所以这种压力机又称摩擦压力机，中国最大的摩擦压力机为25兆牛。(5)旋转锻压式机床旋转锻压机床是通过主轴的快速旋转，带动模具锻打金属管件，使材料由微变形而达到较大变形的锻压加工设备。旋锻机可根据不同的要求加工不同口径的产品，这取决于材料，工件尺寸和所需的成形模具。1.2.3 数控旋锻机床的快速发展锻压技术虽然发展成熟，但是旋转锻压技术这种管件加工形式也只是近一、二十年才逐渐出现。随着汽车工业的发展，这种锻压管件的设备才开始研制，随着汽车用管柱零件的大量使用，这种锻压管件的设备被迅速应用和不断改进。数控旋锻设备的发展经历了手动操作旋锻机、半自动操作旋锻机、全自动操作旋锻机几个阶段。旋锻加工精度经历了普通精度旋锻、精密精度旋锻和高精度精度旋锻。旋锻机的型号也发展出了中型旋锻机床(旋锻中等型号管件)、大型旋锻机床(旋锻大型号管件)和特大型旋锻机床(旋锻特大型号管件)。现在，数控旋锻设备的控制方式已经从最初的开环进给伺服系统发展到全闭环进给伺服系统，使得机床的加工精度大幅度提高。4这种进给控制系统带有位置检测元件，随时可以检测出工作台的实际位移并反馈给数控装置，与设定的指令值进行比较，利用其差值控制伺服电动机，直至差值为零为止。但同时这种控制方式也表现出系统复杂，调试维修较困难，价格较贵等缺点。1.3 数控旋锻机床使用领域1.3.1 数控旋锻机床在各领域的应用数控旋锻机是一种通过快速旋转锻打，由微变形而达到较大变形的锻压加工设备。旋锻机可根据不同的要求加工不同口径的产品，这取决于材料，工件尺寸和所需的成形模具。数控旋锻机广泛应用于很多领域，根据不同领域的加工需要和工艺要求不同，应用在各领域的旋锻机床在型号和功能上是有很大差别的。数控旋锻机床的主要应用还是在汽车零部件、医疗器械零件、金属管件制品和粉末冶金棒料四个方面。1.3.2 数控旋锻机床主要使用领域(1)汽车零部件领域汽车传动轴汽车传动轴能在不同轴心的两轴间传递动力，连接或装配各项配件而可移动或转动的圆形物体配件，一般均使用轻而抗扭性佳的合金钢管制成。数控旋锻机床主要对传动轴的连接杆的外形及其花键进行加工。汽车转向管柱汽车转向总成上接方向盘，下接转向机，起着承上启下的作用，在正常使用中承担着把方向盘传来的转矩传到转向机的任务。汽车转向管柱是转向总成内的重要传动零件。数控旋锻机床主要加工转向管柱零件的外形及花键。(2)医疗器械零件由于医疗器械上的零件表面精度要求较高，所以一般只在精密机床上进行加工。数控旋锻机床主要对医疗器械零件的外形及其内腔进行加工，加工效率较高，加工精度较好。(3)金属管件制品金属管件制品一般具有复杂的外轮廓和内腔，使用传统的加工方式效率较低，采用数控旋锻机床可以对其外形及其内腔进行加工，而且能达到较高的加工效率和较好的加工精度。(4)粉末冶金棒料粉末冶金材料一般具有较高的硬度，采用一般切削方式很难加工。数控旋锻机床具有较大的加工压力，可以对粉末冶金材料进行加工，而且加工效率很高。1.3.3 数控旋锻机床在本文中的应用本文中只介绍数控旋锻机在汽车转向管柱零件加工中的应用。汽车转向管柱是汽车转向机构中的重要零件，它上接方向盘，下接转向机，起着承上启下的作用，承担着把方向盘的转矩传到转向机的任务。数控旋锻机床主要对转向管柱的传动心轴的外形及其内花键进行加工。10这些零件的表面和内孔花键都是经过旋转锻压而成，主要加工方式有锻压阶梯、锻压环槽、锻压平面和锻压内花键等。(1)数控旋锻机加工的一汽产品图1-1 一汽乘用车管柱零件（标示出的为加工部位）图1-2 一汽海马汽车管柱零件1（标示出的为加工部位）图1-3 一汽海马汽车管柱零件2（标示出的为加工部位）(2)数控旋锻机加工的上汽产品图1-4 上汽乘用车管柱零件1（标示出的为加工部位）图1-5 上汽乘用车管柱零件2（标示出的为加工部位）(3)数控旋锻机加工的其它厂家产品图1-6 东汽标致汽车管柱零件（标示出的为加工部位） 图1-7 奔驰乘用车管柱零件（标示出的为加工部位）1.4 本课题研究的背景和目的1.4.1 各国数控机床发展现状5现在数控机床已经在世界各国的制造工厂中广泛使用，但在数控机床的科研、设计、制造和使用上技术比较成熟、先进而且经验较多的国家并不多，主要是美国、德国、日本和欧洲以及亚洲少数一些国家和地区。(1)美国的数控机床发展 美国生产机床比英国要晚50年，但在制造技术方面很快就超过了英国，跃居世界首位。于1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。从此美国机床工业迅猛发展，在机床技术先进性、产量、生产规模上，长期居世界前列。(2)德国的数控机床发展 于1956年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用，所以出口遍及世界各地，尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。(3)日本的数控机床发展 日本政府对机床工业之发展异常重视，在人才培养及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国。自1958年研制出第一台数控机床后，1978年机床产量超过美国，至今产量、出口量一直居世界首位。上世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。(4)我国数控机床发展我国的机床制造业起步较晚。新中国建立初期，通过引进前苏联的技术和图纸，从最初的一些手动型普通机床的制造，逐渐发展成强大而齐全的机床工业体系。近年来随着中国的经济快速发展，很多机床厂商纷纷来大陆设厂。目前，国家已制定出一些政策，鼓励国民使用国产数控机床，各厂家也在努力追赶世界先进水平。目前我国机床企业只能满足中低档产品的订货需求。随着经济的发展，在不久的将来，我国的机床工业很快可以达到世界先进水平。1.4.2 国内外数控旋锻机床发展现状6目前中国锻压设备的发展速度严重滞后，出现投资大、产出低、很多设备引进时就已落后等问题。随着中国汽车工业快速发展，国产锻造设备存在严重不足，尤其是有自主知识产权的锻压设备多处于低端水平。目前我国低端锻件产能过剩，而高端产品市场被外国霸占，造成这种局面的原因主要是我国生产设备不能满足精密成型的要求，其次是锻造技术水平不高。当前我国锻件制造业生产水平低，其中原因既有关键设备性能差、机械化水平低、配套设备不齐全等问题，还存在管理落后、研发能力弱等问题。就目前情况，我国除没有安装用于加工空心件的高压涨形机等特殊锻造设备外，几乎安装所有类型锻造设备，只是数量不一。但在众多的锻造设备中，大部分先进高效锻造设备都不是我国制造的。旋转锻造是精密锻造成型的方法之一，旋转锻造技术的应用己有几十年，现已发展成一种较先进的生产工艺，并在发达国家的制造领域广泛应用。该技术在我国五金、汽车及机械制造行业有特大的市场，尤其在汽车制造行业具有无可比拟的优越性，能为汽车零部件的生产增添新的活力。旋转锻压技术虽然发展较早，但这项技术在我国也只是近二三十年才开始受到重视，目前应用的水平仍然较低，也达不到现在高精度、高效率的生产要求。6我国旋转锻造技术应用水平较低，缺乏先进、高效的精密旋锻设备，使我国在汽车零部件制造方面长期落后于发达国家。然而我国的精密旋锻设备的研制进程十分缓慢，至今只仿制了2台中型精密旋锻机。一台是由大连钢厂制造的390t精密旋锻机，另一台由大连特工锻压技术公司制造的400t精密旋锻机，投产后已使用一年。国内大多数精密旋锻机现在还都只能依靠进口。在国外，奥地利GF公司是世界知名的旋锻机生产公司，可生产3种类型的旋锻设备，分别是1)机械传动的SM型(2)液压传动的PX型 (3)连续式SO型，吨位从80到2600t不等。此外挪威的MIRumuco公司也能生产精密旋锻机，以液压传动为主。而数控精密旋锻设备在国际上只有德国、日本等少数国家可以制造。因此数控精密旋锻机在国际上还没有普遍采用。在我国，这项技术还处在初步研究阶段，发展速度较慢，研发费用非常昂贵。在德国，此种旋锻机床从最初的手动操作方式，发展到半自动操作方式，到现在的全自动化生产方式已经发展了不下十几年，很多技术和结构已经非常成熟。而且德国出售给中国的旋锻机床也是德国准备更新换代而淘汰下来的设备，而这种设备在中国还没有一家机床厂家能够研制出来。可见在冶金、汽车、造船和重型机器制造等工业部门所需的特种数控机床，国内外的差距还是非常大的。1.4.3 本课题研究的主要内容(1)数控旋锻机主体结构设计数控旋锻机主体结构的设计主要包括：主体结构立体图、主体结构各部件名称介绍、主体结构各部件功能介绍等。(2)数控旋锻机锻压机构设计数控旋锻机锻压机构设计主要包括：锻压机构立体图、锻压机构各部件名称介绍、锻压机构各部件功能介绍等。(3)数控旋锻机主送料器机构设计数控旋锻机主送料器机构设计主要包括：主送料器机构立体图、主送料器机构各部件名称介绍、主送料器机构各部件功能介绍等。(4)主体结构传统系统分析计算主体结构传统系统分析计算主要包括：主轴直径跨距选择与校核、主轴刚度计算与校核、刹铁的计算、旋锻模离心力计算等。(5)对锻压机构进行有限元分析对锻压机构进行有限元分析主要包括：模型分析、模型简化、绘制结构实体、结构网格细化、分析求解等。1.4.4 本课题研究的意义(1)通过分析此种数控旋锻机床的内部结构，绘制内部传动结构图。对一些已经了解的内部结构和传动机构绘制其内部结构图，并做必要的分析理论计算；对一些不可拆卸部分和不了解的内部结构做内部结构原理的构思，并绘制设计图。(2)通过分析此种数控旋锻机床的加工方式和工艺方式，分析其加工原理和工艺步骤。可以对一些已经在使用此类机床设备的生产部门提供加工不同零件的加工思路和调试方法。(3)通过介绍此种数控旋锻机床的模具、顶套及其它一下附件的调试、修整方法，可以对一些已经在使用此类机床设备的生产部门提供一下参考资料，以方便其维护保养机床，以及如何提高模具、顶套的易耗件的寿命和提高零件加工精度。(4)通过全面介绍此种数控旋锻机床的控制方式、加工方式和调试维护方法，向广大机械制造部门介绍这种旋转锻压机床设备，尤其是在汽车管柱零件加工以外的其它加工领域，使用此种机床的还很少。(5)通过介绍此种数控旋锻机床外形、结构、原理，不仅广大机械制造部门介绍这种新式的锻压技术，也为我国数控旋锻机床的研制提供一些参考资料。11第二章 数控旋锻机床结构、模具和附件第二章 数控旋锻机床结构、模具和附件2.1 数控旋锻机床结构10数控旋锻机床结构比较复杂，主要由以下部分组成：1.电气柜 2.旋转主轴及上下电机 3.夹紧机构 4.锁紧机构 5.主送料器 6.气动传送夹钳及控制系统 7.液压油箱及控制系统 8.冷却油供应系统 9.机床导轨及底座。数控旋锻机床的每一部分都有其复杂的结构及控制系统，都可以作为一个独立单元进行研究。每一部分都有其独立的控制系统，是一个结合了多领域最新技术的特种机械加工设备。图2-1为数控旋锻机床的整体图，可以通过此图对机床的整体布局和各部分的位置有一个整体了解。主体结构上电机气动夹钳控制系统主送料器下电机图2-1 数控旋锻机床整体图2.1.1 数控旋锻机床主送料器图2-2为数控旋锻机床的主送料器，其主要功能为：主送料器接收气动传送夹钳送来的毛坯管件，并夹持毛坯管件将其送入旋转主轴内，旋转主轴内部装有四块锻压模具，模具在主轴的旋转带动下不断开合对毛坯零件进行加工。加工完成后主送料器将毛坯取出，并交由气动传送夹钳送走。锻压过程中主送料器前端夹钳始终处于夹紧状态，起到对毛坯管件固定的作用。前部夹钳尾部液压缸底部导轨滑槽中部箱体图2-2 主送料器2.1.2 数控旋锻机床气动传输系统图2-3为数控旋锻机床的气动传输系统。气动传输系统固定在一个方形立柱上，由气压控制阀、气压导轨和两个小夹钳组成。其主要功能是将V形块上的毛坯管件传送到主送料器上并取回成品。气压滑轨气动夹钳气压控制系统图2-3 气动传输系统气动传输系统的执行机构是气动传送夹钳，此夹钳是气动传输系统的一部分。夹钳上可安装不同的V形块，以适应不同直径的管件的需要。其具体工作流程为：其中一个夹钳自动将操作员放置在V形块上的毛坯料夹持，送入主送料器夹钳内，同时另一个夹钳将主送料器加工完成的成品零件夹出并放回V形块上。此传送系统可以实现循环操作，自动化程度很高。2.1.3 数控旋锻机床锻压系统图2-4为数控旋锻机床的锻压系统，是数控旋锻机床的核心部分。此部分的作用是对金属管件锻压成型并保证其精度要求。锻压部分主要由旋转主轴及其内部模具、主轴壳体、上电机、下电机、夹紧机构和锁紧机构组成。下电机夹紧机构上电机主轴（内部）模具（内部）主轴盖图2-4 锻压系统2.1.4 数控旋锻机床夹紧机构图2-5为数控旋锻机床锻压系统中的夹紧机构，此机构通过液压控制。此机构的作用是通过液压能将一花键轴推入旋转的主轴内部，再推动四块带有斜角的刹铁向前运动，刹铁向前进而挤压模具，将四块模具收紧，金属管件随之锻压成型。夹紧机构要求的液压能量巨大，因此其固定杆也显得比较笨重。图2-5 夹紧机构2.1.5 数控旋锻机床锁紧机构图2-6为数控旋锻机床锻压系统中的锁紧机构，此机构一共有两个，均是通过机械结构控制。因主轴的内圈和外圈均可以旋转，但加工时一般只让一个圈旋转，所以使用此机构将另一个圈牢固地锁住，防止其转动。两个锁紧机构一个在夹紧机构的上方，负责锁紧主轴内圈，主轴内圈不动模具也不转动，可用来加工方形外表面；另一个在主轴盖正下方，负责锁紧主轴外圈，主轴外圈不动内圈可带动模具旋转，可用来加工圆形外表面和内花键。锁紧机构传感器图2-6 锁紧机构2.1.6 数控旋锻机床冷却油供应系统图2-7为数控旋锻机床的冷却油供应系统，此系统包括冷却油箱、过滤油桶、泵油电机和输油管件组成。其功能主要是负责冷却油液的回收、过滤和重新往加工部位喷油。其中冷却油箱带有传感装置，可检测冷却油的存量。过滤油桶内部采用高强度纤维过滤网袋，需定期取出清洗。泵油电机冷却油箱过滤油桶图2-7 冷却油供应系统2.1.7 数控旋锻机床液压油供应系统图2-8为数控旋锻机床的液压油箱及控制系统，此系统包括液压油箱、液压控制阀、液压油泵和输油管件组成。其功能主要是负责高压油的供应与回收，以驱动工作台的运动，主送料器的运动，心轴的运动和夹紧装置的运动。稳压筒液压管件液压泵液压油箱冷却水管图2-8 液压油箱及及附件图2-9为液压控制阀。它的主要功能是：1.控制主送料器进给 2.控制主送料器头部夹钳开合 3.控制主送料器内部芯棒进给 4.控制夹紧机构运动 5.特殊加工方式中辅助内部管件退出。其上主要有换向阀，调速阀，以及传感器接口等。调速阀换向阀传感接口图2-9 液压控制阀2.1.8 数控旋锻机床控制系统图2-10和图2-11为数控旋锻机床的电气柜及内部装置，此系统包括电气柜、显示屏及操作面板、内部控制装置等。其功能主要是负责机床的整体运动控制，加工程序及参数编制，各运动部件的监控和出错报警。 图2-10 电气柜显示屏及面板 图2-11 电气柜内部装置2.2 数控旋锻机床专用模具和芯棒2.2.1 数控旋锻机床专用模具数控旋锻机床的专用模具是由四块形状完全相同的模具组成，使用时将四块模具拼成一个完整的方块形，在整体模具的中心会形成一个完整的圆形内腔，可以用来对金属管件进行锻压加工。数控旋锻机床的模具都是采用高硬度的模具钢做成，模具的圆形内腔采用电火花加工而成，模具的两个侧面则是采用线切割加工而成。使用时将四块模具依次放入旋转主轴内，模具前端面上有孔，可以将卡簧插入模具和主轴的孔内，将模具和主轴相连接。模具装好后再装上压板和主轴盖，即可进行旋锻加工。(1) 上汽零件加工模具1图2-12是一种上汽专用汽车转向管柱零件的第一道工序的加工模具。此零件的第一道工序是在毛坯管件的基础上进行缩管加工，将零件头部按要求缩小到规定尺寸。图2-13是此模具加工后的零件。图2-12 上汽专用零件模具1图2-13 此模具加工后的零件（标示出的为加工部位）(2) 上汽零件加工模具2图2-14是上汽另一种汽车转向管柱零件的加工模具。此零件的本道工序是在上一次旋锻加工的基础上进行锻压凹槽和保证中部缩管长度的保长加工。将零件按要求缩小到规定尺寸。图2-15是此模具加工后的零件。图2-14 上汽专用零件模具2图2-15 此模具加工后的零件（标示出的为加工部位）(3) 一汽零件加工模具图2-16是一汽专用汽车转向管柱零件的加工模具。此零件的头部加工较为复杂，需要加工四个不同直径的阶梯和两个环形槽，所以对模具的制造精度要求很高。虽然如此，在模具制造较好的情况下还是可以保证一次成型的，但当模具使用过久产生磨损之后形状就很难保证了，需要二次加工或对模具进行修整。图2-17是此模具加工后的零件。图2-16 一汽专用零件模具图2-17 此模具加工后的零件2.2.2 数控旋锻机床专用芯棒汽车转向管柱零件由于使用范围不同，其结构也不完全相同。有一部分汽车管柱零件内孔中需要锻压出花键形状，就需要使用花键芯棒来进行加工。使用芯棒加工时，芯棒要插入管件的内部，使用模具锻压管