车床功能部件开发---动力刀头设计【开题报告】.doc

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 选题的背景、意义 1.1 选题的背景 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。美国参议员考克斯发表报告 , 又一次叫嚷要限制数控机床对我出口 , 使大家进一步认识到 , 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 , 己成为普遍关心的重点。这几年来 , 机床行业向国民经济各部门提供了一大批先进适用 的数控机床。向航天等国防尖端、造船、大型发电设备制造、冶金设备制

2、造、机车车辆制造等重要用户提供了一批高质量的数控机床和柔性制造单元。如武汉重型机床厂和北京第二机床厂分别与大连理工大学合作 , 先后为航天部门提供了大型数字化仿形三轴联动和四轴联动控制的数控立车和数控镗铣床、为打破国外限制发展国家航天事业作出了贡献 1。 1.2 选题的意义 与人类科学技术进步同步 ,与社会经济发展并行 ,机床这一类生产装备已跨入高效化、精确化、智能化、节能化的新的发展高度 3。机床工业技术集成和生产组织方式 ,也随之产生了根本性的 变化 ,这种变化的一种集中体现 ,便是机床功能部件行业应运而生 ,而且扮演着越来越重要的角色 2。 车铣复合加工中心的加工过程实际是安装在刀塔上的

3、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，由于刀具安装在刀架上，相对刀塔（立柱与刀架的组合）可以忽略，实际上相当于工件 刀塔（立柱和刀架的组合）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是必要的。 这次课题所研究的是其中一部分的内容：车床功能部件开发 -动力刀头的设计。刀头的设计是和刀具密不

4、可分的，由于考虑刀具受滚到挡边的限制，受排屑空间的限制，刀头设计既要满足使用要求，又要满足机夹刀具通用化，系列化的要求。 2 相关研究的最新成果及动态 2.1 相关技术发展趋势 为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，数控未来仍然继续向开放 式、基于 PC的第六代方向、高速化和高精度化、智能化等方向发展 7。 1、开放式 为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。 2、基于 PC的第六代方向 基于 PC所具有

5、的开放性、低成本、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。 PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 3、高速化、高效化 机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。 90年代以来，随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加 /减速度直线电机驱动进

6、给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，欧 、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元（电主轴，转速 15000 100000r/min）、高速且高加 /减速度的进给运动部件（快移速度 60120m/min，切削进给速度高达 60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平 10。 根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求 9。还由于新产品更新换代周期加快，模具 、航空、

7、军事等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。 4、高精度化 精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（ 10nm），其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。随着现代科学技术 的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺

8、，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展 11。 随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要，近 10多年来，普通级数控机床的加工精度已由 10 m提高到 5 m，精密级加工中心的加工精度则从 35 m，提高到 11.5 m12。 5、高可靠性 数控系统的可靠性要高于被控设备的 可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在 16小时内连续正常工作，无故障率 P(t) 99%以上的话，则数控机床的平均无故障

9、运行时间 MTBF就必须大于 3000小时。MTBF大于 3000小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为 10： 1的话（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的 MTBF就要大于 33333.3小时，而其中的数控装置、主轴 及驱动等的 MTBF就必须大于 10万小时。 6、智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面 14。 2.2 产业状况 美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其

10、社会条件不同，各有特点。 1.美国的数控发展史 美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务 ,并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“ 效率 ” 和 “ 创新 ” ， 注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如 1952 年研制出世界第一台数控机床、 1958 年创制出加工中心、 70 年代初研制成 FMS、1987 年首创开放式数控系统等。由於美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床

11、技术在世界也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是，偏重於基础科研，忽视应用技术，且在上世纪 80代政府一度放松了引导，致使数 控机床产量增加缓慢，于 1982 年被后进的日本超过，并大量进口。从 90 年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。 2.德国的数控发展史 德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。，於 1956年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、

12、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床 。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相采用。 3.日本的数控发展史 日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规 (如 “ 机振法 ” 、 “ 机电法 ” 、 “ 机信法 ” 等 )引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。自 1958 年研制出第一台数控机床后， 1978 年产量 (7,342 台 )超过美国 (5,688 台

13、)，至今产量、出口量一直居世界首位 (2001 年产量 46,604 台，出口 27,409 台，占 59%)5。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪 80 年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本 FANUC 公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工 3,674 人，科研人员超过 600 人，月产能力 7,000 套，销售额在世界市场上占 50%，在国内约占 70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用 4。 我 国数控机床基本状况 我国数控机床经过“十

14、五”期间的快速发展已达到相当的规模 , 2005年数控金切机床产量为 59,639台 , 是 2000年的 4.24倍 , 平均年增长 33.5%; 产值为 140亿元 ( 17.5亿美元 ) , 是 2000年的 4.27倍 , 平均年增长 33.7%。 2005年我国数控金切机床生产 59, 639台 , 进口 30, 746台。除部分出口外 , 总消费数量约 85, 000多台 , 消费金额 51.7亿美元 , 其中 , 生产 17.5亿美元 ,进口 36.2亿美元 , 出口 2亿美元。在生产的数控金切机床中 , 经济型 数控机床约占 60%以上 ( 生产的数控车床中经济型数控车床占 8

15、9% 90%) , 中档以上的数控金切机床不足 40%。对于中档以上的数控金切机床 , 国产机床的市场占有率很低 , 以数控车床、加工中心为例 : 2005年 , 数控车床按台数计为 33%、按金额计为 27%; 加工中心按台数约31%, 按金额约 22.3%。对于高档数控金切机床 , 国产机床基本上处于市场开发阶段 , 近几年虽然开发了不少新品 , 但是 , 仅少数新产品进入了生产使用现场。目前 , 国民经济和国防建设需要的基本上依赖从国外进口 8。这种局面如长期不解决 ,将危及产业安全和国家安全。因而 , 积极开发中高档数控机床 , 实现商品化、产业化是振兴数控机床产业的必由之路。 国民经

16、济各领域和国防建设对数控机床的需求。机械工业机械制造业是机床工业的重要用户 , 其消费机床约占我国机床销售额的 40%以上。机械制造业的快速发展为机床工业的发展提供了强大的动力。机械制造业所需的数控金切机床范围很广 , 包括了机床的各类品种。特别要指出的是以发电设备、冶金机械为代表的重大装备制造业的发展 , 需要增添不少数控重型机床 , 如工作台宽度 4000mm左右的数控重型龙门镗铣床、镗杆直径 250mm以上的数控落地镗铣床、重型数控卧式车床和重型数控立式车床和车铣床 ( 最大加工直径达 16米 ) 以及专用重型数控机床 , 为国产大重型数控机床发展提供了条件 6。 综上所述，由于数控机床

17、不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 3.1 课题研究的内容 1. 应用 CAD 技术能够设计动力刀头，并且满足加工工艺的要求和精度要求，绘制装配图与工程 图； 2. 利用所学知识完成设计计算说明书。 3. 参阅中文相关文献 10 篇，外文专题文献至少 2 篇。 3.2 拟采取的研究方法（技术路线） 机 床 标准调研 用 户 及市 场 调研 高速高精度主轴设计 其他功能模块规划 功能模块设计划 整机装配 项目验

18、收， 批量生产 关键部件制造 车床模块规划 车床床身优化设计 复合刀塔设计 关键部件检测 功能模块制造 整机性能测试 3.3 研究难点 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，将车铣加工中心的刀塔结构进行静动态性能的分析，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，使得其结构更加符合要求，为其设计提供理论依据。开发出适应机床自动化程度及满足机床功能需要的刀塔系列结构模块。 3.4 预期达到的目标 本 课题研究的目标是： （ 1）研究高性能车铣复合动力头设计制造的原理。 （ 2）对所用各类电机的了解。 （ 3）绘制完成装配图与工程图及相关的设计计算。 （ 4）完成本

19、科毕业设计，顺利通过毕业答辩。 4 研究工作详细工作进度和安排 2010.10.10 10.12.10：接受任务，搜资调研，撰写文献综述、开题及外文翻译稿； 2010.12.10 2011.02.25：完成文献综述和开题报告、外文翻译稿； 2011.02.28 11.03.15：工艺分析，方案设计； 2011.03.15 11.03.30：方案分析 论证，确定总体设计方案； 2011.03.30 11.04.10：初步总体结构设计； 2011.04.10 11.04.20：实习； 2011.04.20 11.05.10：总体结构设计完善，零部件结构设计； 2011.05.10 11.05.20

20、：撰写设计说明书； 2011.05.20 ：整理完善各种设计材料，答辩。 5 参考文献 1孙作铭 机夹油沟刀具设计 哈尔滨工程质量研究中心 ， 哈尔滨 150070. 2 丁雪生 积极发展中高档数控机床 中国机床工业工具协会 3 漆军，付晓岚， 胡军胜 刀头切刀片刀刃形状的设计，国营建昌机器厂 4 屈平，国内数控机床现状简析及建议。装备机械。 2005 年 03 期。 5 机械工程师， Mwchanical Engineer，编辑部邮箱 2006 年 08 期。 ASPT 来源刊 中国期刊方阵 CJFD 收录刊。 6 郭泽民 ， 我国数控机床品开发现状 中国新技术新产品 ， 2008 7 Ma

21、rcelo Del Guerra a, Reginaldo Teixeira Coelho b. Journal of Materials Processing Technology 179 (2006) 117123 8 李国慧 . 车铣复合加工中心刀塔结构静动态性能的分析与研究 . 兰州理工大学 . 9 1.任小中 .邓效忠 .苏建新 .李春梅数控成形磨齿机计算机辅助模块化设计期刊论文 -农业机械学报 2008(2). 10 14.刘小鹏 .郑新建 .殷燕芳 .张文桥数控立式车床的模块划分 期刊论文 -机械传动 2003(4) 11 邢雨 ,高青玉 ,李侠 . 制造技术与机床 . 齐重数控装备股份有限公司，黑龙江齐齐哈尔 161005. 12 刘江，唐传军 . 组合机床与自动 化加工技术 . 北京科技大学机械工程学院，北京 100083. 13 万秀颖 , 张学良 , 吴立言 , 傅素芳 . 面向 MC的机床模块化设计 . (11河南科技学院 , 河南新乡 453003; 21西北工业大学 , 西安 710072. 14 余英良 . 设备与维修 . 漯河职业技术学院（河南 462002） 15 姚致扬 ,黄纯颖 ,吴 丹 . 小型多功能机床的模块化系列设计 . 清华大学精密仪器与机械学系 100084.