1、 毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 车床功能部件开发 -动力刀头设计 1 前言部分 （阐明课题的研究背景和意义） 随着机械 加工 技术的发展 ,装备制造、交通运输、 石油化工 、航空航天及国防军工等对高速高精度加工中心的要求显著提高。而 动静态特性 是衡量加工中心质量高低的最重要的 性能指标 之一。因此 ,提高加工中心的动 静 态性能具有重要意义。 为了保证机床具有良好的静动刚度、动态特性、精度保持性及加工工艺性 ， 需要在设计和制造机床的 过程 中 ,对机床进行 系统 的动力学分析 ,以便能迅速准确的发现 限制 机床动态性能提高的薄弱环节 ,快速、灵活地实现动态设计 ,为机床结构设计提
2、供科学合理的依据。 车铣 复合 加工中心的加工过程实际是安装在刀塔上的刀具与工件之间的相对运动过程。工件 -刀具 组成 一个 弹性 系统 ,相当于工件 -刀塔组成一个弹性系统。从加工零件的表面成形过程知道 ,如果车铣复合加工中心在工作时刀具与加工工件沿着预定的轨迹做准确的相对运动 ,则能得到理想的工件轮廓形状 ,否则难以满足要求。刀塔作为弹性系统的 元素 之一 ,它直接影响零件表面成形运动轨迹的准确性 ,因此它的静动态性能将直接影响零件的加工精度、表面质量和机床的生产率。所以 ,研究刀塔结构的静 动态特性和提高刀塔的抗振性和稳定性是必要的也是必需的 。 2 主题部分 （阐明课题的国内外发展现状
3、和发展方向，以及对这些问题的评述） 车床是加工回转体的主要设备，在机械加工领域里发挥着重要作用。据统计，在整个金属切削加工中，车削加工约占 30%;而需切削加工的中小零件中，回转体又占一半以上。因此，车床在金切机床设备中又占很大的比率。 普通车床在车床发展史上起到过主导作用。 70 年代以后由于数控车床迅速发展，普通车床无论在性能效率、适应性和自动化程度化上都无法与之相比，其主导地位逐年下降。我国目前仍然是一个以普通车床生 产为主的国家。一个国家生产车床的数控化率集中反映了一个国家的制造业的技术水平，也代表着一个国家的综合国力。 数控车床的出现，打破了传统车床的分类界线，它除了有普通车床的功能
4、外，还有更多的长处：对工件适应性强；机床利用率高；可以加工形状复杂的零件；自动化程度高，减轻劳动强度；加工精度高、产品质量稳定；可利用复合加工技术，实现一机多能；可发展为高一级的柔性加工系统。另一个推动数控车床普及的原因是： 70 年代机械制造业的产品趋于多样化和产品更新周期缩短。其加工零件具有多品种、小批量、更换频繁的特点。 70 年代中期以数 控车床的车削加工中心研制成功，解决了回转体零件中 70%的零件需要钻铣加工的难题，使工序集中，提高了生产效率和加工精度，并可大大减少在制品、缩短生产周期。此后又在数控车床和车削加工中心上增加了自动上下料装置、卡爪和刀具自动更换装置，自动测量和刀具检测
5、装置，组成了柔性车削单元。柔性车削单元可使小批量生产实现无人看管加工，为柔性加工系统的建立打下了基础。 随着对数控车床需求的增加， 70 年代初世界许多著名的车床制造厂就把资金和技术投入到开发研制数控车床上。如德国的 VDF 公司，日本的大隈工所，苏联的红色无产者工厂等都 把生产重点转移到数控产品上来，到 80 年代产品已完全实现了数控化。 近年来数控车床生产更是得到了突飞猛进的发展，数量和质量上都得到了很大的提高。美国 2003 年生产数控卧式车床 1816 台、消费车床 7304 台，其中数控车床 5428 台，消费车床的台数的数控化率 74.3%日本 2004 年生产车床 26456台，
6、其中数控车床 21485 台，生产车床台数的数控化率 82.1%。消费车床 9742台，其中数控车床 8667 台，消费车床台数的数控化率 89.0%。 我国数控车床发展始于 20 世纪 70 年代，通过 30 余年的发展，我国生产的数控车 床，按中国需求的特点，形成经济型卧式数控车床、普及型数控车床和中高档数控车床三种形式。经济型卧式数控车床普遍采用平床身结构和立轴四工位方刀架，约占数控车床产量的 90%。普及型数控车床生产量不到数控车床产量的10%。中高档数控车床，即车削中心和车铣复合中心，约占数控车床产量的 0.02%。 经济型数控车床，价格低廉，售价仅 10 万元左右，不到普及型数控车
7、床的1/3，设备费用投入较少，可以广泛地满足企业发展初期的需求，特别是受到民营经济企业的欢迎，仍是我国数控车床的主流产品。我国已有十余家企业生产规模达到年产千台以 上。 普及型数控车床，即 2 轴控制的卧式数控车床和立式数控车床，国产产品得到了用户认可，基本可以满足用户需求。 车削中心等 3 轴控制以上的中高档数控车床，国内用户选购的大部分是进口产品或合资、独资企业如大连因待克斯、宁夏小巨人、杭州友佳、上海哈挺等机床有限公司生产的产品，国产机床市场占有率较低。近几年，虽然我国开发了不少中高档数控车床新品种，如具有 Y 轴功能的车削中心、双主轴双刀架车削中心、倒置顺置主轴立式车削单元、车铣复合中
8、心等等，但是，高级型数控车床的重点是进一步开发市场，取得国内用户的广泛认可。“十五”期间 国产数控车床发展很快。从技术上看，数控车床技术比较成熟，通过技术引进和合作生产、消化吸收和自主创新，我国已掌握了数控车床设计和制造技术。从产品水平上看，我国已能自行开发设计各种中高档数控车床，国际上最热门的、水平最高的双主轴、双刀架 9 轴控制车铣复合中心，我国已有多家企业开发试制成功，有的已被国内用户选购和出口国外。从品种上看，我国生产的数控车床品种比较齐全，每年都有 100 多个数控车床新品种，可供各方面用户选用。从生产规模上看，国产经济型数控车床已形成规模生产，有十余家企业生产规模达到千台以上。 但
9、是，我国制 造业和车床制造业总体水平与发达国家相比，还存在着不少差距。一个是数控车床的产量不高，近几年虽然有所提高，但不大。另外一个主要的原因就是数控车床的技术差距。国外数控车床的发展目的在于提高加工精度和缩短制造周期。实现上述目的的手段是实现机床多功能化和工序工种集中化，开发多种多样复合化加工的机种，如增添铣削功能的复合加工车削中心、双主轴多刀塔数控车床和车削中心、双主轴同步驱动，双刀塔同时进行加工车削中心、五轴联动车铣复合中心、车磨复合加工机床、具有车、铣、膛、磨合激光热处理多种功能的高度复合化的复合加工中心等等。 目前车削加工中心和柔性车削单元都是以数控车床为基础的。因此，数控车床技术水
10、平的提高，是车削加工技术发展中最重要的环节。 80 年代随着数控技术、私服技术和外围技术的提高以及三新技术的采用，数控车床的制造技术日趋完善。除机床的整体设计仍保留车削加工工艺的特点外，主要功能部件与普通承认床相比已发生了实质性的变化。 主传动系统采用直流或交流调速电机，主轴转速由电机通过无极调速实现，一般只需三、四对变速齿轮；也有电机直接或通过皮带驱动主轴，不再需要传动齿轮。主轴轴承一般采用成组高精度滚动轴承，使用高级润滑脂润滑，这对 于控制温升，提高精度、转速和降低噪音有良好的效果。 数控车床的刀具系统在 70 年代中期后发展很快，目前刀架已成为独立的功能部件。 80 年代通用大多采用转塔
11、刀架，刀盘上设有 12 24 个刀位，可自动选换刀具，机上有电感对刀装置。刀盘一般是端面齿盘定位，精度高、刚度好。用于复合加工的刀架还带有动力源，可安装钻铣刀具。有些车削加工中心备有刀库和换刀装置。 数控车床大多采用斜置床身，床身呈箱型结构，提高了刚性和抗振性。斜床身排屑方便，更换刀具也容易。近几年树脂强化混凝土床身在数控车床上得到应用，混凝土对热的传导阻力大，是 铸铁的两倍，振动衰减性是铸铁的 6 10 倍，数控车床一般都有自动排屑装置。 进入 90 年代，国外机床专家提出了数控车床发展的主要课题，即“高速化”、“复合化”和“高精度化”。 数控车床趋向“高速化”主要基于三个原因： （ 1）
12、缩短加工时间和辅助时间是提高加工效率的主要手段。 （ 2） 机械加工的对象有所改变，目前航空航天、电子和光学业发展迅速，各种铝合金材料和软金属、非金属材料的小型零件日益增多，便于高速切削。另外，刀具材料发展很快，目前新型刀具 如陶瓷、聚晶金刚石和立方氮化硼等 的切削速度已超过 500m/min。 （ 3） 32 位 CPU 的 CNC 系统投入使用，使处理能力加快。伺服系统的响应性能提高。 数控车床实现“高速化”的关键是主轴系统和进给系统。 高速主轴系统首先考虑的是主轴轴承的强度和控制主轴发热问题。车床主轴轴承在负荷运转时，滚动轴承中的滚子在自转的同时还要绕主轴公转。这时产生的离心力随转速增加
13、而增大，影响到轴承的强度和寿命。为了解决这个问题，国外已有在高速主轴轴承中使用氮化硅材料的陶瓷滚子，收到较好的效果。而为了控制主轴的发热变形，轴承一般用油脂润滑。润滑油除了能减少摩擦外，还能带走热量。除此外还采用油气润滑，效果更明显。 为了实 现高速切削，需要提高进给速度。提高进给速度的难点是机械部件因惯性会产生加工误差以及加、减速时机械 伺服系统的响应性能。滚珠丝杠在高速转动时也会因发热膨胀产生误差，所以预紧力的调整很关键。高速下的导轨形式倾向于 滚动导轨或静压导轨。 把两种或两种以上不同类的加工方式柔合在一起，这就是复合加工。复合加工的出现，改变了传统的加工工艺，在一台机床上一次卡便可加工
14、出成品零件来，提高了加工效率和加工精度。 复合加工车床的基本结构特点： 一般的复合车床与数控车床在外形上变化不大，背面加工需增第二主轴。 主轴箱：用转头加工 横孔及用立铣刀加工时。主轴必须具有分度机构和定位锁紧机构 刀架：要在数控车床上增加钻、铣功能，需在刀盘上设有动力刀位，以安装钻、铣刀具。目前开发出 24 刀位转塔刀具，其中设有 6 8 个动力刀位，近似一个小刀库。目前已研制成功多轴多系统混合控制的双转塔数控车床，两个刀架的运动时独立的，可用不同的切削方式同时加工零件的不同部位。 对置刀架和第二主轴：复合加工的长处是从毛坯到制成品一次加工完成。为了解决被夹持部分的加工问题，在机床上增设了数
15、控对置刀架以及在主轴和对置刀架之间设计了第二主轴。第二主轴可夹持工件加工好的一 面，向后退旋转 180度，用对置刀具加工工件的背面。加工背面的同时，主轴可以进行下一个零件的加工。 随着数控系统和私服系统性能的提高，新一代数控车床的加工精度已大为 提高。以车削中心为例，尺寸精度一般可达 IT6，加工表面粗超度为Ra0.8 0.4um，基本能满足一般配合和定位要求。 数控车床的发展重点： （ 1） 加工高速化，进一步提高生产效率； （ 2） 加工复合化，在完成工序方面扩大通用性，可广泛地进行铣削和钻削及背面加工； （ 3） 自动化及无人化，各种监测手段不断完善，智能机器人将在数控车床上应用。柔性加
16、工单元的比重增大； （ 4） 适应能 力多样化，新一代数控车床既能单独使用，又能纳入到柔性制造系统中； （ 5） 数控系统向标准化、专能化发展，接口标准统一，功能进一步扩大。 3 总结部分 （将全文主题进行扼要总结，提出自己的见解并对进一步的发展方向做出预测） 数控机床 是当代机械制造业的主流装备。用数控机床提高传统制造业装备水平的重大意义，已经成为有关各界人士的共识。数控机床的发展不仅关系到我国经济实力的增强，还关系到国家的安全。担负着我国机床数控化重任的我国数控机床和数控系统行业的状况怎样，已成为普遍关心的重点。 随着机床切削速度和进给速度的提高，产生振动 的可能性将增加。车铣加工中心进给
17、系统要求具有高加、减速度，快速的移动速度，而且主轴的转速达5000rpm，为了使机床具有良好的静动态特性、抗振性及好的精度保持性，必须对车铣加工中心的刀塔结构进行静动态性能分析，了解设计的刀塔结构的静动态特性，并对刀塔结构进行优化分析。 目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。当今数控机床正在朝着以下几个方向发展： 1、 高速度、高精度化 2、 多功能化 3、 智能化 4、 数控编程自动化 5、 可靠性最大化 6、 控制系统小型化 4 参考文献 【 1】 王新光，国外车床发展趋势，沈阳
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