VMC22200型龙门五面体加工中心滑鞍工艺工装设计-夹具设计
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VMC22200
龙门
五面体
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开题报告题 目：VMC22200型龙门五面体加工中心滑鞍工艺工装设计系 别： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师： 年 11 月 12 日- 10 -广东技术师范学院天河学院本科毕业设计开题报告系别专业班级姓名学号联系方式题目VMC22200型龙门五面体加工中心滑鞍工艺工装设计一、选题的目的与意义1.目的 高速度、高精度、高效率和高刚度已成为当今数控机床发展的主要方向，普通龙门机床一般只能进行单面加工，当加工零件的另一个表面时，需要加装一个直角转换头或者调转零件的加工面后重新装夹，这不但增加了机床操作者的劳动强度，影响加工效率，并且重新定位装夹也降低了零件的加工精度，为了弥补这些不足，龙门五面体加工中心便应运而生。五面体加工中心一次装夹就能实现工件五个表面的加工，这大大提高了零件的加工精度和加工效率，降低生产成本，因此五面体加工中心成为当前数控机床行业重点研究的对象之一。2.意义VMC22200型龙门五面体加工中心主要面向汽车零配件加工，并向高速加工方向 发展。此外，还要求能够进行大型模具的加工，因此要求机床必须具备良好的加工性能和结构稳定性。滑鞍是机床的移动部件之一，是连接机床横梁和主轴箱的纽带。在满足静动刚度的前提下应尽量减轻其质量，以便提高移动的速度和加速度。滑鞍作为常用机械零件之一，其工艺及工艺装备设计具有非常典型的代表性。所以我们以此为研究对象，从各种方面来了解，剖析滑鞍，然后设计出符合加工的夹具，最后完成我们的研究.二、文献综述本研究参考了文章首先建立了X H 7 1 5立式加工中心加工中心整机及主要零部件的 C A D C A E 模型，然后采用有限元分析理论对模型整机及主要零部件的模态和谐响应特性进行了分析,最后对原机床设计的薄弱环节提出了几种改进方案,基于动态优化技术对主要零部件做了方案比较式优化设计，分析结果表明优化设计后结构较为合理,可应用于实际生产中。1 模型的建立ANSYS 软件具有强大的网格划分、加载求解以及后处理能力和良好的开放性，但是ANSYS的几何建模功能相对较弱，如果利用ANSYS提供的建模方法，无论是自底向上的建模方式还是通过自顶向下建模方式，对于建立一个复杂的模型来说，都将是个极其烦琐的过程，这将大大浪费了设计人员的时间。Pro Engineer 是一个高效的三维机械设计工具，它可快速绘制出任意复杂形状的零件，同时由于Pro Engineer 与 ANSYS具有良好的无缝连接性，可以较轻松地把所建立的模型导入ANSYS中进行有限元分析，真正可以发挥两个软件的优势，避免模型丢失任何特征和元素。2 整机谐响应分析本文对X H 7 1 5立式加工中心整机的谐响应分析时，在整机有限元模型安装刀具部位加x，、一z方向分力，幅值均为1 0 0 0 N 的简谐激振力。根据模态分析得到的机床动态特性以及实际工况下激励力的频率，设置简谐力的频率40190Hz范围内,采用ICCG 求解器，图2为40190Hz 范围内，简谐力激励下机床刀具部位的振动幅频响应曲线，这是衡量机床动态性能的重要指标。从图 2 可以看出，该机床在 4 01 9 0 Hz 频率范围内，只有第2阶固有频率 ( 79Hz )激振时,系统发生共振幅值较大,其他固有频率激振时对机床刀具部位的影响相对较小，非固有频率激振时,系统的响应接近于零。3 结构优化优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。本文采用 ANSYS有限元分析软件,通过对该机床的几种结构进行三维建模和有限元分析计40 6O 8O lOO I2O I40 I6O I8O_ 厂H z图 2 整机模型刀具部位谐响应分析结果算，并比较分析一系列的计结果，得到较优的设计方案。床身和立柱是 XH715立式加工中心的两个极其重要的结构件，其结构的设计尺寸和布局形式，决定了其动态特性的优劣，提高床身和立柱零件的动态特性，对保证机床的加工精度及稳定性具有重要意义。通过对原整机有限元模型动力学分析的结果可以看出，床身和立柱的第 1 阶固有频率比较低，而箱体等结构的第 1阶固有频率比较高,因此,可以说床身和立柱是整机设计的薄弱环节， 制约着整体性能的提高。床身模型的改进及其动力学特性分析分析床身的振型结果。1、2阶振型分别为扭曲和弯曲 ， 床身的中间部位是结构最薄弱 的部位 ，必须对该部位进行加强。在机床肋板布置中交叉肋板的抗弯扭性能比平行肋 板好得多。本文采用交叉肋板代替原床身中间部位的平行肋板，设计出改进 A 型、改进 B 型两种床身设计方案 。本研究还参考了五轴联动龙门加工中心现状与发展策略这篇文章，通过对五轴联动龙门加工中心现状的分析，总结了机床总体结构特点，找出了国内外机床在技术上的差距,提出了高端机床发展的相关理念。并结合市场现状大胆地提出机床市场发展策略,供借鉴与交流 。1 机床发展趋向 FDA 、J0Bs，法国FOREs T uN E 等等。五轴联动龙门加工中心主要用 于飞机等大型复杂整体结构件的高速加工。当今的五轴联动龙门加工中心正向着高速、高精、复合、柔性和多功能方向发展，努力达 到高质量、高效率的目标。2 发展现状上纪8O年代国外已将五轴联动龙门加工中心应用于工业生产，西方国家担心高性能数控机床被中国用于国防工业，长期对中国实施限制性出口政策。国内起步较晚，江苏多棱于1999年在北京机床展推出国内首台五轴联动龙门镗铣床。近年来五轴联动龙门加工中心发展迅速，国内企业诸如多棱、桂林机床、沈阳机床、北一、济二、汉川、大连等内地企业及台湾亚崴、乔葳进、协鸿、乔福等厂家均试制、生产该类机床，但目前均处于研制阶段，未形成规模效应。国内主要的飞机制造企业已经有大量进口国外该类机床。国际上主要生产企业有日本SNK、OKUMA 、MAZAK， 德国瓦德利希一济根、科堡 、ZIMMERMANN 。三、研究现状从龙门加工中心主要部件的发展情况来看，国内外龙门加工中心的龙门和滑枕的机构基本都具有以下特点：1. 龙门 主要是由一个横梁和两个立柱构成。分为横梁固定、横梁靠定位块锁定分段升降和横梁任意升降三种类型。横梁固定式结构机床刚性好，但不适合加工大型工件，因为在加工靠近工作台面的工件部位时，滑枕伸出长度过大，加工刚性较差，影响加工尺寸精度；横梁靠定位块锁定分段升降型结构机床刚性较好，但横梁升降运动不能与滑枕上下移动联动，且操作较复杂；横梁任意升降型结构横梁升降运动可以与滑枕上下移动联动，加工范围较广，适合新产品开发。立柱和横梁的横截面为矩形，刚性好，可耐重切削并长期保持高精度。主轴箱在横梁上的导轨有自重平衡装置，其动作灵活、迅速且准确。由于主轴箱左右移动时，横梁升降用滚珠丝杠所受负载有变动，使精度降低，所以采用配置在横梁左右两侧的油缸来平衡主轴箱左右移动造成的变动负载和横梁本身的自重，以提高机床的精度。2. 滑枕 从结构上可分为开式和闭式两种型式。开式结构的滑枕通过压板夹紧在主轴箱上，滑枕的截面积大；闭式结构的滑枕被夹紧在主轴箱内，滑枕的截面积小。主轴箱内有液压平衡装置，使滑枕上下移动灵活，可实现强力重切削。主轴滑枕内部采用强制内冷却，即使作长时间连续重切削，也可保持高精度。滑枕的行程以满足工件侧面下部的加工要求为宜，不宜太长，以免影响加工时的机床刚度。滑枕上的自动更换附件头装置采用大直径的鼠齿盘和强力液压夹紧机构，动作简单，附件头可进行重切削，主轴的分度简单准确。当鼠齿盘齿数为72时，主轴的最小分度为5;当鼠齿盘齿数为144时，主轴的最小分度为2.5，主轴可进行空转，定心、换刀很方便。滑枕采用一体型的结构，以提高机床的整体刚性。1.国外研究现状在国外，美国Catholic大学G.Biabchi等进行了机床的动态设计与控制相结合的研究；Lowa州立大学的J M Vance与ISU研究中心的T P Yeh等应用虚拟现实技术进行了机床结构的形状优化设计；M ichigan大学的T Jiang和M Chvedast在应用有限元法和动态分析的基础上，利用数学模型来模拟机床结构的联接形式，建立了机床整机的动力学模型，并对机床结合面联接件的位置与数量进行了拓扑优化设计。2.国内研究现状龙门加工中心经过长期的技术发展和推动，已从传统的单轴式发展到多轴式，传统龙门加工中心发展到现代化智能的加工中心，从单面的加工发展到多面的加工，发展速度快，技术比较成熟。但是对于龙门五面体加工中心，由于我国基础技术薄弱，研究方法落后，资金投入不足等原因，以及国外对核心技术的封锁，导致我国五面体加工中心发展缓慢（国内在本课题方面的研究情况及最新发展趋势）在国内，东南大学汤文成等用有限元法研究了低阶模态特性以及主墙板和隔板厚度对机床床身的动态特性的影响；天津大学的徐燕申等进行了立柱和床身接刚度对机床动力特性影响的有限元分析；王殿举等研究了铣床立柱截面形状及壁厚对其静动态特性的影响；宋健伟等进行了机床结构动力特性灵敏度分析及应用的研究。以上研究取得了一定的成果，但仍有许多理论与应用问题有待进一步地研究和解决。首先，机床结合面动态特性参数，目前常用的方法是采用直接耦合法连接机床各构件，这在机床精度要求不高的情况下可基本满足要求；但随着机床设计精度要求越来越高的情况下，机床的结合面动态特性参数直接影响机床有限元模型的精确度。其次，机床有限元模型的计算只能考虑静态力的作用，整机的动态特性只有采用模态分析及谐响应分析两种方法来考察。 四、创新思路我的思想是从加工方法上的改变从而达到创新的作用，本次研究我综合了各资料的加工工序，从而自己想出了2套加工方案用以达到本次研究的目的。五、设计方案比较方案一：工序一 粗、精镗、阶梯孔工序二、精铣前端面工序三 粗、精铣后端面工序四 粗、精铣左端面工序五 粗、精铣右端面工序六 粗、精铣主轴导轨面工序七 粗钳工。去除锐边毛刺工序八 检验方案二：工序一、精铣前端面工序二、精铣左端面工序三、精铣右端面工序四 粗、精铣后端面工序五 粗、精铣主轴导轨面工序六 粗、精铣主轴导轨面工序四 粗、精镗、阶梯孔工序七 粗钳工。去除锐边毛刺工序八 检验第二条工艺路线不同于第一条工艺路线的是把粗、精镗、阶梯孔的工序放到铣各端面工序的后面，分析发现第一种方案不符合先加工孔的原则。当零件上有较大的平面可作为定位基准时，可先加工出来作为定位面，以面定位，加工孔。这样可以保证定位稳定、准确，装夹工件往往也比较方便。而且在毛培面上钻孔，容易使钻头引偏，若该平面需要加工，则应该在加工孔之前先加工平面。而且先加工孔的话，孔的锐边毛刺会影响加工主轴导轨面工序时的装夹，从而影响主轴导轨面的加工。 因此从效率和保证精度这两个前提下，发现第二个方案比较合理。所以我决定以第二个方案进行生产。六、毕业设计提纲一、对零件进行工艺分析，画零件图 （一）分析零件的作用 （二）零件的工艺分析（三）分析零件的材质、热处理二、工艺规程设计（一）确定毛坯的制造形式（二）基准面的选择（三）制定工艺路线（四）、机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定：（五）确定切削用量及基本工时三、夹具设计一、问题的提出二、夹具设计（一）确定设计方案（二）选择定位元件（三）计算所需要的夹紧力（四）画夹具装配图四、 编写说明书六、进度安排序号任务名称时间1毕业设计开题报告第七学期第八周第十三周2主要设计工作，包括草图、结构设计及工程图等第七学期第十四周第十九周3中期检查第八学期第三周4上交初稿（包括图纸、说明书、外文资料），老师审阅初稿，提出修改意见。第八学期第六周末5交终稿（上交所有资料的纸质和电子版）第八学期第十一周6答辩第八学期 第十二周第十三周(2012.5.26日前)七、参考文献 1 陈斯炮龙门五面体加工中心关键部件的动力学分析研究D 广州： 广东工业大学硕士学位论文，2009.62 刘士玉，五轴联动龙门加工中心现状与发展策略(沈阳机床集团市场 统筹本部），辽宁沈阳110143 杨黎明主编.机床夹具设计手册.北京：国防工业出版社，1996.5 4 王先逹.机械制造工艺学.北京：机械工业出版社5 曹霞 尹飞鸿， 立式加工中心动态分析与结构优选 6 王延甲，飞速发展中的国产龙门机床7 吴筱坚 机床 固定结合面 的一种建模 方法 J 机械科学与技术 ， 2002 21(3)：439448民.机械制造工艺设计简明手册.北京：机械工业出版社，19959艾 兴，肖诗纲.切削用量简明手册. 北京：机械工业出版社，1994.7 10传林，李锻能龙门式机床横梁的结构设计研究J机电工程技术，2006，35（3）：45-4711 胡凤兰.互换性与技术测量基础. 北京：高等教育出版社，2005.812马新旭,
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