【終稿全套】基于三維的柴油機氣缸體三面鉆削組合機床總體及夾具設計【12張CAD圖紙+文檔】

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外文資料名稱： Robustness Evaluation of a Miniaturized Machine Tool (用外文寫) 外文資料出處：Proceedings of DETC99:25th Design Automation Conference September 12-25,1999 in Las Vegas,Nevada 附 件： 1.外文資料翻譯譯文 2.外文原文 指導教師評語： 簽名： 年 月 日 第 6卷 第 2期 2006年 4月 雞 西 大 學 學 報 JOURNAL OF J IX IUN IVERSITY Vol. 6 No. 2 Ap r. 2006 作 者 簡 介 :邱 躍 勇 ,助 理 工 程 師 ,雞 西 礦 業(yè) 集 團 安 裝 工 程 公 司 ,黑 龍 江 雞 西 。 郵 政 編 碼 : 158100 文 章 編 號 : 1672 - 6758 (2006) 02 - 0059 - 2 專 用 銑 削 組 合 機 床 的 設 計 邱 躍 勇 摘 要 :介 紹 了 專 用 銑 削 組 合 機 床 設 計 的 全 過 程 及 一 些 注 意 事 項 。 關(guān) 鍵 詞 :機 床 工 藝 方 案 ;被 加 工 零 件 工 序 圖 ;加 工 示 意 圖 ;機 床 總 圖 中 圖 分 類 號 : TG54 文 獻 標 識 碼 : A 銑 削 組 合 機 床 是 具 有 多 種 配 置 型 式 的 通 用 化 、 系 列 化 機 床 ,是 根 據(jù) 被 加 工 零 件 的 要 求 合 理 地 選 擇 機 床 型 式 、 規(guī) 格 與 精 度 等 級 ,合 理 地 選 用 通 用 部 件 ,組 成 符 合 要 求 的 機 床 。 1 機 床 工 藝 方 案 機 床 工 藝 方 案 的 制 定 是 銑 削 組 合 機 床 設 計 最 重 要 的 一 步 ,它 決 定 機 床 是 否 能 夠 在 經(jīng) 濟 合 理 的 條 件 下 滿 足 被 加 工 零 件 生 產(chǎn) 率 和 加 工 精 度 的 要 求 ,是 機 床 設 計 能 否 成 功 的 關(guān) 鍵 。 111被 加 工 零 件 在 本 機 床 上 完 成 的 工 序 及 加 工 精 度 是 制 訂 機 床 工 藝 方 案 的 依 據(jù) ,首 先 要 分 析 其 加 工 精 度 和 技 術(shù) 要 求 ,了 解 現(xiàn) 場 工 藝 、 保 證 精 度 的 措 施 以 及 存 在 的 問 題 。 對 于 精 加 工 機 床 還 要 適 當 考 慮 機 床 精 度 儲 備 量 。 112本 工 序 的 加 工 精 度 直 接 受 前 一 工 序 加 工 精 度 的 影 響 。 前 一 工 序 加 工 的 表 面 平 面 度 會 影 響 本 工 序 切 削 深 度 的 變 化 ,因 而 產(chǎn) 生 切 削 力 的 變 化 。 切 削 刀 片 在 切 削 過 程 中 ,隨 著 切 削 深 度 的 變 化 ,在 加 工 表 面 產(chǎn) 生 上 下 移 動 ,會 影 響 加 工 表 面 的 平 面 度 。 113被 加 工 零 件 的 材 料 和 硬 度 、 鑄 件 或 鍛 件 質(zhì) 量 、 零 件 結(jié) 構(gòu) 特 點 與 結(jié) 構(gòu) 剛 性 、 工 藝 基 面 的 精 度 以 及 前 一 工 序 的 定 位 基 準 和 夾 壓 位 置 等 直 接 影 響 機 床 加 工 精 度 。 若 刀 具 切 入 或 切 出 邊 為 非 加 工 面 ,鑄 造 或 鍛 造 質(zhì) 量 較 差 ,有 硬 點 或 夾 砂 等 ,會 直 接 影 響 刀 具 壽 命 。 若 被 加 工 零 件 結(jié) 構(gòu) 剛 性 較 差 ,不 僅 會 產(chǎn) 生 夾 壓 變 形 ,而 且 當 切 削 力 較 大 時 ,還 會 產(chǎn) 生 切 削 振 動 。 本 工 序 精 銑 的 工 藝 基 準 及 夾 壓 位 置 最 好 與 前 一 工 序 半 精 銑 的 工 藝 基 準 及 夾 壓 位 置 相 同 。 本 工 序 的 工 藝 基 準 面 的 平 面 度 也 很 重 要 。 114被 加 工 零 件 的 生 產(chǎn) 批 量 將 直 接 影 響 切 削 用 量 、 刀 具 材 料 、 機 床 配 置 型 式 等 的 選 擇 。 如 果 是 小 批 、 單 件 生 產(chǎn) ,機 床 需 要 經(jīng) 常 改 變 切 削 速 度 ,就 要 選 用 手 柄 變 速 銑 削 頭 。 為 了 適 應 不 同 寬 度 零 件 的 需 要 ,銑 削 頭 還 要 在 床 身 上 前 后 移 動 。 中 批 生 產(chǎn) 的 粗 加 工 和 半 精 加 工 以 及 精 度 要 求 不 很 高 的 半 精 加 工 和 精 加 工 工 序 ,可 以 采 用 雙 軸 銑 削 頭 ,使 機 床 一 次 進 給 完 成 二 個 工 序 的 加 工 ;或 者 采 用 二 次 進 刀 的 方 法 ,也 就 是 采 用 單 軸 銑 削 頭 , 在 粗 加 工 之 后 ,主 軸 滑 套 前 調(diào) ,使 刀 具 到 達 第 二 次 切 削 的 尺 寸 ,進 行 半 精 加 工 。 2 被 加 工 零 件 工 序 圖 被 加 工 零 件 工 序 圖 是 根 據(jù) 選 定 的 工 藝 方 案 , 表 示 在 一 臺 機 床 上 或 一 條 自 動 線 上 完 成 的 工 藝 內(nèi) 容 、 加 工 部 位 的 尺 寸 及 精 度 、 工 件 定 位 基 準 、 夾 壓 部 位 、 被 加 工 零 件 的 材 料 、 硬 度 和 重 量 以 及 前 一 工 序 的 尺 寸 和 精 度 。 它 是 在 原 有 工 件 圖 的 基 礎(chǔ) 上 , 以 突 出 本 機 床 的 加 工 內(nèi) 容 ,加 上 必 要 的 說 明 繪 制 的 ,是 機 床 設 計 的 依 據(jù) ,也 是 機 床 調(diào) 整 及 精 度 檢 驗 的 重 要 技 術(shù) 文 件 。 3 加 工 示 意 圖 根 據(jù) 機 床 工 藝 方 案 及 工 序 圖 ,繪 制 加 工 示 意 圖 是 機 床 總 體 設 計 中 的 重 要 組 成 部 分 。 加 工 示 意 圖 主 要 包 括 以 下 內(nèi) 容 。 311 加 工 余 量 。 粗 銑 平 面 余 量 ,主 要 取 決 于 鑄 造 質(zhì) 量 和 鍛 造 質(zhì) 量 。 一 般 情 況 下 由 于 刀 具 強 度 的 限 制 ,最 大 切 削 深 度 為 6 8mm。 粗 銑 平 面 的 最 小 切 削 深 度 , 也 要 大 于 鑄 件 或 鍛 件 表 皮 硬 化 層 或 者 砂 粒 層 ,否 則 會 使 刀 具 嚴 重 磨 損 ,甚 至 損 壞 。 精 加 工 余 量 ,是 根 據(jù) 工 序 加 工 精 度 要 求 以 及 前 一 加 工 精 度 來 決 定 的 。 但 是 一 般 情 況 下 最 小 切 95 削 余 量 不 能 小 于 0. 2mm。 具 體 切 削 用 量 的 選 擇 參 考 組 合 機 床 設 計 手 冊 中 的 表 2 - 16。 312 機 床 工 作 進 給 量 。 機 床 工 作 進 給 速 度 是 由 被 加 工 零 件 的 年 產(chǎn) 量 來 決 定 的 。 年 產(chǎn) 量 以 及 每 日 幾 班 制 生 產(chǎn) 等 是 機 床 任 務 書 規(guī) 定 的 。 機 床 工 作 進 給 速 度 是 決 定 機 床 結(jié) 構(gòu) 性 能 的 重 要 因 素 。 主 切 削 功 率 和 進 給 電 動 機 功 率 與 機 床 工 作 進 給 速 度 成 正 比 。 刀 盤 結(jié) 構(gòu) 、 刀 片 材 質(zhì) 等 也 與 機 床 工 作 進 給 速 度 有 關(guān) 。 例 如 粗 銑 平 面 , 當 機 床 工 作 進 給 速 度 在 1600mm /m in以 上 時 ,一 般 要 采 用 密 齒 刀 盤 ;由 于 受 到 刀 齒 強 度 及 每 個 刀 齒 進 刀 量 的 限 制 ,往 往 還 要 提 高 主 軸 轉(zhuǎn) 速 ,增 加 切 削 深 度 。 此 時 為 了 保 證 刀 具 有 足 夠 的 耐 用 度 ,必 須 選 用 適 用 于 高 速 切 削 的 刀 片 。 313 刀 盤 直 徑 及 刀 盤 與 工 件 加 工 面 的 相 對 位 置 。 一 般 情 況 下 ,推 薦 銑 刀 盤 直 徑 與 被 加 工 零 件 加 工 面 寬 度 的 關(guān) 系 如 下 : B = 0. 8D 式 中 : B 被 加 工 零 件 加 工 面 寬 度 mm D 銑 刀 盤 直 徑 mm 314 其 余 切 削 參 數(shù) 的 確 定 。 每 齒 進 給 量 Sz ,對 于 平 面 粗 銑 ,以 刀 齒 所 能 承 受 的 切 削 力 來 選 擇 :一 般 Sz 0. 3 0. 5mm /齒 。 對 于 精 加 工 ,應 該 是 越 小 越 好 ,但 是 一 般 大 于 0. 04 0. 06mm /齒 。 否 則 當 切 削 刃 磨 損 時 ,由 于 每 齒 進 給 量 過 小 ,會 產(chǎn) 生 擠 削 從 而 加 劇 切 削 刃 的 磨 損 。 機 床 工 作 進 給 速 度 S工 是 由 機 床 生 產(chǎn) 率 給 定 的 ,每 齒 進 給 量 Sz 根 據(jù) 粗 、 精 加 工 也 可 以 初 步 選 定 ,根 據(jù) 下 面 公 式 選 擇 并 記 算 刀 盤 齒 數(shù) Z、 刀 盤 每 轉(zhuǎn) 進 給 量 Sr ,主 軸 轉(zhuǎn) 速 n,以 及 切 削 速 度 V: Sr = Sz Z mm /m in S工 = Sr n mm /m in V = n D 10 - 3 m /m in 硬 質(zhì) 合 金 刀 片 一 般 100 m /m in。 含 有 碳 化 鈦 等 新 牌 號 的 硬 質(zhì) 合 金 刀 片 的 切 削 速 度 可 達 到 250m /m in。 金 屬 陶 瓷 刀 片 的 切 削 速 度 可 達 到 400 600 m /m in。 4 機 床 總 圖 是 在 機 床 主 切 削 功 率 、 進 給 功 率 計 算 的 基 礎(chǔ) 上 ,根 據(jù) 被 加 工 零 件 加 工 精 度 要 求 及 機 床 工 藝 方 案 要 求 的 機 床 結(jié) 構(gòu) 型 式 ,選 擇 通 用 部 件 ,繪 制 機 床 總 圖 。 4. 1 主 切 削 功 率 計 算 。 主 切 削 功 率 是 機 床 設 計 的 基 礎(chǔ) ,是 機 床 成 功 與 否 的 關(guān) 鍵 。 N = 0. 735a (V /25. 43 ) 3 /4 KW 式 中 : N 切 削 功 率 馬 力 a 根 據(jù) 刀 具 和 工 件 材 料 確 定 的 系 數(shù) ,見 表 1 V = S工 t B mm3 /m in S工 機 床 每 分 鐘 工 作 進 給 量 mm / m in t 切 削 深 度 mm B 切 削 表 面 寬 度 mm 表 1 刀 具 材 質(zhì) 工 件 材 質(zhì) HB硬 度 最 小 最 大 平 均 值 硬 質(zhì) 合 金 合 金 鋼 200 1. 50 2. 50 2. 00 灰 鑄 鐵 190 0. 50 1. 00 0. 75 鋁 合 金 0. 50 1. 00 0. 75 平 面 精 銑 機 床 一 般 不 按 切 削 功 率 選 擇 動 力 部 件 ,主 要 是 以 提 高 切 削 平 穩(wěn) 性 ,保 證 加 工 精 度 為 重 點 。 平 面 粗 銑 機 床 切 削 功 率 計 算 中 值 的 選 擇 一 般 以 最 大 值 為 準 。 實 驗 證 明 ,切 削 刃 磨 損 到 接 近 不 能 再 繼 續(xù) 切 削 時 的 切 削 功 率 比 切 削 刃 剛 剛 刃 磨 時 的 切 削 功 率 幾 乎 增 加 1倍 。 4. 2 進 給 功 率 計 算 。 對 于 液 壓 動 力 頭 就 是 進 給 油 泵 所 消 耗 的 功 率 一 般 為 0. 8 - 2千 瓦 。 4. 3 動 力 部 件 的 選 擇 。 41311 銑 削 頭 的 選 擇 。 根 據(jù) 計 算 的 主 切 削 功 率 以 及 刀 盤 直 徑 選 擇 銑 削 頭 規(guī) 格 。 一 般 情 況 下 銑 削 頭 寬 度 比 刀 盤 直 徑 大 一 個 規(guī) 格 ,這 樣 可 以 保 持 平 面 銑 削 的 平 穩(wěn) 性 。 但 是 必 須 使 所 選 擇 的 銑 削 頭 的 功 率 大 于 計 算 的 切 削 功 率 。 必 須 注 意 被 加 工 零 件 的 特 點 ,如 果 鑄 造 或 者 鍛 造 質(zhì) 量 較 差 ,選 擇 銑 削 頭 的 功 率 時 要 有 足 夠 的 功 率 儲 備 。 41312 銑 削 工 作 臺 的 選 擇 。 以 被 加 工 零 件 的 寬 度 來 選 擇 工 作 臺 的 寬 度 , 也 就 是 被 加 工 零 件 的 加 工 面 最 好 與 工 作 臺 導 軌 寬 度 相 當 ,可 以 保 證 較 好 的 銑 削 平 穩(wěn) 性 。 (下 轉(zhuǎn) 72頁 ) 06 第 2期 雞 西 大 學 學 報 2006年 同 時 也 確 保 了 機 組 安 全 穩(wěn) 定 運 行 ,杜 絕 了 因 漏 油 而 停 機 的 現(xiàn) 象 。 通 過 “ 運 行 分 析 日 志 ” 記 載 可 統(tǒng) 計 出 : 1#汽 輪 機 大 修 前 ,日 耗 油 (油 箱 油 位 50116mm ,大 修 后 日 耗 油 26mm。 油 箱 每 45mm為 180kg,汽 輪 機 油 則 月 可 節(jié) 約 9616kg。 年 可 節(jié) 約 1160kg,每 噸 汽 輪 機 油 7000元 ,則 由 于 節(jié) 省 汽 輪 機 油 年 可 節(jié) 資 8120 元 。 同 時 由 于 油 中 水 分 雜 質(zhì) 減 少 ,機 組 濾 油 時 間 減 少 ,每 年 油 水 分 濾 機 甩 水 消 耗 電 能 1440kw. h, 改 造 后 可 節(jié) 電 1000kw. h,每 度 電 013265元 計 算 , 可 節(jié) 約 資 金 32615元 。 由 于 軸 承 油 檔 漏 泄 情 況 杜 絕 了 ,則 減 少 了 停 機 次 數(shù) ,處 理 油 檔 漏 油 停 機 一 次 ,因 為 汽 輪 機 暖 管 ,蒸 汽 管 道 暖 管 ,各 種 輔 機 起 動 運 行 消 耗 電 能 和 浪 費 新 蒸 汽 ,花 費 資 金 大 約 在 6000元 左 右 ,據(jù) 03 年 統(tǒng) 計 ,處 理 軸 承 油 檔 漏 油 停 機 4次 ,費 用 24000 元 。 由 以 上 分 析 ,軸 承 油 檔 改 造 后 可 節(jié) 約 資 金 3244615元 /年 。 軸 承 油 擋 改 造 投 資 13萬 元 ,則 4 年 可 收 回 成 本 。 1#汽 輪 機 組 高 低 壓 軸 封 ,軸 承 油 檔 改 造 共 投 資 4115萬 元 ,綜 合 起 來 ,不 到 九 個 月 便 可 收 回 成 本 。 Transformation of Axis Seal and O il Files of N 25 - 35 - 1 Gas Turbine L iu Zhenp ing Abstract: Profiting from the advanced design theory and the structure analysis this article elaborated the transformation feasibility and the econom ic efficiency. Key W ords: gas turbine; leak gas; leak oil; renewal and transformation C la ss Num ber: TM62113 D ocum en tM ark:A (上 接 60頁 ) 銑 削 工 作 臺 的 臺 面 長 度 是 由 被 加 工 零 件 長 度 與 夾 具 來 決 定 的 。 銑 削 工 作 臺 的 行 程 取 決 于 被 加 工 表 面 的 長 度 和 刀 盤 直 徑 以 及 刀 具 切 入 和 切 出 工 件 距 離 的 需 要 ,工 作 進 給 行 程 等 于 加 工 表 面 長 度 、 刀 盤 直 徑 與 切 入 和 切 出 長 度 之 和 : C =L + b1 +D + b2 切 入 長 度 b1與 切 出 長 度 b2取 決 于 裝 卸 被 加 工 零 件 的 方 便 性 。 可 以 根 據(jù) 工 作 臺 寬 度 、 臺 面 長 度 及 工 作 進 給 長 度 選 擇 銑 削 工 作 臺 。 4. 4 銑 刀 盤 的 選 用 及 設 計 。 銑 刀 盤 的 選 用 及 設 計 是 機 床 能 否 完 成 加 工 工 藝 要 求 的 關(guān) 鍵 。 41411 根 據(jù) 被 加 工 零 件 選 擇 刀 盤 直 徑 。 按 B = 0. 8D 計 算 并 選 標 準 值 。 41412 根 據(jù) 切 削 速 度 、 生 產(chǎn) 批 量 及 刀 具 耐 用 度 選 擇 刀 片 材 質(zhì) 。 41413 刀 盤 齒 數(shù) 可 根 據(jù) 機 床 工 作 進 給 速 度 、 加 工 精 度 等 因 素 選 擇 ,采 用 疏 齒 、 一 般 齒 或 者 密 齒 刀 盤 。 41414 高 效 精 密 加 工 往 往 選 用 帶 寬 刃 修 光 齒 的 刀 盤 。 但 是 要 注 意 ,寬 刃 切 削 時 隨 著 切 削 刃 的 逐 漸 磨 損 ,切 削 的 軸 向 抗 力 也 增 加 。 因 此 必 須 增 加 刀 片 夾 緊 剛 性 ,或 者 采 用 切 削 性 能 好 、 耐 磨 性 高 的 刀 片 。 應 注 意 到 在 機 床 系 統(tǒng) 剛 性 中 刀 具 的 剛 性 幾 乎 是 最 弱 的 一 個 環(huán) 節(jié) 。 4. 5 夾 具 設 計 。 被 加 工 零 件 的 剛 性 ,往 往 也 是 比 較 薄 弱 的 環(huán) 節(jié) ,特 別 是 一 些 薄 殼 形 零 件 ,很 難 適 應 大 走 刀 強 力 銑 削 的 要 求 。 隨 著 工 業(yè) 的 發(fā) 展 ,被 加 工 零 件 的 生 產(chǎn) 率 和 加 工 精 度 也 在 相 應 提 高 ,因 此 夾 具 的 設 計 也 就 越 顯 重 要 ,因 為 夾 壓 變 形 以 及 銑 削 力 引 起 的 變 形 直 接 影 響 加 工 精 度 。 對 此 ,往 往 需 要 對 工 件 容 易 變 形 的 部 位 采 取 在 夾 具 上 增 加 輔 助 支 承 等 措 施 。 The Design of SpecialM illing Compounding Tool Q iu Yueyong Abstract: The article introduced the whole p rocess and some p roceeding about special m illing compoun2 ding tool. Key W ords: technical scheme of machine tool; working p rocedure of machined parts; machining sketch chart; general figure of machine tool C la ss Num ber: TG54 D ocum en tM ark:A 27 第 2期 雞 西 大 學 學 報 2006年 拖拉機行業(yè)組合機床及其生產(chǎn)線的柔性化 471004 中國一拖集團有限公司 李明 摘要 介紹了國內(nèi)外組合機床及其生產(chǎn)線柔性化發(fā)展的特點 ,及目前國內(nèi)拖拉機生產(chǎn)企業(yè)實 現(xiàn)組合機床生產(chǎn)線柔性化應解決的關(guān)鍵問題。 Abstract The features and trends of building - block machines and flexible production lines consisting of those machines both in China and oversease are presented. Also discussed are the critical issues for flexible production line consisting of building - block machines used in China tractor manufacturers. 關(guān)鍵詞 :組合機床 柔性化 拖拉機 1 對組合機床生產(chǎn)線柔性化的需求 對拖拉機行業(yè)來講 ,在成功地解決了大批量生 產(chǎn)的問題之后 ,還必須解決多品種生產(chǎn)問題。大批 量生產(chǎn)采用的設備是組合機床及其自動線 ,它是專 用于大批量機械產(chǎn)品生產(chǎn)的高效自動化設備 ,是汽 車、拖拉機、內(nèi)燃機等工業(yè)不可替代的主要加工設 備。近年來隨著數(shù)控技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)等 的發(fā)展 ,為適應市場要求 ,組合機床的機械結(jié)構(gòu)和控 制系統(tǒng)也發(fā)生了巨大的變化。其主要特點就是在傳 統(tǒng)的剛性組合機床生產(chǎn)線上出現(xiàn)了柔性化的發(fā)展趨 勢。 為適應 20 世紀 90 年代以來拖拉機行業(yè)市場競 爭更趨激烈、產(chǎn)品市場壽命進一步降低、新產(chǎn)品的開 發(fā)周期日益縮短的要求 ,我公司在上新產(chǎn)品的決策 中 ,就決定研制具有柔性的組合機床生產(chǎn)線。例如 , 目前我公司正在進行中等功率拖拉機批量生產(chǎn)的生 產(chǎn)準備工作 ,其后橋殼體和傳動箱殼體是關(guān)鍵零件。 如何使后橋殼體生產(chǎn)線和傳動箱殼體生產(chǎn)線具有較 大的柔性 ,使其不但可加工現(xiàn)有品種 ,而且還適應未 來新型中等功率拖拉機的生產(chǎn) ,是生產(chǎn)線方案論證 的焦點。若采用傳統(tǒng)的剛性組合機床生產(chǎn)線來加 工 ,則只能是一個品種一條線 ,不但會加大投資、浪 費資源、使加工能力過剩 ,而且無法滿足新的變型產(chǎn) 品出現(xiàn)時對加工設備的要求。而采用加工中心和通 用數(shù)控機床所組成的生產(chǎn)線 ,則投資大且無法滿足 大批量的生產(chǎn)綱領(lǐng)要求。采用數(shù)控組合機床生產(chǎn) 線 ,投資少、柔性好。它不但能滿足現(xiàn)有品種的加工 制造并可為新的變型品種的加工留有余地 ,可通過 更換主軸箱、改變數(shù)控加工程序等方式 ,來滿足變型 產(chǎn)品的加工。 2 組合機床生產(chǎn)線柔性化的特點 2. 1 數(shù)控化 數(shù)控組合機床的出現(xiàn) ,不僅完全改變了過去那 種由繼電器電路組成的組合機床的控制系統(tǒng) ,而且 也使組合機床機械結(jié)構(gòu)乃至通用部件標準發(fā)生了或 正在發(fā)生著巨大的變化。組合機床及其自動線的數(shù) 控化 ,使得傳統(tǒng)的專用機床和通用機床的界限變得 紋出現(xiàn)率由過去的 80 %左右下降到 1 %甚至更低 , 基本上消除了履帶板早期磨損現(xiàn)象 ,提高了履帶板 與履帶銷的使用壽命 ,由過去的 1 500 h 左右提高至 2 000 h 以上。 3 結(jié)論 以莫萊石砂代替石英砂生產(chǎn)履帶板砂芯可提高 砂芯的高溫強度 ,提高抗高溫開裂性 ,消除履帶板銷 孔脈紋鑄造缺陷 ,從而解決了履帶板與履帶銷早期 磨損問題 ,大大提高了履帶板與履帶銷的質(zhì)量與使 用壽命。 參 考 文 獻 1 Cilson D M. Sand Additives - Past 按其主軸數(shù) ,有單軸 和多軸模塊 ,也有單軸和多軸復合加工模塊。數(shù)控 加工模塊的發(fā)展 ,主要有兩種方式。一是與現(xiàn)有組 合機床通用件相對應 ,設計數(shù)控通用件 ,目前國內(nèi)已 有企業(yè)正在研制數(shù)控一維滑臺、數(shù)控二維 (十字 ) 滑 臺、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺等 ,都屬于這種方式。二是根據(jù) 數(shù)控加工的特點 ,研制數(shù)控組合機床所獨有的部件 , 如自動更換式多軸主軸箱、數(shù)控回轉(zhuǎn)刀庫、數(shù)控換刀 機械手、數(shù)控換箱機械手等。 2. 3 高速化 由于高速加工可大大降低零件表面粗糙度 、切 削力及切削溫度 ,提高生產(chǎn)效率 ,故機床的高速化研 究方興未艾 ,特別是數(shù)控機床的主運動和進給運動 速度已達到了驚人的高速。如美國生產(chǎn)的加工中 心 ,主軸轉(zhuǎn)速可達 15 000 60 000 r/ min ,工作臺快進 速度高達 90 120 m/ min3 。順應機床高速化的潮 流 ,組合機床的速度也越來越高。例如 ,德國大眾汽 車廠在加工鋁合金缸蓋燃燒室側(cè)面時 ,采用 PCD 銑 刀 ,銑削速度高達 3 075 m/ min ,進給速度達 3 600 mm/ min ;而采用安裝有 CBN 刀片的新穎鏜刀加工灰 鑄鐵時 ,切削速度達 800 m/ min ,進給速度達 1 500 mm/ min2 。 2. 4 精密化 由于機床實現(xiàn)了數(shù)控化 ,因而機床的加工精度 越來越高 ,使一些過去看來難以達到的加工精度 ,今 天也已經(jīng)實現(xiàn)了。例如 ,意大利 Mandelli 公司生產(chǎn) 的 Thunder 500 型加工中心 , x、 y、 z 軸的定位精度均 為 0. 008 mm ,重復定位精度為 0. 003 mm ;B 軸定位 精度 6 ,重復定位精度 3 5 。在數(shù)控組合機床上 ,也 要求提高設備的工序能力系數(shù) ,使加工誤差在 0. 01 mm 以內(nèi) 4 。 2. 5 全防護化 全封閉防護是現(xiàn)在機床的一大特點 ,不論是單 機還是機床生產(chǎn)線。電氣、液壓線路全部采用空中 走線。全封閉防護 ,不但使機床及其生產(chǎn)線外型美 觀 ,而且也提高了機床及生產(chǎn)線的安全性、可靠性和 維修的便利性。 3 實現(xiàn)柔性化應解決的關(guān)鍵問題 顯然 ,采用數(shù)控機床和加工中心來取代剛性組 合機床生產(chǎn)線并實現(xiàn)柔性 ,是不符合我國國情的。 我們認為 ,采用以數(shù)控組合機床為主、并配以經(jīng)濟型 加工中心和經(jīng)濟型數(shù)控機床來組成生產(chǎn)線 ,是目前 國內(nèi)實現(xiàn)生產(chǎn)線柔性化較經(jīng)濟的方案。發(fā)展柔性組 合機床生產(chǎn)線必須解決以下關(guān)鍵問題 : 3. 1 研制數(shù)控組合機床通用部件 與開發(fā)組合機床通用部件類似 ,研制數(shù)控組合 機床必須發(fā)展數(shù)控組合機床通用部件。從目前情況 看 ,主要應開發(fā)一維數(shù)控滑臺、二維十字數(shù)控滑臺等 基礎(chǔ)部件。同時應開發(fā)采用交流伺服電機或步進電 機驅(qū)動、數(shù)控方式可分別為閉環(huán)、半閉環(huán)和開環(huán)的數(shù) 控滑臺。數(shù)控滑臺的導軌面及壓板滑動面可粘貼工 業(yè)塑料導軌板。工業(yè)塑料導軌板的摩擦系數(shù)很小 , 可以使數(shù)控滑臺運動輕快、振動小、噪聲低 ,并能防 止低速爬行。另外 ,由于它具有較好的耐磨性 ,因此 可以延長導軌的壽命。一維、二維數(shù)控滑臺的傳動 絲杠均采用雙螺母滾珠絲杠 ,以消除雙向傳動間隙 , 提高數(shù)控滑臺的傳動精度。 在拖拉機等大批量生產(chǎn)行業(yè) ,有大量的銑削工 33 拖拉機與農(nóng)用運輸車 序 ,而推廣采用大走刀、強力高效平面銑削技術(shù)是目 前我國縮短生產(chǎn)線節(jié)拍、減少設備投資、提高生產(chǎn)效 率的必由之路。目前 ,國內(nèi)平面銑削速度較低 ,特別 是對于粗銑而言 ,由于毛坯質(zhì)量不穩(wěn)定 ,切削余量 大 ,其進給速度一般低于 400 mm/ min。以我公司為 例 ,為滿足年產(chǎn) 4 萬臺柴油機的目標 ,缸體生產(chǎn)線粗 銑平面的進給速度必須達到 600 mm/ min 以上 ,切削 功率高達 40 kW。目前國內(nèi)銑削頭的最大功率為 30 kW ,遠遠不能滿足要求。因此 ,開發(fā) 45 kW 大功率 銑削頭和高速進給數(shù)控銑削滑臺是當務之急。 大功率可調(diào)速組合銑床是目前國內(nèi)諸多廠家競 相研制的產(chǎn)品 ,我們已開發(fā)出 45 kW 大功率滑座式 銑頭。該銑頭既可用于組合銑床 ,又可用于數(shù)控組 合銑床。與傳統(tǒng)銑頭相比 ,該銑頭有兩個顯著特點 : 一是銑頭轉(zhuǎn)速可無級調(diào)節(jié) ,這是因為它可采用變頻 器來實現(xiàn)電機的調(diào)速 ;二是它具有銑頭軸向進給運 動。它與數(shù)控回轉(zhuǎn)臺組合 ,可完成對零件的多面加 工。該銑頭的開發(fā)成功 ,不僅為組合銑床添加了新 成員 ,也為數(shù)控組合機床增添了新的通用部件。 3. 2 研制經(jīng)濟型加工中心 經(jīng)濟型加工中心是價格相對低廉 ,可完成鉆、 鏜、銑、鉸等多種工序的自動化機床。加工中心是工 藝范圍廣泛、自動化程度高、加工精度高的高科技現(xiàn) 代化設備 ,可在一次裝夾工件后完成多道工序加工 , 因此是實現(xiàn)中小批量生產(chǎn)的高效加工設備。由于加 工中心是集機、電、液、儀等技術(shù)于一身的高科技設 備 ,因此 ,目前國內(nèi)外市場上加工中心的售價均很 高。而對我公司來講 ,希望加工中心既保持有加工 范圍廣、柔性大、自動化程度高的特點 ,同時不追求 過高的加工精度 ,滿足一般零件的加工精度要求即 可 ,以降低價格。 我們承擔的經(jīng)濟型加工中心的總體方案設計已 經(jīng)完成。加工中心的刀具旋轉(zhuǎn)、刀具的上下運動、工 作臺的雙向運動等四軸實現(xiàn)數(shù)字控制 ,刀具的上下 運動及工作臺的雙向運動實現(xiàn)三軸聯(lián)動。擬采用可 存儲 10 把刀具的回轉(zhuǎn)盤式刀庫。其主軸轉(zhuǎn)速范圍 為 30 3 000 r/ min ,通過變頻實現(xiàn)無級變速。三向 工作進給速度為 10 1 000 mm/ min 。三向?qū)к壘?采用直線滾動導軌 ,其 x、 y 雙向十字工作臺的設計 工作也已完成。 3. 3 普通機床的數(shù)控改造 對普通機床進行數(shù)控化改造 ,將其應用于組合 機床生產(chǎn)線 ,無疑是提高其柔性且降低成本的有效 方法之一。我公司就成功地將車床和銑床數(shù)控改造 后應用于生產(chǎn)線上。我們對 C620 - 1 普通車床進行 的數(shù)控改造 ,采用了以單片機為核心的兩坐標聯(lián)動 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng) ,步進電機 ,開環(huán)控制 ,能進行內(nèi)外 圓柱面、圓錐面、圓柱螺紋、圓錐螺紋等加工。機床 主軸的啟動、停止、變速 ,縱向、橫向進給運動的行程 和速度 ,刀具的更換等均可進行自動控制。改造后 該機床用于加工拖拉機轉(zhuǎn)向油缸整體式活塞桿 ,可 自動完成零件徑向和軸向尺寸的精確控制 ,生產(chǎn)效 率可提高數(shù)倍。 我們還對原匈亞利 VF2222 銑床進行改造 ,用于 加工菲亞特輪式拖拉機錐支座零件的結(jié)合面及 4 個 凸臺平面。因錐支座結(jié)合面為一八邊形平面 ,且受 零件結(jié)構(gòu)限制 ,無法實現(xiàn)用大銑刀覆蓋整個平面進 行銑削 ,故采用小銑刀沿多邊形進行周邊銑削。因 VF2222 機床無法實現(xiàn)工作臺 x、 y 兩方向同時走刀 , 故在進行斜邊切削時 ,工人需手工操作 ,從而使加工 一個錐支座零件長達 48 min ,使該工序成為錐支座 生產(chǎn)線上的瓶頸。且由于工人手工操作 ,其加工質(zhì) 量難以保證。為縮短該工序的加工時間 ,提高零件 的加工精度 ,為該零件下道工序進入加工中心創(chuàng)造 良好的定位基面 ,我們對 VF2222 銑床進行了數(shù)控改 造。該項目采用交流伺服電機、半閉環(huán)控制。根據(jù) 數(shù)控裝置發(fā)來的速度和位移指令 ,控制 x、 y、 z 三方 向執(zhí)行部件的進給速度、方向、位移。各坐標的進給 速度均能在一定的范圍內(nèi)進行調(diào)整 ,操作者可對零 件加工過程進行編程 ,完成對零件的三坐標加工。 改造后的機床加工精度高 ,工作臺的定位精度可達 0. 01 mm。 實踐表明 ,將數(shù)控改造后的普通機床用于組合 機床生產(chǎn)線以提高其柔性 ,是符合我國國情的好方 法。 參 考 文 獻 1 佟璞瑋 . 伴隨汽車工業(yè)發(fā)展的中國機床工業(yè) . 世界制造 技術(shù)與裝備市場 ,1999 , (2) :19 22 2 李如松 . 組合機床和自動線的技術(shù)發(fā)展 . 組合機床與自 動化加工技術(shù) ,1999 , (1) :5 10 3 AMT信息宣傳部 , WMEM編輯部 . 來自 IMTS98 美國國 際制造技術(shù)展覽會的報導 (一 ) . 世界制造技術(shù)與裝備市 場 ,1999 , (1) :5 8 4 李如松 . 組合機床和自動線的技術(shù)發(fā)展 (續(xù) ) . 組合機床 與自動化加工技術(shù) ,1999 , (2) :28 34 5 譚汝謀 . 從 21 屆意大利機床展看意大利機床工業(yè) . 世界 制造技術(shù)與裝備市場 ,1999 , (1) :9 11 (收稿日期 :2000212211) (編輯 胡軍 ) 43 2001 年第 3 期 Design and manufacture of composite high speed machinetool structures Dai Gil Lee *, Jung Do Suh, Hak Sung Kim, Jong Min Kim Abstract The high transfer speed as well as the high cutting speed of machine tools is important for the productivity improvement in thefabrication of molds/dies because non-machining time, called the air-cutting-time, amounts to 70% of total machining time withcomplex shape products. One of the primary reasons for low productivity is large mass of the moving parts of machine tools, whichcannot afford high acceleration and deceleration encountered during operation. Moreover, the vibrations of the machine toolstructure are among the other causes that restrict high speed operations.In this paper, the slides of high speed CNC milling machines were designed with fiber reinforced composite materials toovercome this limitation. The vertical and horizontal slides of a large CNC machine were manufactured by joining high-moduluscarbon-fiber epoxy composite sandwiches to welded steel structures using adhesives and bolts. These composite structures reducedthe weight of the vertical and horizontal slides by 34% and 26%, respectively, and increased damping by 1.5–5.7 times withoutsacrificing the stiffness. Without much tuning, this machine had a positional accuracy of
5 lm per 300 mm of the slidedisplacement. 1. Introduction CNC milling machines and machining centers areemployed in the fabrication of various molds/dies thatare used for electrical appliances, automobile interiors, stamping and injection molding. During normal machiningwith machine tools, their cutting tools aremoved with nominal feed rates, while the feed rates are switched to a rapid traverse mode during the transfer ofcutting tools without contacting workpieces: The timespent to transfer a cutting tool without contactingworkpieces is called air-cutting-time. Generally, onlyabout 30% of the total machining time is spent in theactual cutting or making chips, while the remaining 70%is spent in the air-cutting-time [1,2]. Therefore, not onlyhigh cutting speeds but also high transfer speeds arerequired to obtain the enhanced productivity of machiningwhich is essential to survive in the global competitionof machine tool markets. Although the cuttingspeed has been increased due to newly developed cuttingtool materials such as ceramic, CBN, diamond and soon, productivity is still restricted by the low transferspeed of massive moving frames which are usually madeof steel. Conventional steel moving frames of machinetools operate with maximum speeds of 0.2–0.8 m/s, andmaximum acceleration of 0.2–2.1 m/s2 (ConventionalMachining Center, Mynx400/ACE-TC320D, DaewooHeavy Industries & Machinery Ltd., Korea). However,modern high speed milling machines are required tohave the maximum acceleration of 14 m/s2 and the speedof 2 m/s. These high transfer speeds are hard to be realizedif massive steel moving frames are employed.Furthermore, machine tool structures vibrate creatingproblems during manufacturing at these high speeds,which may result in poor quality products by the relativepositional error between the cutting tools and workpieces[3–5]: Recently machine tools are required to havebeen kept the positional accuracy within
10 lm, whichis closely related to the precision of products [6]. For thehigh speed operation with accuracy, machine toolstructures should be designed with light moving frameswithout sacrificing stiffness and damping properties,which are contradictory requirements if conventionalmetallic materials are employed because conventionalmetals have almost same low specific stiffness (E=q) withlow damping characteristics. Machine tool structureswith high specific stiffness and high damping are requiredto increase their fundamental natural frequenciesand decrease the vibration induced. The requirement ofhigh specific stiffness with high damping for high speedmachine tool structures can be satisfied by employingfiber reinforced polymer composite materials [7,8]. Sincethe fiber reinforced composite materials consist of reinforcingfibers with very high specific stiffness and matrixwith high damping, the resulting material characteristicsof composite materials reflect the best characteristics ofeach material, i.e., high specific stiffness with highdamping. Moreover, sandwich structures whose facestructures are made of fiberreinforced composite materialsand whose core materials are made of honeycombor foam structures maximize their advantages when theyare applied to the structures resisting bending moment.Consequently, sandwich structures and composite materialshave been employed increasingly in spacecrafts,airplanes, automobile parts [9], robot arms [8,10], andeven machine tools [11,12].The deformation of machine tool structures undercutting forces and structural inertia loads during startand stop motions produces not only poor qualityproducts but also noise and vibration. A simple way toreduce the deformation is to employ structures withlarge cross-sections. However, it increases the mass ofmachine tool structures and consequently requires largemotors, bearings and motion guide systems. Therefore,the best way to enhance the stiffness of machine toolstructures without much increase of mass is to employhigh specific stiffness structures such as compositesandwich structures.In this study, the vertical and horizontal machine toolslides of a high speed CNC milling machine were designedand manufactured with sandwich compositestructures that are adhesively bonded to welded steelstructures – a hybrid machine tool structure. The verticalcolumn of the horizontal slide (X-slide) was manufacturedwith composite sandwich structures while thehorizontal column of the vertical slide (Y-slide) wasreinforced with high modulus composite plates. Thehybrid structures were designed to have the equivalentstructural stiffness of conventional steel structures,which was calculated by the classical beam theory andFEM analysis. Then, the natural frequency and dampingcapacity as well as weight savings of the compositehybrid machine tool structures were measured and compared with those of comparable conventional steelmachine tool structures. 2. Design of hybrid machine tool structures 2.1. Characteristics of hybrid beam The bending stiffness D of a simply supported sandwichbeam as shown in Fig. 1 is expressed as followswhen Ef >> Ec and d >> t [13–15]: ( 1) where Ef and Ec represent the Young
s moduli of faceand core, respectively. The deflection D of the simplysupported sandwich beam under a concentrated load P based on the simple beam theory is the sum of D1 due tobending deformation and D2 due to shear deformation[15,16]: where A and Gc represent equivalent cross-section areaand the shear modulus of core material, respectively.Since the sandwich structure has low core shear stiffness,the simple beam theory neglecting shear deformationmay not give an accurate result. Therefore, the calculatedresults of stiffness of sandwich beam specimen werecompared with the measured results obtained by thethree-point bending test shown in Fig. 1 as well as theresults by FEM analysis. The three-point bending testwas performed using Instron 4206 under 1 mm/mindisplacement rate and the FEM analysis was performedwith a commercial software ANSYS 5.5 (USA) usingshell 99 and solid 95 elements. Table 1 shows the dimensionsof sandwich specimens. The sandwich beamspecimens were made of composite faces and honeycombcore. To join the faces and the core, both an adhesivefilm (AF126, 3M, USA) and an epoxy adhesive Fig. 1. Dimensions of the simply supported sandwich beam used forthree-point bending test: (a) longitudinal direction; (b) cross-section ofA–A1. Table 1 Dimensions (mm) of the simply supported sandwich beam under threepointbending test (2216, 3M, USA) was used to prevent delaminationfailure of sandwich structures [17,18]. Unidirectionalcarbon-epoxy composite (USN150, SK Chemical, Korea)and glass fabric composite (GEP215, SK Chemical,Korea) were used for the face material while aramid fiberhoneycomb (HRH-10-1/8-4.0, Hexcel, UK) wasused for the core material. Tables 2 and 3 list theproperties of these materials. The composite faces forthe sandwich specimens were laid up with a stackingsequence of [02;G/010;C/01;G/05;C]S where the subscriptsG and C represent glass-fabric and carbon-epoxy, respectively.Fig. 2 shows the measured deflection as wellas the calculated ones by the beam theory and FEManalysis. Both the beam theory and the FEM analysispredicted the experimental deflection within 8% error.From the above results, it was found that the deflectionof the sandwich beam due to shear was not negligible(three times larger than that due to bending in this case).Therefore, box type hybrid beams with side surfacesreinforced with steel plates as shown in Fig. 3 wereadopted for the hybrid moving frames to reduce theshear deformation of the sandwich beam. For the boxtype beams reinforced with steel plates neglectingwarping, the shear stress sxz;h in the honeycomb and sxz;sin the side steel are related from the geometric compatibilityas follows: where R is the ratio of the shear moduli between the steel(Gxz;s) and honeycomb (Gxz;h). Then, the shear stress inthe honeycomb in Fig. 2.2. Design of light weight composite reinforced machinetool frames Fig. 4 shows the photograph of a high speed CNCmilling machine of 15 kW equipped with 35,000 rpm Fig. 4. Photograph of a high speed milling machine tool structure(F500, Daewoo heavy industries & Machinery Ltd., Korea). In order to develop a lighter hybrid frame, the X-slidesteel base, made of thinner steel plates of 16 mmthickness compared to 20 mm thick steel plates for conventional one, was reinforced with composite sandwichstructure as shown in Figs. 5 and 8. Since the sheardeformation of a simple sandwich structure is usuallylarge, in this study, the hybrid structure was designed asa box type structure as shown in Figs. 8 and 9 whosesides were reinforced with steel plates. The calculatedvalues of RBS from Eq. (7) for the designed box typehybrid structure was larger than 10.4, which meant thatthe deflection due to shear was less than 8.8% of thetotal deflection. Therefore, during the design of thestructure, the flexural rigidity D was used as the objectiveparameter, where Since the reinforcement of the outer face of the movingframes is most effective to increase the flexural rigidityD, the inner face thickness of the sandwich was determinedto be 5 mm considering the joining of the innerfaces of the sandwich beams to the steel base with bolts.