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板材
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板材送进夹钳装置设计,板材,送进,夹钳,装置,设计
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黑龙江科技学院 毕业设计（论文）任务书 姓名： 鲍 良 波 任务下达日期： 2006 年 03 月 13 日 设计（论文）开始日期： 2006 年 03 月 13 日 设计（论文）完成日期： 2006 年 06 月 20 日 一、 设计（论文）题目： 板材送进夹钳装置 二、专题题目： 超精密加工的发展方向与展望 三、设计的目的和意义 ： 夹钳装置是广泛吸收国内外现有的液压，气压夹钳装置的先进技术基础上，针对板材的型号长、厚、宽分别为 5m 12m， 4 10300500开发研制的。该夹钳夹紧力靠油缸夹紧，伸缩采用 司的锁紧缸。它具有结构可靠，传动平稳，节省材料，动作灵敏等优点。而作为板材送进装置的重要工作机构，对提高劳动生产率具有显著的作用。因此它的研制 有十分重要的意义。 四、设计（论文）主要内容： （ 1）受力分析（ 2）结构设计。 五、设计目标： 提高板材输送过程中的平稳性，使得板材在送进过程中不会来回晃荡，保证生产的正常进行，提高劳动生产率。 六、进度计划： 2006 年 03 月 13 日查阅相关资料 、 准备实习 2006 年 03 月 20 日毕业实习 ； 2006 年 03 月 27 日整理 资料、写实习总结、整理实习日记 ； 2006 年 04 月 17 日英文翻译，确定专题； 2006 年 04 月 24 日 受力分析， 计算相关内容 ； 2006 年 05 月 01 日 开始说明书草稿 ， 绘制草图 ； 2006 年 05 月 15 日 书写说明书，作 ； 2006 年 06 月05 日编制说明书 ； 2006 年 06 月 12 日查找错误 ，修订 2006 年 06 月 20 日检查资料、准备答辩 。 七、参考文献资料： 王隆太 机械工业出版社， 2003， 9；李文双，苏发机械制造工程学 2004， 6；孟少农主编机械加工工艺手册机械工业出版社， 1987， 10；徐文灿电动缸与气缸 J液压与密封元件 2006 年第 2 期： 19光大主编机械工程师手册机械工业出版社， 1987， 12；张柱银液压油的污染及其控制 J机床与液压 2004 年第 2 期： 178焕庭，徐善国机械工程材料大连理工大学出版社， 1998，6 等 20 余本。 指 导 教 师： 院（系）主管领导： 年 月 日 I 摘 要 随着科技的进步，在工业领域所应用的自动化程度越来越高。作为机械行业，肩负着国家制造业的兴衰，也是衡量一个国家综合国力的主要标志。目前，在机械加工生产线上多数采用的是电、气、液相结合的一体化模式。板材送进夹钳是生产线上的重要环节，是连接主机和工作机的桥梁。因此，成功设计该装置具有十分重要的意义，它可以降低劳动成本，提高工作效率，给公司带来丰厚的效益。本论文主要介绍了 设计过程：包括工作原理，结构的组成与分析，典型零件的设计以及加工工艺过程，板材翘曲度的控制。 关键字： 夹钳装置 工作 原理 结构分析 加工工艺 翘曲度 of in of As a or to a s of is is of is an of is of it to of 录 摘要 第 1 章 绪 论 1 第 2 章 夹钳装置的概述 4 钳装置的简介 4 钳装置的工作原理 4 钳装置的结构组成及其各部分的功用 5 感器 5 缸 8 紧缸 8 座 9 缸支架 9 钳装置的技术特点 9 计的有关 技术参数 9 第 3 章 缸筒的工艺规程设计 10 筒的功用 10 筒的工艺分析 10 艺规程设计 11 定毛坯的制造形式 11 面的选择 11 定 就加工 工艺 11 第 4 章 板材的受力分析 12 压油的选择 12 钳力的计算 13 材受力分析 13 第 5 章 项目 的技术经济分析 15 006 年的经济预测 15 家宏观调控政策有利于板材送进夹钳装置行业 发展 15 机任务饱满，对板材送进夹钳装置行业的发展有利 15 能影响经济运行 质量的问题 15 燃料、动力、原辅材料价格的上涨，影响企业的效益 15 极引导企业吸引外资 15 色设计 16 色设计产生的背景 16 色产品的定义和特点 16 色设计的主要内容和设计原则 17 第 6 章 超精密加工的发展方向与展望 19 踪世界先进科技的发展，大量掌握和利用信息 19 合、重组思想的运用 20 新是推动超精密加工技术发展的动力 21 意动向，为发展铺平道路 22 机械的制造技术 22 脆材料采用延性方式加工 23 精密计量技术的发展 23 束语 24 结论 25 致谢 26 参考文献 27 附录 1 英文原文 28 附录 2 外文翻译 42 1 第 1 章 绪论 内外的科技现状 国外现状： 随着科学技术的进步， 各国的液压系统取得了快速发展。德国哈雷液压系统 ，噪音及振动小、速度快 ,具有过载自动保护，确保机床的精度和动力需求 ,可实现行程无级调整，方便调节不同板厚时的冲压行程及补偿模具刃磨量，提高效率，无伺服阀，对油品要求不高。省电，液压系统自备高效风冷装置，节约电力消耗，整机日常维护保养简便，定期更换项目少，减轻用户维护成本。 意大利 司生产的液压元件和电液系统是液压和电子理想结合的产品，能实现快速，平稳和精确的控制。日本司生 产的 啮合齿轮泵具有静音，耐高压，抗磨损，寿命长，应用广泛的特点。此外，美国的 司，意大利的 司，日本的 司都在液压元件和液压传动方面取得了成功。 国内现状： 虽然我国的液压系统和液压元件大多数是靠国外进口，但也取得了一定的成就。广州机械科学研究院液压研究所开发的广研系列的比例阀，高性能军用液压阀，核电站用的水介质液压阀以及各类液压缸，液压系统都广泛应用于各行各业，比如宝钢 管热处理线液压系统。德州液压机具厂（集团公司）下设的宙力液压机具有限公司专业生产的超高压液压泵 站，机具，工具油缸等元件处于全国领先地位。宇力液压缸有限公司专业生产系列装载机，推土机，挖掘机，路面机械等工程液压缸，是我国同行业最大规模之一。新宇工程机械有限公司致力于工程机械及配件，液压件的经营，承接维修业务。 1 2 企业体制的改革 通过 几年的调整改革，以及对外开放方针政策的进一步贯彻，液压气动密封行业的资本结构发生了很大的变化。 原国有大中型企业经过改制，减轻债务和历史包袱，企业的生产技术实力进一步得到发挥，在行业中起着重要的骨干作用。例如，上海电气液压气动有限公司，几年来大手笔改革，优化产业结构， 成功开展与国外合资，公司取得了飞速发展，北京 华德液压集团有限公司优化资源配置，克服原国有企业种种弊端，使企业发展更上一层楼，液压阀、液压泵产品产值、产量超过设计纲领；镇江液压件厂有限公司的成功改制，大大提高了职工的积极性，2 使企业的经济效益大幅度上升，近两、三年企业投入技术改造的资金，比前三个五年计划投入的总和还要多，提高了企业的自主开发能力和工艺装备水平，为企业开发国内外市场创造了条件，为中小 型企业改革做出了榜样；长江液压件有限公司的股份制改造，增强了企业的活力，为中型企业的改制提供了经验等。 大批民营企业 一惊人的速度成长发展，如宁国中鼎、温州海特克、温州黎明、丹东克隆、浙江国泰、上海大众等，努力开拓国内外市场，其装备水平 、 管理经验 、 产品质量等快速提升 ，取得了良好的经济效益，显示出了强劲的竞争力，企业的发展步入了良性的循环。 近年来，大量的外资进入液气密行业，世界各大著名公司，如博士 力士乐公司、日本 司、德国 司等纷纷在我国开办独资，合资企业，或做国内的销售代理等业务，他们以高起点、专业化 、 规模生产的方式，为高水平主机和重大装备配套 ，呈现“制造业向中国转移”的态势。因此，形成了国有、民营、三 资企业的销售额基本量三足鼎立之势。 1 3 液压气动密封工业市场行情 在我国加入 后，随着经济全球化的发展，我国的市场经济不断发展和完善，在国家宏观调空的经济大环境中，在机械工业各主机快速发展的带动下，液压气动密封工业连续 5 年实现了持续快速稳定的发展， 取得了显著成绩，于 2004 年提前完成了“十五”规划的预定目标，行业面貌发生了可喜的变化。 根据对液压、液力、气动、密封工业 332 个主要企业截止 2005 年底的统计，液压气动密封工业平均经济效益指数 售利润率 总资产贡献率 资 本保值增值率 资产负债率 流动资产周转率 ，成本费用利用率 劳动生产率 76788 元 /人，产品销售率 市场供求衔接良好。 1 4 板材送进夹钳装置 项目 研究 的 意义 以上这些成绩的取得固然可喜，但我们必须还要看清一些现状， 根据资料显示： 就综合机械化的水平看，总体上 中国目前只能 赶上或达到国际上上世纪九十年代初的水平。 另外， 国产 板材送进夹钳装置 与国外相比 ， 在技术性能方面 ，环境保护、 可靠性方面和监控及保护系统方面 也都 存在不小的差距 。因此，必须提高自主创新能力，加 大科研投入力度，努力达到世界先进3 水平。 夹钳装置是广泛吸收国内外现有的液压，气压夹钳装置的先进技术基础上，针对板材的型号长、厚、宽分别为 5m 12m， 4 10300500开发研制的。 板材的两侧面分别布置 5 个该夹钳装置，并且每个夹钳装置之间的距离是 1000样能够节省大量的材料，对大批量的板材生产具有降低成本的优点。 该夹钳夹紧力靠油缸夹紧，伸缩采用 司的锁紧缸。它具有结构可靠，传动平稳，节省材料，动作灵敏等优点。而作为板材送进装置的重要 辅助 机构，对提高劳动生产率 ，降低工人的劳动力 具有显著的作用。因此它的研制有十分重要的意义。 针对上述现象，对于夹钳装置的研究一直是一个不间断的工作，今后相当长的时间内，我们都要研究它。我设计的是 夹钳装置 ，希望能起到一定的帮助。 4 第 2 章 夹钳装置的概述 钳装置的简介 材夹钳装置是广泛吸收国内外现有的液压，气压夹钳装置的先进技术基础上，针对板材的型号长、厚、宽分别为 5m 12m， 4 1000500开发研制的。 板材的两侧面分别布置 5 个该夹钳 装置，并且每个夹钳装置之间的距离是 1000样能够节省大量的材料，对大批量的板材生产具有降低成本的优点。 该夹钳夹紧力靠油缸夹紧，伸缩采用司的锁紧缸。它具有结构可靠，传动平稳，节省材料，动作灵敏等优点。 钳装置的工作原理 夹钳的作用 是夹住工件的侧面，工件放在辊子上，夹钳夹住工件，拖动工件前行，送到主机进行冲孔加工。一般情况下，采用多个夹钳共同夹住板材，夹钳口伸入到板侧面 20 30可夹住。众多夹钳并排放在平板上，平板下有滑轨，由电机驱动齿轮、齿条，即可驱动平板 在滑轨上运行。夹钳夹紧力靠油缸夹紧 ， 油缸为单作用油缸，即复位采用油缸弹簧 。 夹钳伸缩采用 司的锁紧缸，此缸在行程上可在任意位置停止锁紧活塞，使夹钳不窜动。 该装置的动作过程为：当工件位置放好后，夹钳头在汽缸的推动下伸出；当工件进入夹钳口时，板材侧面接触到感应块时，感应块后退，接近开关得到信号；控制系统收到接近开关的信号， 油缸进油，上钳口下压，压住板材，同时汽缸活塞锁紧不动；夹紧后，夹钳带着工件在齿轮、齿条驱动下前行，送往主机。 然后当主机对板材冲孔加工后，控制系统得到命令 后 ，油缸卸压 ，在油缸弹簧的作用下活 塞杆上升，夹头在复位弹簧的作用下回到初始位置。同时锁紧气缸拉动油缸回到原位置，至此整个动作结束。 工作原理图如图 2 1 所示。 5 图 2 1 1活塞杆 钳装置的结构组成及其各部分的功用 该夹钳装置主要由单作用油缸 、 锁紧缸 、支座、气缸支架、浮动夹钳支架、传感器等零件组成。 2 3 1 传感器 工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出的器件 ，称为传感器。 传感器的作用类似于人的感觉器官。它把被测量，如力、位移、温度等，转换为易测信号，传送给测量系统的信号调理环节。 传感器也可以认为是人类感官的延伸，因为借助传感器可以去探索那些人们无法用感官直接测量的事物，例如，用热电偶可以测得炽热物体的温度；用超声波探测器可以测量海水深度；用红外遥感器可从高空探测地面上的植被和污染情况，等等。因此，可以说传感器是人们认识自然界的有力工具，是测量仪器与被测事物之间的接口。 在工程上也把提供与输入量有给定关系的输出量的器件，称为测量变换器。传感器就是输入量为被测 量的测量变换器。 6 传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。 当今传感器开发中，以下列三方面的发展最引人注目： （ 1）物性型传感器大量涌现 物性型传感器是依靠敏感材料本身的物性随被测量的变化来实现信号的转换的。因此这类传感器的开发实质上是新材料的开发。目前发展最迅速的新材料是半导体、陶瓷、光导纤维、磁性材料，以及所谓的“智能材料”（如形状记忆合金、具有自增殖功能的生物体材料等。）这些材料的开发，不仅使可测量大量增多，使力、热、光、磁、湿度、气体、离子等方面的一些参量的测量成为 现实，也使集成化小型化和高性能传感器的出现成为可能。此外，当前控制材料性能的技术已取得长足的进步。这种技术一旦实现，将会完全改变原有敏感元件设计概念：从根据材料特性来设计敏感元件，转变成按照传感要求来合成所需的材料。 总之，传感器正经历着从以结构型为主向以物性型为主的过程。 （ 2）集成、智能化传感器的开发 微电子学、微细加工技术和集成化工艺等方面的进展，出现了多种集成化传感器。这类传感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线型、面型的传感器；或是多种不同功能的敏感元件集成一体，成为可同时进行多种参量测量 的传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等电路集成一体的器件。近年来，更有把部分信号处理电路和传感器集成一体，使传感器具有部分智能，成为智能化传感器。 （ 3）化学传感器的开发 近 20 年来，工农业生产、环境监测、医疗卫生和日常生活等领域，广泛应用化学传感器。化学传感器把化学量转化成电量。大部分化学传感器是在被测气体或溶液分子与敏感元件接触或被其吸附后才开始感知的，而后产生相应的电流和电位。目前市场上供应的化学传感器以气体传感器、湿度传感器、离子传感器和生物化学传感器为主。预计在未来一段时间内，化学传感器 器件将会蓬勃发展，并且出现一些智能化化学传感器。 传感器分类方法很多。按被测量分类，可分为位移传感器、力传感器、温度传感器等；按传感器工作原理分类，可分为机械式、电器式、光学式、流体式等；按信号变换特征也可概括分为物性型和结构型；根据敏感元件与被测对象之间的能量关系，可分为能量转换型与能量控制型；按输出信号分类，可分为模拟式和数字式；等等。 本产品所用的传感器既属于电器式，结构型又属于能量转换型。它由感应块，感应柱和各种电路元件组成。 当工件进入夹钳口时，板材侧面接触到7 感应块时，感应块后退，接近开关得到信 号，控制系统收到接近开关的信号，进行相关处理。如图 2 1(a)，图 2 1（ b） 所示： 图 2 1 (a) 8 图 2 1（ b） 2 3 2 油缸 油缸是该装置中的重要组成部分，是进行 夹钳动作的直接执行部件。 油缸可分为单作用缸和双作用缸，在不同的工作条件下采用不同的型号。 单作用缸 靠油缸弹簧复位，用于压力不高的场合。双作用油缸采用进、出油口，常用于压力比较高的场合。 本产品采用的是单作用液压缸， 是因为夹钳板材不需要用太 大的压力，并且单作用液压缸 的主要优点是结构简单，动作灵敏，费用低廉，能很好得完成工作任务 。因此从经济角度和实用性考虑也应该选择单作用液压缸 。 它和活塞、夹头配合共同完成夹钳并送往主机。 2 3 3 锁紧缸 锁紧缸 选用 了日本 司 生产的气缸，它的作用是工作时将油缸伸出去 。 当传感器感应到板材时，控制系统得到信号并向气缸发送锁紧信号 ，此时，气缸就自动锁紧不动。 9 2 3 4 支 座 支座的用途不言而寓就是起支撑作用， 支撑锁紧缸和液压缸进行正常工作，并且和底座用螺纹连接，随带传动一起向主机方向运动。 2 3 5 气缸支架 气缸支架是焊接件， 固定在支座上， 支撑气缸活塞平稳动作，其次还起到导向作用 。 2 4 夹钳装置的技术特点 支座、气缸支架、浮动夹钳支架都是焊接件，它们的主要技术特点是：板件不得出现明显焊接变形，焊后清渣，焊后去焊接应力，锐边倒钝，发黑处理。油缸活塞杆采用的材料是 45 钢 ，加工时注意锐边倒钝和 缸的材料也是 45 钢 ，加工时注意锐边倒钝，进行去除应力 和 各零件装配后夹钳活动灵活，弹簧在工作行程内伸缩自如。 2 5 设计的有关技术参数 钢板 ：厚 4 10 3 12 300 500 钢板翘曲最大 30 气缸为锁紧气缸即在行程内任意位置停止不动； 气缸行程 200径 63紧力 4000N。 夹钳装置的布置是： 板材的两侧面分别布置 5 个该夹钳装置，并且每个夹钳装置之间的距离是 1000 10 第 3 章 缸筒的工艺规程设计 3 1 缸筒的功用 油缸是该装置中的重要组成部分，是进行夹钳动作的直接执行部件。油缸可分为单作用缸和双作用缸，在不同的工作条件下采用不同的型号。 单作用缸靠油缸弹簧复 位，用于压力不高的场合。双作用油缸采用进、出油口，常用于压力比较高的场合。 本产品采用的是单作用液压缸，它的主要优点是结构简单，动作灵敏，费用低廉，能很好得完成工作任务。它和活塞、夹头配合共同完成夹钳并送往主机。 3 2 缸筒的工艺分析 缸筒主要加工表面，它们之间有一定的位置要求。现分析如下： 1 该零件的主要加工面孔 38 36， 30 60 2 孔 30 别与孔 60同轴度为 3孔 60缸筒的内外端面的垂直度分 别为 这些将直接影响缸筒和活塞的配合精度。 如图 3 1 所示： 图 3 1 11 3 3 工艺规程设计 3 3 1 确定毛坯的制造形式 缸筒是常用的传动件， 配合活塞杆使用 。 由于 本产品所用的缸筒 是小批量生产，而且零件的轮廓尺寸不大， 但结构比较复杂并且对强度的要求不高， 故可采用金属型铸造成型，选择零件的材料为 45 钢。 这从提高生产效率，保证加工精度上考虑，也是应该的。 3 3 2 基面的选择 基面的选择是工艺规程设计中的重要工作之一，基面选择得正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产效率得以提高。否则，加工工艺过程中会问题百出，更有甚者，还会造成零件大批量报废，使生产无法正常进行 。 （ 1）粗基准的选择。 粗基准选择的原则有：相互位置要求原则；余量均匀原则；余量足够原则；粗基准不重复使用原则。 本产品所用缸筒的两个内孔 30 及 35 与孔的中心线有同轴度的要求，因此加工该两孔时应注意相互位置 要求原则。因此选 60 及外端面 B 为定位基准是最合理的。 （ 2）精基准的选择。 精基准选择的原则有：基准 重合原则；基准统一原则；互为基准、反复加工原则；自为基准原则。加工缸筒时 主要考虑基准统一的问题，即遵循“基准统一 ”的原则 。 基准统一的好处有：保证各表面间的相互位置精度，避免因基准变换而产生误差，并有利于简化夹具的设计种类，减少装夹的时间，从而降低制造成本。 因此选 30 及外端面 A 为定位基准是最合理的。 3 3 3 制定 孔加工的 工艺 制定 孔加工工艺 的出发点，应该是使零件的几何形状，尺寸精度及位置精度等技术要求得到合理的保证。在生产纲领已确定为大批量生产的条件下，可以考虑采用万能性机床配以专用夹具，并尽量 使工序集中来提高生产效率。除此以外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。 工艺 方案： 以 60 及外端面 B 为 定位面 ，采用短 阶梯 圆柱销 定位，另外加以辅助支撑 （辅助支撑的作用提高定位的稳定性，不影响 自由度的限制 ） ，绞 30 孔。然后以 30 及外端面 A 为 定位面 ，采用短 阶梯 圆柱销定位，另外加以辅助支撑， 绞 60 孔。 12 第 4 章 板材的受力分析 4 1 液压油的选择 液压系统中使用的液压油液的种类有：石油型和难燃型两种。石油型可分为机械油、汽轮机油、普通液压油 以及专用液压。而专用液压油又可分为抗磨液压油、低温液压油、液 压 导轨油、高粘度指数液压油、其它专用液压油。难燃型可分为乳化型和合成型。乳化型可分为水包油乳化液 、 油包水乳化液。合成型包含水 乙二醇液、磷酸酯液和其它。 石油型的液压油以机械油为基料，精练后按需要加入适当的添加剂而成。这种油液的润滑性好，但抗燃性差。 机械油是一种工业用润滑油，价格虽较低，但物理化学性能较差，使用时易生粘稠胶质，堵塞元件，影响系统的性能。压力越高，问题越严重。因此，只在压力较低和要求不高的场合使用。 汽轮机油和机械油相比，氧化安定性好，使用寿命长，与水混合后能迅速分离，纯净度 高。普通液压油 中加有抗氧化防锈和抗泡等的添加剂，在液压系统中使用最广。 水 乙二醇液适用于要求防火的液压系统。如液体长期在高于 65的温度下工作，水分的蒸发使它的粘度上升，因此必须经常检验。低温下粘度小，它的润滑性比石油型液压油差，对大多数金属及液压系统中使用的大多数橡胶密封圈材料均能相容， 但会使许多油漆脱落。 磷酸酯液自燃点高，氧化安定性好，润滑性好，使用温度宽，对大多数金属不腐蚀，但溶解许多非金属材料，因此必须选择合适的橡胶密封材料。这种液体有毒。 为了改善液压油液的性能，往往在油液中加入各种各样的添加剂。添加剂有两 类：一类是改善油液化学性能的，如抗氧化剂 、 防腐剂 、 防锈剂等；另一类是改善油液的物理性能的，如增添剂 、 抗泡剂 、 抗磨剂等。 对于本产品， 如果液压自动夹钳装置在常温下工作，其工作环境的温度不高，但有防尘要求，选择 20 号 普通 机床液压油。 20 号压力油的运动粘度 ： 10)2317(50 26 ，取 102050 26 。 密度为 33 /109.0 ，则 20 液压油的动力粘度 为： 13 4 2 夹钳力的计算 20 号压力油的压力取值范围是 0 7取油压 P= 压力 6226 10)21( 。= )3060(2 = 3 板材 受力分析 板材受力的结构示意图 如图 4 1 所示： 图 4 1 板材的抗弯刚度计算公式为： )1(12 23 其中 ： k 板材的抗弯刚度； E 板材的弹性模量，取值 E=2004 t 板材的厚度，取值 t=5 为常数，值为 ； 所以 ： M P 25200)1(12 223 板材的翘曲度 ： 则 y=30合要求 。 15 第 5 章 项目的技术经济分析 5 1 2006 年的经济预测 2006 年是实施“十一五”规划的第一年，是“十一五”规划完成好坏的关键一年。初步分析 2006 年的发展环境非常有利于板材送进夹钳装置行业保持持续、快速、稳定的发展。 5 1 1 国家 宏观调控 政策有利于板材送进夹钳装置行业的发展 国家振兴装备制造业政策，特别是最近中央经济工作会议 精神，国家仍将继续执行“双稳健”的财政 政策和发展内需的宏观经济政策，以及国家近期出台的有关工、农业政策和调控政策，还有对 节能降耗，环境保护的部署等，为机械工业提出了新的要求，扩展了机械产品的市场，机械工业仍将保持高速发展，必然带动板材送进夹钳装置行业的发展。 5 1 2 主机任务饱满，对 板材送进夹钳装置行业的发展 有利 板材送进夹钳装置行业 是配套件行业，受主机行业的影响很大。据有关行业预测，目前各主机行业企业 2006 年在手的任务十分饱满，特别是国家重点工程所需 的重大装备和大型高档产品需求十分火暴，仍处于供不应求的局面，必然拉动 板材送进夹钳装置行业 的发展。 5 2 可能影响经济运行质量的问题 5 2 1 燃料、动力、原辅材料价格上涨，影响企业的效益 煤、油、电力以及 原辅材料 和钢材的价格上涨，将直接影响板材送进夹钳装置产品的生产成本，降低企业的经济效益。企业很难通过加强管理，靠企业内部挖潜对这部分予以补偿。在企业利润空间不大的情况下，会降低企业的经济效益，影响行业企业的长远发展的后劲。 5 2 2 积极引导企业吸引外资 对外开放 是国家的重大国策，不少地方往往以吸引外资的多少，作为政府的政绩考核目标，不管项目的好坏和效益如何。有的企业，国家花了大量资金进 行技术改造，已形成了自己的品牌，而且还形成了行业的排头兵，16 在国内外都有一定的名气，像这样的企业也被国外公司购买或控股，是这样的企业失去了自主权，丢掉了自己的品牌，失去了多年来创造的无形资产，实在可惜。这样也可能影响到国家的产业安全，影响到国家发展的自主性，应引起重视。 5 3 绿色设计 5 3 1 绿色设计产生的背景 自 20 世纪 70 年代以来，工业污染所导致的全球性环境恶化达到了前所未有的程度，迫使人们不得不重视环境污染的现实。日益严重的生态危机，要求全世界工商企业采取共同行动来加入环境保护，以拯救人类生存的 地球，确保人类的生活质量和经济持续健康的发展。 进入 20 世纪 90 年代，各国的环保战略开始经历一场新的转折，全球性的产业结构调整呈现出新的绿色战略趋势，这就是向资源利用合理化、废弃物产生少量化、对环境无污染或少污染的方向发展。在这种 “ 绿色浪潮 ”的冲击下，绿色产品逐渐兴起，相应的绿色产品设计方法就成为目前的研究热点。 在工业发达国家，产品的绿色标志制度相继建立，凡标有 “ 绿色标志 ”图案的产品，表明该产品 从生产到使用回收的整个过程符合环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，可以实现资源的再生和回收，这种产品大大地提 高了在国际市场的竞争力。例如：德国的水溶油漆被授予绿色标志后，销售额提高了 20%。 与经济发达国家相比，我国工业的技术水平还有较大差距，工业产品还存在着资源和原材料消耗大、环境污染严重、国际竞争能力相对较弱等问题。在加入 后， 产品出口所面临“绿色壁垒”十分突出。为解决上述问题的可行途径，就是通过绿色设计与绿色制造技术，大力开发绿色产品，尽可能减少对环境的污染和资源浪费，全面提高产品的竞争力。 5 3 2 绿色产品的定义和特点 绿色设计是由绿色产品的诞生所引申的一种设计技术。因而，要进行绿色设计 ，首先有必要弄清什么样产品是绿色产品，绿色产品有何特点 ，以便于采取一定的方法和手段去设计绿色产品。 （ 1）绿色产品的定义 绿色产品是相对传统产品而言的，至今还没有17 权威的定义，为了便于对绿色产品的认识，给出如下一些定义： 1）绿色产品是指以环境和环境资源保护为核心概念而设计生产的、可拆卸和分解的产品，其零部件经过翻新处理后可以重新利用。 2）绿色产品是将重点放在减少部件，使原材料使用合理化并能进行 回收处理的产品。 3）绿色产品是指从生产到使用乃至回收的整个过程都符合特定的环境保护要求，对生态环境无害或危害 小，以及可以再生或回收、循环、再利用的产品。 4）绿色产品是指其使用寿命完结时，部件可以翻新和重新利用的产品。 以上定义可以看出，绿色产品是指在 产品全生命周期内，包括原材料制备、设计、制造、包装、运输、使用、回收、再用或再生过程，能节约资源和能源，对生态环境无危害或少危害，且对生产者及使用者具有良好保护性的产品。 （ 2）绿色产品的几个鲜明特点 1）优良的环境友好性 2）最大限度地利用材料资源 3）最大限度地节约能源 5 3 3 绿色设计的主要内容和设计原则 设计内容：（ 1）绿色产品的描述和建模 （ 2）绿色设计的材料选择 （ 3）面向拆卸性设计 （ 4）产品的可回收性设计 （ 5）绿色产品的成本分析 （ 6） 绿色产品设计数据库 设计原则：（ 1）资源最佳利用原则（ 2） 能量消耗最少原则 （ 3） “ 零污染 ” 原则 （ 4） “ 零损害 ” 原则 （ 5）技术先进原则 （ 6）生态经济效益最佳原则 我设计的板材送进夹钳装置具有可拆卸性，并且夹钳过程中板材的两旁各放置 5 个该装置，每个装置之间的距离为 1000样可以节省原材料，降低生产成本，为企业带来可观的效益。 从加工工艺方面考虑：加工缸筒时采用基准统一的 原则，而基准统一的好处有：保证各表面间的相互位置精度，避免因基准变换而产生误差，并有利于简化夹具的设计种类，减少装夹的时间，从而降低制造成本。 从液压油选择上考虑：本产品采用价格比较便宜的 20 号精密机床液压油 。理由 是液压自动夹钳装置在常温下工作，其工作环境的温度不高，但有防尘要求。 从整套运输线方面考虑：板材送进夹钳装置作为辅助装置 对减少运输时18 间，提高劳动生产率，降低工人的劳动力具有显著的作用，这样能为企业省下一大 笔 费用。 但是 该装置 也存在着一些不足，那就是液压油的污染问题，就目前的科技还无法彻底解决此问题 ， 目前研究的方向是采用水压传动， 希望 日后在这方面有所突破。 19 第 6 章 专题论文 超精密加工的发展方向和展望 摘要： 超精密加工不论是超精密机床、金刚石工具，还是超精密加工工艺已形成了一整套完整的超精密制造技术系统 但是这并不代表了超精密加工技术已经达到了颠峰，它的发展还有很大的空间。这就需要人们发挥自己的潜能去探索这一神秘的领域。 关键字： 超精密加工、发展方向和展望、超精密机床、金刚石工具、加工工艺 正文： 在当前必然 会谈到的是微机械技术的诞生，为超精密制造技术引 来一种崭新的态势，它的微细程度使传统的制造技术面临一种新的挑战。尽管它的诞生时间只是近期的事。人们已公认为它是 21 世纪的前沿技术。它的发展极为神速，受到全世界的关注，我国也不例外，仅几年时间，许多单位已生产出各种产品，甚至完成了将原子迁移，构成图形或字体等的各种创举。 1996年，上海交通大学展示了直径为 2微电机，而今天瑞士 经将直径 3机，转速为 100,000r/产品作为商品销售，其最小的滚珠轴承外径只有 3机械的发展如此迅速，确实惊人！ 面临即将到来的 21 世纪，我国从事超精密加工的广大科技人员如何努力才能缩短与国外的差距，作为这条战线的一名工作者，确是日有所思，下面提出一些个人的具体想法。 6 1 跟踪世界先进科技的发展，大量掌握和利用信息 超精密加工技术是发展科技的重要手段，所以受到世界各国的广泛重视，因此也就不断地获得新的成果，但是因为它的要求都处在精度的极限，传统的、单一的技术往往很难突破，必须综合地利用当前取得的各种成果，通过综合、分析，加以整合、重组，才能进一步满足更高的要求。因此当务之急是如何及时地取得各种有关的信息。自从进入信息时代，获得信息的手段也随之而得到发展，特别是计算机联网的实现，加速了信息传递。因此为信息的及时获得创造了前提，同时已成为竞争的重要手段。前面已提到的金刚石切削刃口圆弧半径的测量，一直是超精密加工技术领域中的一个难题，自从 1982 年， 发明，应当说为其测量创造了前提，但是当20 时并未受到应有的重视，直到 1993 年才从 到美国学者 出这种设想，但并未实现。到了 1996 年和 1998 年，才看到我国的华中理工大学和哈工大在这方面相继作出了的有关的报道。表明这些 信息的传递，有利于加速技术的发展。但为什么实践如此滞后。也许可以说，信息虽然是有了，但并没有很快得到应用，当时它的出现并非直接为超精密加工领域应用的。不过今天看来这项研究，所以能获得进展，也是因为应用了这个信息。这充分说明信息只是一种素材，有了信息还得进一步经过加工，才能成为真正的手段。 超精密加工技术一直是制造技术的前沿技术，每前进一步，都需付出很大的代价，而且对其要求也是随着时间的推延而不断提高，这就必须广泛的收集信息，虽然工艺信息往往是被视作 加以保密，所以更增加了它的收集难度，但是信 息的渠道是多方面的，另外，得到的信息，大部分仍然需要经过大量筛选，择其有用的为我所用。而信息的收集必须先行，并且需要及时。 比如，当前硬脆材料的加工已是当务之急，历来采用磨削的途径，但是在技术上存在比较难克服的问题，往往满足不了光学等方面的要求，有的还将附加采用难度不小的抛光。为了突破这个难题，世界各国都开始摸索新的途径，后来出现在超精密机床上加工硬脆材料，控制极小切深和走刀量，首先从磨削突破了硬脆材料延性方式的技术，紧接着也很快采用大负前角的金刚石车刀获得成功。当然在掌握上，仍然存在难度。近期又 有建议在金刚石的切削上如果复合振动切削，便能更易实现硬脆材料延性方式的切削。这表明技术是在不断推陈出新的。必须时时跟踪，这样才有可能缩短研制的周期，突破难题。 6 2 整合、重组思想的运用 超精密加工技术是一项系统工程，它集机床、工具、计量、数控、材料、环境控制等成果于一体，针对不同的加工对象，不同的设计要求，综合地加以利用。这里想以当前的超精密机床为例，可以发现大部分这类机床也是反映出这些特点，它是根据自己所需的产品来设计、制造的。从这类机床的主轴、直到床身，几乎均被认为到了精度的极限，因此每种型号特色都比 较明显。而商品化的也有一些，但从已发表的文献中来看，只是少数。前者如美国的 家实验室的大型光学金刚石车床 。后者如 司的 精密机床。即使是大量生产磁盘的车床其需要21 量也是很有限的，以日本东芝机械公司为例，据其公司的介绍，每年在日本的补充量也仅三十多台，或者更少。这是超精密机床的特点。 超精密机床的特点扩大到整个超精密加工技术来看，有类似的情况，超精密加工技术也都是在其有关的各项技术支撑的条件下，逐步发展起来的，同时又往往取各项技术的崭新成果来加以充 实、提高。例如金刚石车刀的刃口圆弧半径达到 2 4可切削下小于 1度的切屑，这为更高精度的加工创造了前提；摩擦驱动的出现，完全解决了滚珠丝杆的发热、振动、振摆和噪音等的不足，使获得更佳的质量具有可能性；冷却液的温度能控制到 20，在喷淋下切削可以保证高精度；静压轴承的高精度为主轴的高精度回转提供了条件；双频激光干涉仪达到了当前的最高定位精度；喻为零膨胀系数的微晶玻璃为超精密机床向更高层次的发展提供了可能。这许多崭新的技术成就为整个超精密加工技术向纵深发展创造了依据。今日的超精密加工技 术就是以这许多先进技术作为支撑的。但是如何运用好这些技术，还有待更高超的整合和重组的技巧。这是超精密加工技术方面的重要课题。 6 3 创新是推动超精密加工技术发展的动力 超精密加工技术每前进一步，都离不开创新，这是由超精密加工技术所处的位置决定的，因为这门技术始终处在发展的前沿。面对飞速发展的需求就决定了它必须创新。 美国的 家实验室是最典型的一个科研单位。在超精密加工技术方面作出的贡献一直为世人所公认。以摩擦驱动为例，它替代滚珠丝杆被应用在 的超精密机床上，是一个创举，其优点已在前面介绍过 ，授因而被喻为 “摩擦驱动之父 ”。这个实验室，还研制了一台型的超精密机床，它完全是用市场购买的部件组装而成的，我们称为模块方式的结构。这体现了超精密机床的单件或小批量的特点。这种方式不仅研制周期短，成本低，而且可以组合成各种机床，甚至可以形成小的批量生产。我国航空系统 303 所的实践也充分表明这一点。 日本认为综合利用也是一种创新。最近日本松下电器公司将 器装到高精度三坐标测量机上，使其量程最大可达 400高精度为 10倾斜最大 60角的任意三维形状，成为世 界上最高精度的 三坐标测量机。他们拓宽了原有测量机的功能，更重要的是向超精密加工前进了一大步。现在有人开始正在将平行机构应用在三坐标测量机上，可以预见一种22 新功能的测量机将会依靠创新而诞生。 电加工在近期进入了超精密加工技术领域，从发展的角度来分析，在未来的世纪中，将会发挥出更大的作用。今天的电加工不论其功能，还是加工的质量已经接近超精密切削加工的水平，以电火花线切割为例，通过采用二次切割 (其切割的精度为 2m，能达到很高的表面质量。再说电火花成形加工，在采用平动或摇动的基础 上，最近创造了混粉 (铝、铬和硅等 )加工，被加工表面达到了镜面。电加工技术迄今仍在向更高层次发展，其前景十分令人鼓舞。例如，日本东京工业大学的增泽隆久采用 电极丝，在电火花线切割机床上切割 径的 7 个齿的小齿轮，说明电加工已经发展到微机械加工领域。这可充分说明由于创新使电加工技术迅速地得到腾飞。 1943 年发明电加工时仅仅是一种辅助性的粗加工手段，而今已步入了超精密加工技术的行列，真是不可同日而语了！ 陶瓷性能的优越，作为结构材料已众所周知，但是其加工的难度太大，是有名的难加工材料，陶瓷滚 珠的加工就更难。如何制造高精度陶瓷滚珠已成为热门的一项课题，采用传统的研磨机，存在一些不足，于是日本金泽大学的黑部利次等教授将 V 型槽研磨盘分为内外两个有斜面的盘， V 型是由两个斜面构成，这样这两个盘可以以不同的速度回转，改善了滚珠在研磨中的状态，来得到高精度。这是从另一个侧面介绍了研磨领域里的一种新颖的构思。 金属结合剂的金刚石砂轮的应用历史已不短，其结合剂历来就是铜剂，日本东京工业大学的中川威雄教授提出采用铁剂，使金刚石砂轮的寿命提高了1 2 倍。并且引起了技术界研究结合剂的热潮。在这基础上，日本理化研究所 的大森整博士又发展了金刚石砂轮的在线电解修正 (术，拓宽了镜面加工的新途径，创新的作用发挥出了淋漓尽致的效果。 总之，创新在超精密加工领域中占有重要的位置，这是无可争辩的。 6 4 注意动向，为发展铺平道路 超精密加工技术在向更高精度的层次发展，具体说，正在受到毫微米精度的挑战，另一方面又面临微机械的要求，传统的加工也面临不适应的局面。因此从战略上必须重视这些发展。这里只提出几个例子作为参考： 6 5 微机械的制造技术 微机械与微机械加工已是当前超精密加工技术延伸的一个重要方面。由23 于与传统的机械加工有 着很大差异，因此逐渐在超精密加工技术领域出现一种崭新的动向，它正起到推动超精密加工技术发展的作用。 术就是典型的产物；电加工向微细加工的发展又是一例。以 组成的统正在被应用在机械加工领域，今天超精密加工的表面质量通过这类测量仪表的计量，使加工的技术水平向更高层次发展。这些技术的发展不仅推动微机械技术的发展，而且也加速了传统机械加工的进步。 6 6 硬脆材料采用延性方式加工 科技的进步，促使广泛采用新材料，而新材料中许多是硬脆材料，其加工难度很大，尤其是光学零件的透镜，要求镜面，自 从出现采用延性方式的加工技术，引发了很大的研究热潮，但是它必须提供更优越的条件，因此有人提出金刚石车削与超声波技术结合的复合加工。总之，这是前景很好的技术，但是难度很大，当前仍处在实验室阶段，还有待进一步完善和探索。而今后的需求确实十分迫切。 6 7 超精密计量技术的发展 要发展超精密加工技术，最迫切的是超精密计量。从发展的角度来看，超精密加工技术一直在向更高层次推进，因此其定义也很难加以确定，精度也随着时间的推移不断提高，计量便首当其冲。应当说，计量技术在当前已经有了很大提高，条件明显得到改善，但是需求则更 高，这就是矛盾的所在。激光作为计量的基准，对超精密加工技术起到了巨大的推动作用；扫描探针显微镜 (现，对提高超精密加工技术向高层次的发展起到了关键的作用，而且也有助于微机械的发展。这是有利的方面，但是其利用只是刚开始，有待进一步开发，但从发展来看，难度依然很大。 非球面光学加工 非球面透镜的出现是光学领域的重要发展，它的迅速发展，给超精密加工技术提出了迫切的要求，随着时间的推移，精度的不断提高，难度也日益变大。所以近期已成为超精密加工领域的一项重要的课题。这项技术不仅应用于大型天文望远镜，而且用于 红外及短波段的反射光学成像系统与量大面广的光盘光学聚焦透镜。今天透镜的材料也在迅速发展，新型的塑料透镜已成为热门的目标，由于其量大且塑料的热膨胀系数大，使制造的难度也日趋增大。尤其是光学透镜的模具制造更是超精密加工技术今
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