开题报告-立式钻孔组合机床设计

一、选题的背景和意义（所选课题的历史背景、国内外研究现状和发展趋势）课题的历史背景现代社会中，人们为了高效、经济地生产各种高质量产品，日益广泛的使用各种机器、仪器和工具等技术设备与装备。为制造这些技术设备与装备，又必须具备各种加工金属零件的设备，诸如铸造、锻造、焊接、冲压和切削加工设备等。由于机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度，目前主要靠切削加工的方法来达到，特别是形状复杂、精度要求高和表面粗糙度要求小的零件，往往需要在机床上经过几道甚至几十道切削加工工艺才能完成。因此，机床是现代机械制造业中最重要的加工设备。在一般机械制造厂中，机床所担负的加工工作量，约占机械制造总工作量的40%～60%，机床的技术性能直接影响机械产品的质量及其制造的经济性，进而决定着国民经济的发展水平。可以这样说，如果没有机床的发展，如果不具备今天这样品种繁多、结构完善和性能精良的各种机床，现代社会目前所达到的高度物质文明将是不可想象的。国内的研究现状和发展趋势组合机床及其自动线是集机电于一体是综合自动化度较高的制造技术和成套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用与工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电行业。我国的传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型的箱体类和轴类零件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额），完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成型面等。组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台组合机床等；随着技术的不断是进步，一种新型的组合机床——柔性组合机床越来越受人们是亲昧，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器（PLC）、数字控制（NC）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多种加工的可调可变的组合机床。另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机等在组合机床行业中所占份额也越来越大。由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。我国组合机床及其组合机床自动线总体技术水平比发达国家相对落后，国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺、研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，满足用户需要，真正成为刚柔兼备的自动化装备。国内公司所做研究及采用技术由于传统的多轴箱在传动系统自动设计完成之后，传动件之间是否碰撞不够直观，重复设计相似零部件工作量大。浪费大量时间，并且在出现干涉问题时修改每个视图尺寸繁琐易出错。因此，广西工学院李建等人应用三维绘图设计软件开发了专用机床主轴箱三维参数化模型CAD程序，通过对主轴箱中各类零部件进行三维参数化模型图库的建立，在出现问题时能够方便快捷的修改并设计出多轴箱，从而减少设计时间提高组合机床主轴箱的设计水平。[7]郑州轻工业学院李月琴，郭志强等人基于三维建模软件为设计基础，借助高级编程语言VC6.0并根据人工设计专用机床的进程，与此同时将计算机用于处理设计，图形三维参数化建模技术，人工交互界面设计和数据库管理技术为一体进行组合机床总体设计的程序开发，便于设计人员可以从自动及智能技术的立场上即可以应用先进的设计方法，又可以很好的借鉴以往的设计经验，以便于减少组合机床的设计时间，在一定程度上减少了设计人员的反复性劳动。[8]国外的研究现状和发展趋势80年代以来，国外组合机床技术在满足精度和效率要求的基础上，正朝着综合成套和具备柔性的方向发展。组合机床的加工精度、多品种加工的柔性以及机床配置的灵活多样方面均有新的突破性进展，实现了机床工作程序软件化、工序高度集中、高效短节拍和多功能知道监控。（1）广泛应用数控技术国外主要的组合机床生产厂家都有自己的系列化完整的数控组合机床通用部件,在组合机床上不仅一般动力部件应用数控技术,而且夹具的转位或转角、换箱装置的自动分度与定位也都应用数控技术,从而进一步提高了组合机床的工作可靠性和加工精度。广州标致汽车公司由法国雷诺公司购置的缸盖加工生产线,就是由三台自动换箱组合机床组成的,其全部动作均为数控,包括自动上下料的交换工作台、环形主轴箱库、动力部件和夹具的运动,其节拍时间为58秒。(2)发展柔性技术80年代以来,国外对中大批量生产,多品种加工装备采取了一系列的可调、可变、可换措施,使加工装备具有了一定的柔性。如先后发展了转塔动力头、可换主轴箱等组成的组合机床;同时根据加工中心的发展,开发了二坐标、三坐标模块化的加工单元,并以此为基础组成了柔性加工自动线(FTL)。这种结构的变化,既可以实现多品种加工要求的调整变化快速灵敏,又可以使机床配置更加灵活多样。(3)发展综合自动化技术汽车工业的大发展,对自动化制造技术提出了许多新的需求,大批量生产的高效率,要求制造系统不仅能完成一般的机械加工工序,而且能完成零件从毛坯进线到成品下线的全部工序,以及下线后的自动码垛、装箱等。德国大众汽车公司KASSEL变速箱厂1987年投入使用的造价9000万马克的齿轮箱和离合器壳生产线,就是这种综合自动化制造系统的典范。该系统由两条相似对称布置的自动线组成,三班制工作,每条线日产2000件,节拍时间为40秒。全线由12台双面组合机床、18台三坐标加工单元、空架机器人、线两端的毛坯库和三坐标测量机组成,可实现3种零件的加工。空架机器人完成工件下线的码垛装箱工作。随着综合自动化技术的发展,出现了一批专门从事装配、试验、检测、清洗等装备的专业生产厂家,进一步提高了制造系统的配套水平。(4)进一步提高工序集中程度国外为了减少机床数量,节省占地面积,对组合机床这种工序集中程度高的产品,继续采取各种措施,进一步提高工序集中程度。如采用十字滑台、多坐标通用部件、移动主轴箱、双头镗孔车端面头等组成机床或在夹具部位设置刀库,通过换刀加工实现工序集中,从而可最大限度地发挥设备的效能,获取更好的经济效益。国外公司所做研究及采用技术从开发FA、CIM等制造系统转变到积极深入开发单机与环节技术，提高其先进性，可靠性、实用性和性能价格比，力求廉价，切实用于生产，产业经济效果。代表性公司：Cincinnati公司（美国）在廉价SABRE500,700,1250系类立式加工中心后，又开发了廉价的Arrow500，750系列立式加工中心，其中Arrwo机床在1993年EMO上展出。1993年又开发出Lancer系列立式加工中心，其基本型的价格约6.15~9.23万美元。柔性制造系统分五级：数控机床级（NC）、柔性制造单元级（FMC）、柔性制造系统级（FMS）、柔性制造车间或工厂级（FMF）、自动化工厂级（FA）。今年来在多品种、中小批量生产中已成为重要的发展方向。柔性制造可以着眼解决中、小批量生产中存在的生产效率低、周期长、成本高、质量差等一系列问题，这是一种新的生产方式。代表性公司：日本的法纳克公司，五个柔性制造工厂，一个CAD/CAM系统研究所，一个基础技术研究所，它通过网络和公司总部的主计算机联网，使整个公司初步实现全盘自动。[4]加工几十种同族零件的高效柔性自动线。例如一种加工启动电动机支架和发电机端盖的柔性线，该线由十台三坐标加工单元和非同步工件和随行夹具输送系统组成，为环行布局，采用计算机控制程序。本线可加工70种包不同的两族工件，完成工序钻、铰、镗。节拍为9秒，每小时可生产800件。几年来的实际使用表明，本线的开机率（开动率）可达93%。其余7%的时间为更换刀具及更换磨损件的时间，基本上可以长年不停的进行加工。[5]加工多种传动箱体用制造系统。某系统由四条自动线连结而成，线上采用了三坐标加工单元、机器人上下料装置、装箱机床及探测检查装置。可加工11种不同的传动箱体，生产率为每小时200件，据称只要一分钟的时间就能变换加工品种。[6]二、研究的基本内容和拟解决的主要问题研究的基本内容组合机床：采用模块化原理设计的，以通用部件为基础，配以少量专用部件，对一种或者若干种工件按已确定的工序进行加工的高效机床。广泛应用于大批量生产行业，如：汽车、内燃机、电动机、阀门的机械加工生产线上。功能：能对工件进行多刀、多面、多工位同时加工；完成钻孔、扩孔、镗孔、攻丝、铣削、车端面等切削工序哈焊接、热处理、测量、装配、清洗等非切削工序。运动特点：组合机床由机械传动实现刀具的旋转主运动，由机械或液压传动实现刀具或工作台的直线进给运动。机床设计毕业设计，其目的在于通过机床主运动机械变速传动系统的结构设计，使我们在拟定传动和变速的结构方案过程中，得到设计构思、方案的分析、结构工艺性、机械制图、零件计算、编写技术文件和查阅资料等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，培养基本的设计方法，并培养了自己具有初步的结构分析、结构设计和计算能力。拟解决的主要问题在设计的过程中，应尽量采用先进的工艺方案和合理的机床结构方案，正确选择组合机床通用部件及机床布局型式，要十分注意保证加工精度和生产效率的措施以及操作使用方便性，力争设计出技术上先进，经济上合理和工作可靠的组合机床(1)运动设计根据给定的被加工零件，确定机床的切削用量，通过分析比较拟定传动方案和传动系统图，确定传动副的传动比及齿轮的齿数，并计算主轴的实际转速与标准的相对误差。(2)动力设计根据给定的工件，初算传动轴的直径、齿轮的模数；确定动力箱；计算多轴箱尺寸及设计传动路线。完成装配草图后，要验算传动轴的直径，齿轮模数否在允许范围内。还要验算主轴主件的静刚度。(3)结构设计进行主运动传动轴系、变速机构、主轴主件、箱体、润滑与密封等的布置和机构设计。即绘制装配图和零件工作图。(4)编写设计说明书三、研究方法及措施通常可以拟定出几个方案进行分析比较。每个方案包括的内容有：工艺分析、主要技术参数、总布局、传动系统、液压系统、控制操作系统、电系统、主要部件的结构草图、实验结果及技术经济分析等。在制定方案时应注意以下几个方面：当使用和制造出现矛盾时，应先满足使用要求，其次才是尽可能便于制造。要尽量用先进的工艺和创新的结构；设计必须以生产实践和科学实验为依据，凡是未经实践考验的方案，必须经过实验证明可靠后才能用于设计；继承与创造相结合，尽量采用先进工艺，迅速提高生产力，为实现四个现代化服务。注意吸取前人和国外的先进经验，并在此基础上有所创造和发展。通过计算机辅助分析我们大学期间学过ug三维建模，cam等辅助分析软件。通过ug建立三维模型，然后以数字化方式仿真运动确认和优化产品及其开发过程，改善产品质量，同时减少或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建。构建好的三维机床分析好其主运动，和辅助运动。计算出机床主要受力部位的应力，统计部分应力随时间变化而变化的规律，运用cam软件进行分析，选择材料在工作状态下最大的工作应力小于或等于材料的许用应力。理论计算对所加工的零件进行型体分析，通过零件计算出机床的功率，选出转速范围，合适的刀具及合理的加工工艺。这些会在说明书中详细体现。四、研究工作的步骤、进度研究工作的步骤1.调查研究认真阅读被加工零件图样，研究其尺寸、形状、材料、硬度、重量、加工部位的结构及加工精度和表面粗糙度要求等内容。通过对产品装配图样和有关工艺资料的分析,充分认识被加工零件在产品中的地位和作用。同时必须深入到用户现场,对用户原来生产所采用的加工设备、刀具、切削用量、定位基准、夹紧部位和加工质量及精度检验方法、装卸方及装卸时间、加工时间等作全面的调查研究。

深入到组合机床使用和制造单位,全面细致地调查使用单位车间的面积、机床的置、毛坯和在制品流向、工人的技术水平、刀具制造能力、设备维修能力、动力和起重设等条件以及制造单位的技术能力、生产经验和设备状况等条件。

研究分析合同要求,查阅、搜集和分析国内外有关的技术资料,吸取先进的科学持术成就。对于满足合同要求的难点拟采用的新技术、新工艺应要求进行必要的试验,以取流可靠的设计依据。

总之,通过调查研究应为组合机床总体设计提供必要的大量的数据、资料,作好充分的、全面的技术准备

2.总体方案设计

总体方案的设计主要包括制定工艺方案(确定零件在组合机床上完成的工艺内容及加工方法,选择定位基准和夹紧部位,决定工步和刀具种类及其结构形式,选择切削用量等)确定机床配置形式、制订影响机床总体布局和技术性能的主要部件的结构方案。总体方案的拟定是设计组合机床最关键的一步。方案制定得正确与否,将直接影响机床能否达到合同变求,保证加工精度和生产率,并且结构简单、成本较低和使用方便。对于同一加工内容,有各种不同的工艺方案和札床配置方案,在最后决定采用哪种方案时,必须对各种可行的方案作全面分析比较,并考虑使用单位和制造单位等诸方面因素,综合评价,选择最佳方案或较为合理的方案。

总体方案设计的具体工作是编制“三图一卡”,即绘制被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图,编制生产率计算卡。

在设计联系尺寸图过程中,不仅要根据动力计算和功能要求选择各通用部件,往往还应对机床关键的专用部件结构方案有所考虑。例如影响加工精度的较复杂的夹具要画出草图,以确定可行的结构及其主要轮廓尺寸;多轴箱是另一个重要专用部件,也应根据加工孔系的分布范围确定其轮廓尺寸。根据上述确定的通用部件和专用部件结构及加工示意图,即可给制机床总体布局联系尺寸图。

3.技术设计

技术设计就是根据总体设计已经确定的“三图一卡”,设计机床各专用部件正式总图,如设计夹具、多轴箱等装配图以及根据运动部件有关参数和机床循环要求,设计液压和电气控制原理图。设计过程中,应按设计程序作必要的计算和验算等工作,并对第二、三阶段中初定的数据、结构等作相应的调整或修改。

4.工作设计

当技术设计通过审查(有时还须请用户审查)后即可开展工作设计,即绘制各个专用部件的施工图样、编制各部件零件明细表。

五、主要参考文献（其中外文文献不少于2篇）[1]徐旭东、周菊琪主编《现代组合机床技术及其发展》中国机械工程.1995年第6卷第3期[2]佟璞玮主编《组合机床行业概况及今后发展对策》、《组合机床与自动化加工技术》1996年第8期[3]许晓肠主编《专用机床设备设计》重庆大学出版社，2003[4