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. 吉林化工學(xué)院 文 獻(xiàn) 綜 述 立式數(shù)控銑床傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) Vertical CNC milling machine transmission design 性 質(zhì): R畢業(yè)設(shè)計(jì) □畢業(yè)論文 教 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 系 別： 機(jī)械電子系 學(xué)生學(xué)號： 11410227 學(xué)生姓名： 孟凡華 專業(yè)班級： 機(jī)自1102 指導(dǎo)教師： 田愛華/申東輝 職 稱： 教授/助教 起止日期： 2015.3.2～2015.3.28 吉 林 化 工 學(xué) 院 Jilin Institute of Chemical Technology . . SK—125立式數(shù)控銑床傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及發(fā)展趨勢 摘 要：本文主要介紹了立式數(shù)控銑床常用銑刀及其特點(diǎn)和用途，為大家在實(shí)際生產(chǎn)中選用合適的銑刀加工零件提供參考。應(yīng)用錘擊法對立式 數(shù)控銑床進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析 , 研究了該立式數(shù) 控銑床的動(dòng) 態(tài)特性 , 獲得 該立式數(shù)控 銑床低頻段的固有頻率 、 阻尼比和振型 。 通過對整機(jī)各 階模態(tài)振型的分析 , 找到了立 式數(shù)控銑床 結(jié)構(gòu)的薄弱 環(huán)節(jié) , 并為進(jìn) 行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)措施 。 關(guān)鍵詞：立式數(shù)控銑床 面銑刀 立銑刀；動(dòng)態(tài)特性；模態(tài)分析；錘擊；激振 1 立式數(shù)控銑床的常見形式和工作方式立式數(shù)控銑床有小型和中型之分 小型數(shù)控銑床一般為立式升降臺結(jié)構(gòu)，即機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)都是由工作臺完成的；而中型立式銑床的主運(yùn)動(dòng)Z方向由主軸箱完成，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)X和Y方向運(yùn)動(dòng)由工作臺完成。由于立式數(shù)控銑床一般都是三坐標(biāo)機(jī)床，根據(jù)可控制聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)軸數(shù)分類，立式數(shù)控銑床有三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床和兩軸半坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床。立式數(shù)控銑床常加工的零件有平面輪廓類零件、空間曲面輪廓類零件和模具類零件等，可用于零件的平面銑削、平面型腔銑削、外形輪廓銑削、三維及三維以上復(fù)雜型面銑削等[1]。 2 立式銑床大平面加工常用刀具——硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位面銑刀 面銑刀的定義立式數(shù)控銑床加工大平面類零件時(shí)，一般選用面銑刀，也稱端銑刀。面銑刀有一個(gè)大直徑的刀盤，切削面積大，切削效率高。面銑的主切削刃分布在銑刀周圍的圓柱面和圓錐面上，副切削刃分布在銑刀的端面上。 硬質(zhì)合金面銑刀的分類及應(yīng)用立式數(shù)控銑床最常用的面銑刀是硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位面銑刀，根據(jù)刀片主偏角的不同分為45面銑刀、75面銑刀和90面銑刀等。45面銑刀由于振動(dòng)小，被經(jīng)常使用，可加工平面和斜面、倒角面等。用該類刀具加工平面時(shí)，刀片破損率低，耐用度高。75面銑刀的抗震性較90面銑刀有較大改善，切削平穩(wěn)、輕快，在面加工中應(yīng)優(yōu)先選用。該類面銑刀為通用型刀具，適用范圍較廣，可用于粗加工。90面銑刀既可加工臺階面，又可加工平面，但加工時(shí)振動(dòng)大，要求機(jī)床具有較大功率和足夠的剛性，一般用于薄壁件加工。 面銑刀直徑和齒數(shù)選擇方法面銑刀直徑選擇時(shí)，主要需考慮刀具所需功率應(yīng)在機(jī)床功率范圍之內(nèi)，也可將機(jī)床主軸直徑作為選取的依據(jù)。面銑刀直徑可按公式 D＝1 .5 d 選取。在批量生產(chǎn)時(shí)，也可按工件切削寬度的1.6倍選擇刀具直徑。面銑刀有粗齒、中齒和細(xì)齒之分。粗齒齒數(shù)少，容屑空間大，刀齒強(qiáng)度大，適合用于粗加工；中齒銑刀切平穩(wěn)，應(yīng)用廣泛；細(xì)齒銑刀齒數(shù)多，容屑空間小，刀齒的強(qiáng)度小，適合用于精加工[2-6]。 3 立式數(shù)控銑床輪廓加工常用刀具——立銑刀 3.1立銑刀的定義 立銑刀是數(shù)控銑床上利用率最高的刀具，可以加工平面、零件輪廓和一些開口通槽和成形面等。立銑刀的形狀是圓柱形的，一般有三刃以上，主切削刃分布在銑刀的圓柱面上端面上是副切削刃，銑刀端面的形狀有中心孔式或是開口式。2.立銑刀的螺旋角及其用立銑刀有左螺旋和右螺旋之分，銑削刃也有左刃和右刃之分，最常見的是右刃右螺旋。立銑刀圓柱表面上的刃可以是直刃，也可以是螺旋刃。但直刃是斷續(xù)切削，振動(dòng)大，表面質(zhì)量不好；而螺旋刃是連續(xù)切削各刀齒沿切削刃逐漸切入和切出，振動(dòng)很小，從而提高了切削過程的平穩(wěn)性和工件的加工表面質(zhì)量，帶有螺旋刃的立銑刀最常見。螺旋角般有30和45兩種。對于一些加工要求較低的工件，一般用30螺旋角，用大進(jìn)給量小轉(zhuǎn)速。而如果零件要求質(zhì)量較高，就要選用45螺旋角，用小進(jìn)給量、大轉(zhuǎn)速，提高零件的表面質(zhì)量。3.立銑刀的齒數(shù)選擇立銑刀的容屑槽隨著刃數(shù)的增多而減小，而剛性則相反，刃數(shù)越多的立銑刀剛性越好，而剛性影響著銑削時(shí)刀具的平穩(wěn)性。所以，一般將刀齒個(gè)數(shù)為3～6個(gè)的立銑刀用于粗加工，而將刀齒個(gè)數(shù)為5～10個(gè)的立銑刀用于精加工[7-9]。 3.2立銑刀的進(jìn)給 立銑刀在應(yīng)用時(shí)，有一個(gè)禁忌，即一般不能沿銑刀的軸向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而推薦沿銑刀的徑向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。但是如果改變加工方式，也可以沿Z方向切深進(jìn)刀。常見的進(jìn)刀方如下。 （1）利用鉆頭和工藝孔進(jìn)刀。先選用直徑較小的鉆頭加工出工藝孔，再用立銑刀進(jìn)行Z向垂直切深進(jìn)給。 （2）利用螺旋進(jìn)刀方法。數(shù)控銑床可以實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)螺旋線進(jìn)刀，使得Z向進(jìn)刀和內(nèi)輪廓加工自然平滑過渡，一般不會產(chǎn)生加工刀痕，因此，這種方式得到廣泛應(yīng)用。 （3）斜線進(jìn)刀方法。采用三軸聯(lián)動(dòng)的斜線方式進(jìn)刀，利用立銑刀的端面刃切削，從而避免了刀具的中心部分參與切削。但不足之處是，這種進(jìn)刀方式無法實(shí)現(xiàn)Z向進(jìn)刀和內(nèi)輪廓加工的平滑過渡，容易產(chǎn)生加工痕跡[10-14]。 國外數(shù)控銑床現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 國外數(shù)控銑床的生產(chǎn)廠家主要集中在德國、美國和日本。從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看，其發(fā)展經(jīng)歷了十字架型（輕型）、門型（小型）、龍門型（大型）3個(gè)階段，相應(yīng)的型號種類繁多。能夠代表數(shù)控銑床技術(shù)最高水平的廠家主要集中在德國，目前，國外已有廠家在龍門式切割機(jī)上安裝一個(gè)專用切割機(jī)械手，開發(fā)出五軸控制系統(tǒng)的龍門式專用切割工具，該系統(tǒng)可以在空間切割出各種軌跡，利用特殊的跟蹤探頭，在切割過程中控制切割運(yùn)行軌跡。 我國工廠的板材下料中應(yīng)用最為普遍的是數(shù)控銑床和等離子切割，所用的設(shè)備包括手工下料、仿形機(jī)下料、半自動(dòng)切割機(jī)下料及數(shù)控切割機(jī)下料等。與其他切割方式比較而言，手工下料隨意性大、靈活方便，并且不需要專用配套下料設(shè)備。但手工切割下料的缺點(diǎn)也是顯而易見的，其割縫質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費(fèi)大、后道加工工序的工作量大，同時(shí)勞動(dòng)條件惡劣。用仿形機(jī)下料，雖可大大提高下料工件的質(zhì)量，但必須預(yù)先加工與工件相適應(yīng)的靠模，不適于單件、小批量和大工件下料。半自動(dòng)切割機(jī)雖然降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，但其功能簡單，只適合一種形狀的切割。上述3種切割方式，相對于數(shù)控切割來說由于設(shè)備成本較低、操作簡單，所以在我國的中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中仍在廣泛使用。 隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)形勢的蓬勃發(fā)展以及以焊代鑄趨勢的加速，數(shù)控銑床的優(yōu)勢正在逐漸為人們所認(rèn)識。數(shù)控銑床不僅使板材利用率大幅度提高，產(chǎn)品質(zhì)量得到改進(jìn)，而且改善了工人的勞動(dòng)環(huán)境，勞動(dòng)效率進(jìn)一步提高。目前，我國金屬加工行業(yè)使用的數(shù)控銑床是以火焰和普通等離子切割機(jī)為主，但純火焰切割，已不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，該類切割機(jī)可滿足不同材料、不同厚度的金屬板材的下料以及金屬零件的加工的需要，因此需求量將會越來越大，但與國外的差距仍極為明顯，主要表現(xiàn)為：發(fā)達(dá)國家金屬加工行業(yè)90%為數(shù)控切割機(jī)下料，僅10%為手工下料；而我國數(shù)控切割機(jī)下料僅占下料總量的10%，其中數(shù)控銑床下料所占比例更小。 我國數(shù)控銑床每年市場需求量約在400~500臺之間。相較而言，仿形切割機(jī)每年銷售幾千臺，半自動(dòng)切割機(jī)每年銷售達(dá)上萬臺。由此可見，我國數(shù)控切割市場，尤其是數(shù)控銑床市場的發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮腫15-16]。 3.3數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了數(shù)控技術(shù)的更新?lián)Q代，而這也日益完善了數(shù)控銑床的高精、高速、高效功能。代表世界先進(jìn)水平的歐洲、美國、日本的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商利用工控機(jī)豐富的軟硬件資源開發(fā)的新一代數(shù)控系統(tǒng)具有開放式體系結(jié)構(gòu)，即數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺上，面向最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次產(chǎn)品的開發(fā)。 開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，并向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。 近幾年來，由于對切割質(zhì)量、勞動(dòng)環(huán)境等的要求越來越高，其相應(yīng)產(chǎn)品在我國的市場需求量也逐年上升。在我國的數(shù)控銑床設(shè)備生產(chǎn)行業(yè)中，由于缺乏切割理論研究與生產(chǎn)實(shí)踐相轉(zhuǎn)換的機(jī)制，因此新技術(shù)運(yùn)用不廣、新產(chǎn)品開發(fā)速度不快，制約了數(shù)控銑床技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和運(yùn)用[17]。 4 主軸箱部分 包括主軸箱體和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，用于裝夾刀具并帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，主軸轉(zhuǎn)速范圍和輸出扭矩對加工有直接的影響。我的設(shè)計(jì)課題是針對SK—125立式數(shù)控銑床傳動(dòng)系統(tǒng) 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì) S－銑床類別代號（螺紋加工銑床） K－機(jī)床特性代號（數(shù)控） 125－代表主要參數(shù) 主軸傳動(dòng)系統(tǒng) 及箱體部分 1. 范圍： 各種不同的機(jī)床對調(diào)速范圍的要求不同，多用途，通用性比較大的機(jī)床，要求主軸的調(diào)速范圍大，不但有低速大轉(zhuǎn)距的功能，而且還要有比較高的速度。 2. 熱變形：電動(dòng)機(jī)、主軸及傳動(dòng)件都有熱源。降低溫升，減少熱變形是對主傳動(dòng)系統(tǒng)要求的重要指標(biāo)。 3. 旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動(dòng)精度 （1）主軸的旋轉(zhuǎn)精度:是指裝配后，在無載荷，低速轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，測量主軸前端和300mm處的徑向和軸向跳動(dòng)值。 （2）主軸在以工作速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，測量上述兩項(xiàng)精度稱為運(yùn)動(dòng)精度。 4. 主軸的靜剛度和抗振性 由于數(shù)控機(jī)床的加工精度比較高，主軸的轉(zhuǎn)速又很高。因此，主軸組件的質(zhì)量分布是否均勻以及主軸組件的阻尼等，對主軸組件的靜剛度和抗振性都會產(chǎn)生影響。 5. 主軸組件的耐磨性 主軸組件必須有足夠的耐磨性，使之能夠長期保持要求的準(zhǔn)確精度。凡是有機(jī)械摩擦的部位，軸承，錐孔等都要有足夠的硬度，軸承還應(yīng)具有良好的潤滑[18-19]。 5 總結(jié)部分 數(shù)控銑床任然是數(shù)控加工行業(yè)的中流砥柱，對未來發(fā)展方向，有以下看法 中國數(shù)控銑床雖說價(jià)格便宜，但在性能方面還存在不足之處。未來數(shù)控銑床技術(shù)將朝數(shù)字化、高速 高精化、復(fù)合化、智能化等方向發(fā)展 1、高速高精與多軸加工成為數(shù)控銑床的主流，納米控制成為高速高精加工的潮流。 　　2、多任務(wù)和多軸加工數(shù)控銑床越來越多地應(yīng)用到能源、航空航天等行業(yè)。 　　3、機(jī)床與機(jī)器人的集成應(yīng)用日趨普及，且結(jié)構(gòu)形式多樣化，應(yīng)用范圍擴(kuò)大化，運(yùn)動(dòng)速度高速化，多傳感器融合技術(shù)實(shí)用化，控制功能智能化，多機(jī)器人協(xié)同普及化。 　　4、智能化加工與監(jiān)測功能不斷擴(kuò)充，車間的加工監(jiān)測與管理可實(shí)時(shí)獲取機(jī)床本身的狀態(tài)信息，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)測機(jī)床的狀態(tài)，提前進(jìn)行相關(guān)的維護(hù)，避免事故的發(fā)生，減少機(jī)床的故障率，提高機(jī)床的利用率。 　　5、最新的機(jī)床誤差檢測與補(bǔ)償技術(shù)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成對機(jī)床的補(bǔ)償測量，與傳統(tǒng)的激光干涉儀相比，對機(jī)床誤差的補(bǔ)償精度能夠提高3～4倍，同時(shí)效率得到大幅度提升　 6、CAD/CAM技術(shù)為多軸多任務(wù)數(shù)控銑床的加工提供強(qiáng)有力的支持，可以大幅度提高加工效率。 7、刀具技術(shù)發(fā)展迅速，眾多刀具的設(shè)計(jì)涵蓋了整個(gè)加工過程，并且新型刀具能夠滿足平穩(wěn)加工以及抗振性能的要求[20]。 參考文獻(xiàn) [1]吳宗澤,羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊第二版[M].北京:高等教育出版社,1999. 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Application of Vertical CNC milling machine hammering experimental modal analysis conducted to study the dynamic characteristics of the vertical CNC milling machine, CNC vertical milling machine to obtain the low frequency natural frequency, damping ratios and mode shapes. Through the whole of each modal modal analysis, found a weakness in the structure of vertical CNC milling machine and structural optimization design for proposed improvements. Keyword : Vertical CNC milling machine; Face milling cutter; Dynamic characteristic; Modal Analysis; Exciting hammering .