龙门铣床水平移动工作台-大型铝铸件浇冒口切割机工作台设计【三维UG】
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毕业设计开题报告毕业设计开题报告题 目：大型铝铸件浇冒口切割机工作台设计 学生姓名： 学 号： 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 2015年04月17日1 文献综述1.1 课题背景及意义铸造就是使熔融的金属液体流入预先做好的信模内，待金属液凝固按取出，除去浇冒口等，即获得得所需的铸件。铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，远在3500多年前人类就能能运用成熟的治炼技术来铸造出各种精美实用的铜器1。铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一,另外我国是铸造生产大国，连续多年铸造产品产量居世界首位。其中大型铸件制造业是个特殊的行业，其发展水平是衡量国家综合国力的重要标志，为我国的钢铁冶金、能源交通、石油化工、航空航天等多个领域的发展提供了大量的产品和服务，为我国现代化建设作出了重要贡献2。将铸件从铸型中取出，清除掉本体以外的多余部分，并打磨精整铸件内外表面的过程称为铸件清理3。本文主要涉及的是大型铝合金铸件浇水口的切割系统，目前至今国内大型铸件浇冒口清除仍然采用手动切割机或半自动式切割机，操作工人穿着防护服、戴面具、隔热手套等装备手持工件进行切割，切割过程没有除尘装置，车间内灰尘杂质相当多，车间工作环境十分恶劣，污染十分严重。国外一些发达国家大型铸件浇冒口清除已开始采用自动式切割机但进口设备价格昂贵，维护成本高。至此研发我国的大型铸件浇水口切割打磨机床已势在必行，对提高劳动生产力降低工人劳动强度意义重大。1.2 浇冒口清除方法铸件浇冒口的清除方法有冷清除法如锤击敲断法、机械切割法、机械折断法, 热清除法如氧炔焰切割、电弧切割等离子切割、导电切割及新型的超声波切割和水砂流切割方法等的特点和适用范围。提出要根据铸件的材质和特征, 正确地选择适当的浇冒口清除方法, 可以提高效率, 减轻劳动强度, 降低成本, 有利于后继工序加工4。其中热清除主要试用于切割比较比较薄的零件，锤击敲断法适用于小型铸件且劳动强度大，生产效率低。对于大型铸件浇冒口切割可以采用砂轮切割和带锯切割，其中砂轮切割法具有效率高、切口平整且残留根部小、比较容易实现切割的自动化、适用范围广5。沈阳铸造厂自制一台砂轮切割机, 大大提高了切割工作效率:，比使用锯床提高7 、8 倍, 比手锯提高3 5 4 0 倍。同时减轻了劳动强度6。1.3 工作台传动及夹具设计1.3.1 工作台传动方式龙门框架类数控机床迸给系统常用的机械传动方式有3种：滚珠丝杠副传动、静压蜗杆一蜗母条传动和双齿轮一齿条传动。滚珠丝杠由于制造工艺已十分成熟、导程精度高、传递扭矩大，因此在进给传动中应用很普遍,但当丝杠较长且水平安装时，困丝杠的自重会产生挠度弯曲。静压蜗杆一蜗母条传动机构精度高，可用于长行程的机构中。主要缺点是使用该传动机构需要另外再加一套注入压力油的液压系统。齿轮一齿条机构也是机床上一种常用的直线运动机构，它效率高，结构简单。但齿轮一齿条传动由于受齿轮一齿条制造和装配精度的限制，位移精度和运动平稳性较差7。1.3.2 夹具设计夹具是一种在机械制造中用于固定夹紧工件的机械装置，将工件正确的固定在机床上并且在加工过程中夹紧工件。夹具广泛应用于制造过程中并且直接影响产品质量,产量和成本8。主要有定位装置、夹紧装置、对刀引导装置和其他元件组成。1.4 国内外浇口切割机的研究概况1.4.1 国内浇水口切割机发展现状国内已经有一些生产浇口切割机自动化水平较高的设备主要有东莞乔鑫自动化科技有限公司生产的铝合金浇冒口切割设备专用带锯机（如图1.4.1所示），和济南科瑞达铸造机械有限公司生产的浇冒口砂轮切割机床（如图1.4.2所示)。但这些设备只能小型铸件且只能达到半自动化程度，通用性差，而且没有封闭切割室，安全性没有保障，烟尘污染仍然没有得到解决。其它产品包括脚踏式切割机、手摇式切割机均属于纯手动切割机，同样存在以上问题。近期余姚市科创自动化设备有限公司和慈溪市晨升机械有限公司集合2家公司的力量，在成熟的自动钻孔机和自动冒口机技术基础上，于2014年2月正式完成了GZZ的量产标准化（如图1.4.3）， 该专业生产线是无人化作业、预留前后道自动物流平台， 为以后摩托车铝轮的粗加工实现全部自动化提供了中间平台。但是这种生产线只适用于比较容易定位加紧且冒口分布规则的小型铸件的切割，通用性较差8。图1.4.1 铝合金浇冒口切割设备专用带锯机图1.4.2 浇冒口砂轮切割机床图1.4.3 摩托车铝轮粗加工自动化生产线1.4.2 国外浇水口切割机发展现状国外早已有浇口自动切割机，其中具有代表性的有德国 Universal 公司生产的 ASANT TM800 切割机（如图1.4.4）是比较先进的浇口切割机。该切割机使用直径 800mm 的切割片，由 90KW 电机驱动，工件由液压夹具夹紧，切割效率极高。德国赖克曼父子公司生产的TS800全自动浇口切割机更加先进，该机配备砂轮直径815mm，驱动电机功率110KW，自动夹紧，装卸工件均由机械手完成10。工作台运动和砂轮升降均由液压驱动。工作台既可以水平 XY 直线移动，又可以绕 Z 轴旋转，还可以绕 A 轴翻转。该机具有5个自由度，切割十分灵活，可以切割各种复杂的铸件组，适用性广。整机由 NC 控制器控制，实现了完全自动化。该机安装在独立的小房间里，配有吸灰除尘装置，保障了安全性解决了烟尘污染。该机配备砂轮直径达 815mm，其厚度达到了13mm，适合切割大型型铸件组。但由于其设备价格高昂维护成本高，没有引进到中国11。图1.4.4 TS800全自动浇口切割机1.5 结语 以上内容主要介绍了设计大型铸件浇冒口切割设备的意义，并且对清除铸件浇冒口的各种方法进行了介绍、比较。以及机床工作台的传动方法和目前大型铸件浇冒口切割设备的发展现状。本次课题的主要内容是大型铝铸件浇冒口切割机工作台设计，要求实现大型铝铸件浇冒口切割过程中的工件精确定位与行程内运动。2 本课题要解决的问题及其研究途径2.1 任务分析目前国内对于大型铸件浇冒口的切割主要是人工切割，劳动强度大，工作条件差且效率低在这种情况下提出了要设计一台切割大型铸件浇冒口的自动化设备，本课题主要负责设备的机械部分内容。铸件材质铝合金，工件（如图2.1.1）外径1800mm内劲1400mm长3500mm质量约14吨。本次任务需要解决的问题主要有采用什么样的切割方式进行浇冒口的清除和如何实现切割的动作，工作台怎么传动、采用哪种导轨、电机选择及校核等内容。图2.1.1 加工工件2.2 机床总体方案拟定2.2.1 清除方法的确定铸件浇冒口的清除方法有冷清除法如锤击敲断法、机械切割法、机械折断法, 热清除法如氧炔焰切割、电弧切割等离子切割、导电切割及新型的超声波切割和水砂流切割方法等的特点和适用范围。其中热清除主要试用于切割比较比较薄的零件，锤击敲断法适用于小型铸件且劳动强度大，生产效率低。对于大型铸件浇冒口切割可以采用砂轮切割和带锯切割，其中砂轮切割法具有效率高、切口平整且残留根部小、比较容易实现切割的自动化、适用范围广等优点。沈阳铸造厂自制一台砂轮切割机, 大大提高了切割工作效率,比使用锯床提高7 、8 倍, 比手锯提高3 5 4 0 倍。同时减轻了劳动强度。综合考虑初步拟定采用砂轮切割的方法清除铸件浇冒口。2.2.2 确定切割工艺考虑加工过程可能出现干涉，初步拟定工件加工工艺：先切铸件两边浇口再切中间冒口。2.2.3 机床结构布局机床结构布局设计是指确定机床的组成部件，以及各部件和操纵、控制机构在整台机床中的配置方式。一般加工工件质量比较大时采用龙门框架式机床，同时由于加工工件长度较大本次设计机床结构布局形式采用卧式，基础支承件形式采用龙门式，本次设计机床布局主要参考龙门铣床拟定，大致布局如图2.2.1。图2.2.1机床大致布局2.2.4 机床运动的分配根据加工工件外形和加工工艺确定切割刀具与工件有5个相对自由度，动作分配如下：薄片砂轮转动、工作台沿床身导轨移动、切割部件沿立柱导轨移动、切割部件沿横梁导轨移动、切割部件本身转动。2.3 工作台设计2.3.1 确定工作台大小及速度由工件大小及参考其他类型龙门铣床技术参数（如表2.3.1）确定工作台尺寸初步拟定长为4m宽为2m厚0.2m。参考X2020龙门铣床（加工工件最大质量20t)工作台进给箱的主要参数为：工作台铣削进给速度：36720 mmmin。工作台快移速度：5400 mmmin。初步拟定工作台进给速度为400mm/min，快移速度为5400mm/min。表2.3.1 重型龙门铣床主要技术参数2.3.2工作台传动方式龙门框架类数控机床进给系统常用的机械传动方式有3种：滚珠丝杠副传动、静压蜗杆一蜗母条传动和双齿轮一齿条传动。滚珠丝杠由于制造工艺已十分成熟，导程精度高、传递扭矩大，已成为标准的机床功能部件，因此在进给传动中应用很普遍。滚珠丝杠螺母副由于在丝杠和螺母之间放人了滚珠，使丝杠与螺母间传动变为滚动摩擦，因而大大地减小了摩擦阻力，提高了传动效率，并具有响应灵敏度高、传动快捷的特点。但当丝杠较长且水平安装时，困丝杠的自重会产生挠度弯曲。静压蜗杆一蜗母条传动是丝杠传动的一种特殊形式，蜗杆可以看成很短的丝杠，蜗母条则可以看成很长的螺母沿轴向剖开的一部分。运动时在蜗杆和蜗母条的啮合面注人压力油，以形成一定厚度的油膜，使啮合面成为液体摩擦，这种传动机构精度高。主要缺点是使用该传动机构需要另外再加一套注入压力油的液压系统。齿轮一齿条机构也是机床上一种常用的直线运动机构，它效率高，结构简单。从理论上讲，如果齿轮作动力源和运动件，只要齿条足够长。齿轮带动工作台可以获得高的移动速度和无限长的行程。但齿轮一齿条传动由于受齿轮一齿条制造和装配精度的限制，位移精度和运动平稳性较差。综上所述结合目前重型龙门铣床刨床实际传动系统，一般铣床采用滚珠丝杠方式传动，刨床采用齿轮齿条方式传动，本次课题需要设计的设备工作台类似于龙门铣床工作台，初步拟定为滚珠丝杠方式传动（如图2.3.1）。图2.3.1滚珠丝杠传动2.3.3导轨选择常用的导轨形式为矩形、三角形、燕尾形、圆形四大类并可相互组合，每一类又分凹凸两种(如表2.3.2） 表2.3.2 常见导轨形式当导轨水平布置时，凸形导执的特点是不易积存铁屑及脏物，但也不易存油，故润滑性不是特别好，只宜用于低速移动；凹形导轨的特点除与之相反，它可用于高速移动；但必须有较好的防止荡入铁屑及脏物的性能。从制造、检修及修理方面看、以矩形导轨最为方便。矩形导轨两个方向各有自己的导轨面，两个方向上的误差不会相互影响，同时矩形导轨承载能力强刚度高。但矩形导软磨损后不能自动补偿，调整间隙较麻烦。三角形导轨靠三角形二个侧面导向，当侧面有磨损，可保持原有的导向精度。但其水平和垂直两个方向上的误差相互影响，会给制造、检验及修理带来较大困难。燕尾形导轨适用于多层运动件的地方或要求速度低的场合。但其制造、检验及修理较复杂，刚度较差。组合导轨分双三角形导轨、双矩形导轨、三角形矩形导轨、矩形燕尾形导轨等。其中三角形和矩形导轨组合兼有导向性好、制造方便和刚度高的优点而应用很广。例如龙门铣床、龙门刨床的导轨副等。根据滑动导轨的设计特点又分动压导轨、普通滑动导轨、静压导轨、载荷导轨等几类。本机床属于重型机床，但精度要求一般选用普通滑动导轨。综合考虑机床工作台导轨初步拟定为三角形矩形组合普通滑动导轨。2.3.4防护罩的选择丝杠工作台的导轨作为传动部件,他对于环境的要求也是比较严苛的,而且在切割时,切割室内会充满粉尘,这对一些精密件以及传动零部件的寿命是极大的威胁。十分有必要在丝杠传动中安装防护装置。这种防护罩通常称作机床导轨防护罩,它可以使得机床的造型美观,并且最关键的是防护功能包括防尘、防水、防飞溅火花等。后者是他的主要作用,防止加工时的切屑、冷却液、火花等渗入导轨内部,造成精密传动件的损坏或寿命降低机床导轨防护罩种类很多,概括来说一共有两种:风琴防护罩和钢板防护罩,具体实物如图2.3.2所示。其中风琴式防护罩表面光滑,造型美观,使用它会增加机床的整体美观性。钢带式防护罩相比于风琴式防护罩,在防止切屑以及一些尖锐的东西进入方面有更有效的防护和刮除的作用。通过附加特殊刮屑板还可以有效的防止冷却液的进入。图2.3.2 防护罩本切割机床的切割室内的环境比较恶劣、粉尘、切屑会充满切割室,因此综合考虑最终选择钢带式防护罩。2.3.5夹具设计夹具是零件加工时用以装夹工件的一种工艺设备。其作用是正确确定工件和刀具间的相对位置。主要有定位装置夹紧装置对刀引导装置和其他元件组成。设计夹具时工件上常被选作定位基面的表面有平面、圆柱面、圆锥面、成形面以及他们的组合。很明显这个工件定位基面是圆柱面,采用v形块（如图2.3.3）定位。因为该工件较重加工时不会移动所以不需要夹紧装置。图2.3.3 V形块定位3 参考文献1 孟运文等. 铸造工艺学M. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1959. 2 贺大镛. 铸造工艺及设备的发展J. 机械工人, 1998(4):10-12.3 刘小龙. 现代铸件清理方式J. 铸造设备与工艺, 2011(4): 6-7.4 贺春华. 铸件浇冒口清除方法J. 铸造, 1998(4): 49-52.5 王延久, 汪金龙, 吴振卿. 砂轮切割机在铸件浇冒口清除中的应用J. 中国铸机. 1989(2): 52-56.6 沈阳铸造厂. 铜铝件冒口砂轮切割机J. 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. .7 王宪,徐增豪,余为民,韦连山. 大型龙门加工中心工作台进给系统设计J.机械制造,2007：45(10).
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