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開題報告 題 目 VMC22200 型 龍 門 五 面 體 加 工 中 心 滑 鞍 工 藝 工 裝 設(shè) 計 系 別 專 業(yè) 姓 名 學(xué) 號 指 導(dǎo) 教 師 年 11 月 12 日 1 廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計開題報告 系別 專業(yè) 班級 姓名 學(xué)號 聯(lián)系方式 題目 VMC22200 型龍門五面體加工中心滑鞍工藝工裝設(shè)計 一 選題的目的與意義 1 目的 高速度 高精度 高效率和高剛度已成為當(dāng)今數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要方向 普 通龍門機(jī)床一般只能進(jìn)行單面加工 當(dāng)加工零件的另一個表面時 需要加裝一個 直角轉(zhuǎn)換頭或者調(diào)轉(zhuǎn)零件的加工面后重新裝夾 這不但增加了機(jī)床操作者的勞動 強(qiáng)度 影響加工效率 并且重新定位裝夾也降低了零件的加工精度 為了彌補(bǔ)這 些不足 龍門五面體加工中心便應(yīng)運(yùn)而生 五面體加工中心一次裝夾就能實現(xiàn)工 件五個表面的加工 這大大提高了零件的加工精度和加工效率 降低生產(chǎn)成本 因此五面體加工中心成為當(dāng)前數(shù)控機(jī)床行業(yè)重點研究的對象之一 2 意義 VMC22200 型龍門五面體加工中心主要面向汽車零配件加工 并向高速加工方向 發(fā)展 此外 還要求能夠進(jìn)行大型模具的加工 因此要求機(jī)床必須具備良好的加工 性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 滑鞍是機(jī)床的移動部件之一 是連接機(jī)床橫梁和主軸箱的紐帶 在滿足靜動剛 度的前提下應(yīng)盡量減輕其質(zhì)量 以便提高移動的速度和加速度 滑鞍作為常用機(jī)械零件之一 其工藝及工藝裝備設(shè)計具有非常典型的代表性 所以我們以此為研究對象 從各種方面來了解 剖析滑鞍 然后設(shè)計出符合加工的 夾具 最后完成我們的研究 二 文獻(xiàn)綜述 本研究參考了 文章首先建立了 X H 7 1 5 立式加工中心加工中心整機(jī)及主要零部件的 C A D C A E 模型 然后采用有 限元分析理論對模型整機(jī)及主要零部件的模態(tài)和諧響應(yīng)特性進(jìn)行了分析 最后對原 機(jī)床設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)提出了幾種改進(jìn)方案 基于動態(tài)優(yōu)化技術(shù)對主要零部件做了方 2 案比較式優(yōu)化設(shè)計 分析結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計后結(jié)構(gòu)較為合理 可應(yīng)用于實際生產(chǎn)中 1 模型的建立 ANSYS 軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分 加載求解以及后處理能力和良好的開放性 但是 ANSYS 的幾何建模功能相對較弱 如果利用 ANSYS 提供的建模方法 無論是自 底向上的建模方式還是通過自頂向下建模方式 對于建立一個復(fù)雜的模型來說 都 將是個極其煩瑣的過程 這將大大浪費了設(shè)計人員的時間 Pro Engineer 是一 個高效的三維機(jī)械設(shè)計工具 它可快速繪制出任意復(fù)雜形狀的零件 同時由于 Pro Engineer 與 ANSYS 具有良好的無縫連接性 可以較輕松地把所建立的模型導(dǎo) 入 ANSYS 中進(jìn)行有限元分析 真正可以發(fā)揮兩個軟件的優(yōu)勢 避免模型丟失任何特 征和元素 2 整機(jī)諧響應(yīng)分析 本文對 X H 7 1 5 立式加工中心整機(jī)的諧響應(yīng)分析時 在整機(jī)有限元模型安裝 刀具部位加 x 一 z 方向分力 幅值均為 1 0 0 0 N 的簡諧激振力 根據(jù)模態(tài) 分析得到的機(jī)床動態(tài)特性以及實際工況下激勵力的頻率 設(shè)置簡諧力的頻率 40 190Hz 范圍內(nèi) 采用 ICCG 求解器 圖 2 為 40 190Hz 范圍內(nèi) 簡諧力激勵下 機(jī)床刀具部位的振動幅頻響應(yīng)曲線 這是衡量機(jī)床動態(tài)性能的重要指標(biāo) 從圖 2 可以看出 該機(jī)床在 4 0 1 9 0 Hz 頻率范圍內(nèi) 只有第 2 階固有頻率 79Hz 激振時 系統(tǒng)發(fā)生共振幅值較大 其他固有頻率激振時對機(jī)床刀具部位的影響相對較 小 非固有頻率激振時 系統(tǒng)的響應(yīng)接近于零 3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 優(yōu)化設(shè)計是一種尋找確定最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù) 本文采用 ANSYS 有限元分析軟 件 通過對該機(jī)床的幾種結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模和有限元分析計 40 6O 8O lOO I2O I40 I6O I8O 廠 H z 圖 2 整機(jī)模型刀具部位諧響應(yīng)分析結(jié)果算 并比較分析一系列 的計結(jié)果 得到較優(yōu)的設(shè)計方案 床身和立柱是 XH715 立式加工中心的兩個極其 重要的結(jié)構(gòu)件 其結(jié)構(gòu)的設(shè)計尺寸和布局形式 決定了其動態(tài)特性的優(yōu)劣 提高床 身和立柱零件的動態(tài)特性 對保證機(jī)床的加工精度及穩(wěn)定性具有重要意義 通過對 原整機(jī)有限元模型動力學(xué)分析的結(jié)果可以看出 床身和立柱的第 1 階固有頻率比 較低 而箱體等結(jié)構(gòu)的第 1 階固有頻率比較高 因此 可以說床身和立柱是整機(jī)設(shè) 3 計的薄弱環(huán)節(jié) 制約著整體性能的提高 床身模型的改進(jìn)及其動力學(xué)特性分析分 析床身的振型結(jié)果 1 2 階振型分別為扭曲和彎曲 床身的中間部位是結(jié)構(gòu)最 薄弱 的部位 必須對該部位進(jìn)行加強(qiáng) 在機(jī)床肋板布置中交叉肋板的抗彎扭性能 比平行肋 板好得多 本文采用交叉肋板代替原床身中間部位的平行肋板 設(shè)計出 改進(jìn) A 型 改進(jìn) B 型兩種床身設(shè)計方案 本研究還參考了 五軸聯(lián)動龍門加工中心現(xiàn)狀與發(fā)展策略 這篇文章 通過對 五軸聯(lián)動龍門加工中心現(xiàn)狀的分析 總結(jié)了機(jī)床總體結(jié)構(gòu)特點 找出了國內(nèi)外機(jī)床 在技術(shù)上的差距 提出了高端機(jī)床發(fā)展的相關(guān)理念 并結(jié)合市場現(xiàn)狀大膽地提出機(jī) 床市場發(fā)展策略 供借鑒與交流 1 機(jī)床發(fā)展趨向 FDA J0Bs 法國 FOREs T uN E 等等 五軸聯(lián)動龍門加工中心主要用 于 飛機(jī)等大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件的高速加工 當(dāng)今的五軸聯(lián)動龍門加工中心正向著高速 高精 復(fù)合 柔性和多功能方向發(fā)展 努力達(dá) 到高質(zhì)量 高效率的目標(biāo) 2 發(fā)展現(xiàn)狀 上紀(jì) 8O 年代國外已將五軸聯(lián)動龍門加工中心應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn) 西方國家擔(dān)心 高性能數(shù)控機(jī)床被中國用于國防工業(yè) 長期對中國實施限制性出口政策 國內(nèi)起步 較晚 江蘇多棱于 1999 年在北京機(jī)床展推出國內(nèi)首臺五軸聯(lián)動龍門鏜銑床 近年 來五軸聯(lián)動龍門加工中心發(fā)展迅速 國內(nèi)企業(yè)諸如多棱 桂林機(jī)床 沈陽機(jī)床 北 一 濟(jì)二 漢川 大連等內(nèi)地企業(yè)及臺灣亞崴 喬葳進(jìn) 協(xié)鴻 喬福等廠家均試制 生產(chǎn)該類機(jī)床 但目前均處于研制階段 未形成規(guī)模效應(yīng) 國內(nèi)主要的飛機(jī)制造企 業(yè)已經(jīng)有大量進(jìn)口國外該類機(jī)床 國際上主要生產(chǎn)企業(yè)有日本 SNK OKUMA MAZAK 德國瓦德利希一濟(jì)根 科堡 ZIMMERMANN 4 三 研究現(xiàn)狀 從龍門加工中心主要部件的發(fā)展情況來看 國內(nèi)外龍門加工中心的龍門和滑 枕的機(jī)構(gòu)基本都具有以下特點 1 龍門 主要是由一個橫梁和兩個立柱構(gòu)成 分為橫梁固定 橫梁靠定位塊 鎖定分段升降和橫梁任意升降三種類型 橫梁固定式結(jié)構(gòu)機(jī)床剛性好 但不適 合加工大型工件 因為在加工靠近工作臺面的工件部位時 滑枕伸出長度過大 加 工剛性較差 影響加工尺寸精度 橫梁靠定位塊鎖定分段升降型結(jié)構(gòu)機(jī)床剛性較好 但橫梁升降運(yùn)動不能與滑枕上下移動聯(lián)動 且操作較復(fù)雜 橫梁任意升降型結(jié)構(gòu)橫 梁升降運(yùn)動可以與滑枕上下移動聯(lián)動 加工范圍較廣 適合新產(chǎn)品開發(fā) 立柱和橫 梁的橫截面為矩形 剛性好 可耐重切削并長期保持高精度 主軸箱在橫梁上的導(dǎo) 軌有自重平衡裝置 其動作靈活 迅速且準(zhǔn)確 由于主軸箱左右移動時 橫梁升降 5 用滾珠絲杠所受負(fù)載有變動 使精度降低 所以采用配置在橫梁左右兩側(cè)的油缸來 平衡主軸箱左右移動造成的變動負(fù)載和橫梁本身的自重 以提高機(jī)床的精度 2 滑枕 從結(jié)構(gòu)上可分為開式和閉式兩種型式 開式結(jié)構(gòu)的滑枕通過壓板夾 緊在主軸箱上 滑枕的截面積大 閉式結(jié)構(gòu)的滑枕被夾緊在主軸箱內(nèi) 滑枕的截面 積小 主軸箱內(nèi)有液壓平衡裝置 使滑枕上下移動靈活 可實現(xiàn)強(qiáng)力重切削 主軸 滑枕內(nèi)部采用強(qiáng)制內(nèi)冷卻 即使作長時間連續(xù)重切削 也可保持高精度 滑枕的行 程以滿足工件側(cè)面下部的加工要求為宜 不宜太長 以免影響加工時的機(jī)床剛度 滑枕上的自動更換附件頭裝置采用大直徑的鼠齒盤和強(qiáng)力液壓夾緊機(jī)構(gòu) 動作簡單 附件頭可進(jìn)行重切削 主軸的分度簡單準(zhǔn)確 當(dāng)鼠齒盤齒數(shù)為 72 時 主軸的最小 分度為 5 當(dāng)鼠齒盤齒數(shù)為 144 時 主軸的最小分度為 2 5 主軸可進(jìn)行空轉(zhuǎn) 定心 換刀很方便 滑枕采用一體型的結(jié)構(gòu) 以提高機(jī)床的整體剛性 1 國外研究現(xiàn)狀 在國外 美國 Catholic 大學(xué) G Biabchi 等進(jìn)行了機(jī)床的動態(tài)設(shè)計與控制相結(jié) 合的研究 Lowa 州立大學(xué)的 J M Vance 與 ISU 研究中心的 T P Yeh 等應(yīng)用虛擬現(xiàn) 實技術(shù)進(jìn)行了機(jī)床結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化設(shè)計 M ichigan 大學(xué)的 T Jiang 和 M Chvedast 在應(yīng)用有限元法和動態(tài)分析的基礎(chǔ)上 利用數(shù)學(xué)模型來模擬機(jī)床結(jié)構(gòu)的聯(lián)接形式 建立了機(jī)床整機(jī)的動力學(xué)模型 并對機(jī)床結(jié)合面聯(lián)接件的位置與數(shù)量進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu) 化設(shè)計 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 龍門加工中心經(jīng)過長期的技術(shù)發(fā)展和推動 已從傳統(tǒng)的單軸式發(fā)展到多軸式 傳統(tǒng)龍門加工中心發(fā)展到現(xiàn)代化智能的加工中心 從單面的加工發(fā)展到多面的加工 發(fā)展速度快 技術(shù)比較成熟 但是對于龍門五面體加工中心 由于我國基礎(chǔ)技術(shù)薄 弱 研究方法落后 資金投入不足等原因 以及國外對核心技術(shù)的封鎖 導(dǎo)致我國 五面體加工中心發(fā)展緩慢 國內(nèi)在本課題方面的研究情況及最新發(fā)展趨勢 在國內(nèi) 東南大學(xué)湯文成等用有限元法研究了低階模態(tài)特性以及主墻板和隔板厚度對機(jī)床床 身的動態(tài)特性的影響 天津大學(xué)的徐燕申等進(jìn)行了立柱和床身接剛度對機(jī)床動力特 性影響的有限元分析 王殿舉等研究了銑床立柱截面形狀及壁厚對其靜動態(tài)特性的 影響 宋健偉等進(jìn)行了機(jī)床結(jié)構(gòu)動力特性靈敏度分析及應(yīng)用的研究 以上研究取得了一定的成果 但仍有許多理論與應(yīng)用問題有待進(jìn)一步地研究和 6 解決 首先 機(jī)床結(jié)合面動態(tài)特性參數(shù) 目前常用的方法是采用直接耦合法連接機(jī) 床各構(gòu)件 這在機(jī)床精度要求不高的情況下可基本滿足要求 但隨著機(jī)床設(shè)計精度 要求越來越高的情況下 機(jī)床的結(jié)合面動態(tài)特性參數(shù)直接影響機(jī)床有限元模型的精 確度 其次 機(jī)床有限元模型的計算只能考慮靜態(tài)力的作用 整機(jī)的動態(tài)特性只有 采用模態(tài)分析及諧響應(yīng)分析兩種方法來考察 四 創(chuàng)新思路 我的思想是從加工方法上的改變從而達(dá)到創(chuàng)新的作用 本次研究我綜合了各資 料的加工工序 從而自己想出了 2 套加工方案用以達(dá)到本次研究的目的 五 設(shè)計方案比較 方案一 工序一 粗 精鏜 階梯孔 0 15 865 工序二 精銑前端面 工序三 粗 精銑后端面 工序四 粗 精銑左端面 工序五 粗 精銑右端面 工序六 粗 精銑主軸導(dǎo)軌面 工序七 粗鉗工 去除銳邊毛刺 工序八 檢驗 方案二 工序一 精銑前端面 工序二 精銑左端面 工序三 精銑右端面 工序四 粗 精銑后端面 工序五 粗 精銑主軸導(dǎo)軌面 工序六 粗 精銑主軸導(dǎo)軌面工序四 粗 精鏜 階梯 0 15 865 孔 工序七 粗鉗工 去除銳邊毛刺 工序八 檢驗 7 第二條工藝路線不同于第一條工藝路線的是把粗 精鏜 0 15 8 階梯孔的工序放到銑各端面工序的后面 分析發(fā)現(xiàn)第一種方案不符合先加工孔65 的原則 當(dāng)零件上有較大的平面可作為定位基準(zhǔn)時 可先加工出來作為定位面 以 面定位 加工孔 這樣可以保證定位穩(wěn)定 準(zhǔn)確 裝夾工件往往也比較方便 而且 在毛培面上鉆孔 容易使鉆頭引偏 若該平面需要加工 則應(yīng)該在加工孔之前先加 工平面 而且先加工孔的話 孔的銳邊毛刺會影響加工主軸導(dǎo)軌面工序時的裝夾 從而影響主軸導(dǎo)軌面的加工 因此從效率和保證精度這兩個前提下 發(fā)現(xiàn)第二個方案比較合理 所以我決定 以第二個方案進(jìn)行生產(chǎn) 六 畢業(yè)設(shè)計提綱 一 對零件進(jìn)行工藝分析 畫零件圖 一 分析零件的作用 二 零件的工藝分析 三 分析零件的材質(zhì) 熱處理 二 工藝規(guī)程設(shè)計 一 確定毛坯的制造形式 二 基準(zhǔn)面的選擇 三 制定工藝路線 四 機(jī)械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的確定 五 確定切削用量及基本工時 三 夾具設(shè)計 一 問題的提出 二 夾具設(shè)計 一 確定設(shè)計方案 8 二 選擇定位元件 三 計算所需要的夾緊力 四 畫夾具裝配圖 四 編寫說明書 六 進(jìn)度安排 序號 任務(wù)名稱 時間 1 畢業(yè)設(shè)計開題報告 第七學(xué)期第八周 第十三周 2 主要設(shè)計工作 包括草圖 結(jié)構(gòu)設(shè)計及工程圖等 第七學(xué)期第十四周 第十九周 3 中期檢查 第八學(xué)期第三周 4 上交初稿 包括圖紙 說明書 外文資料 老師審閱初稿 提 出修改意見 第八學(xué)期第六周末 5 交終稿 上交所有資料的紙質(zhì)和電子版 第八學(xué)期第十一周 6 答辯 第八學(xué)期 第十二周 第十 三周 2012 5 26 日前 七 參考文獻(xiàn) 1 陳斯炮 龍門五面體加工中心關(guān)鍵部件的動力學(xué)分析研究 D 廣州 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2009 6 2 劉士玉 五軸聯(lián)動龍門加工中心現(xiàn)狀與發(fā)展策略 沈陽機(jī)床集團(tuán)市場 統(tǒng)籌本部 遼寧沈陽 11014 3 楊黎明主編 機(jī)床夾具設(shè)計手冊 北京 國防工業(yè)出版社 1996 5 4 王先逹 機(jī)械制造工藝學(xué) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 5 曹霞 尹飛鴻 立式加工中心動態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)選 6 王延甲 飛速發(fā)展中的國產(chǎn)龍門機(jī)床 7 吳筱堅 機(jī)床 固定結(jié)合面 的一種建模 方法 J 機(jī)械科學(xué)與技 9 術(shù) 2002 21 3 439 44 8 民 機(jī)械制造工藝設(shè)計簡明手冊 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1995 9 艾 興 肖詩綱 切削用量簡明手冊 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1994 7 10 傳林 李鍛能 龍門式機(jī)床橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究 J 機(jī)電工程技術(shù) 2006 35 3 45 47 11 胡鳳蘭 互換性與技術(shù)測量基礎(chǔ) 北京 高等教育出版社 2005 8 12 馬新旭 李鍛能 COSMOS Works 在大型龍門機(jī)床橫梁部件設(shè)計中的應(yīng)用 J 機(jī)電工程技術(shù) 2008 37 4 93 95 13 徐大偉 大型數(shù)控龍門鏜銑床橫梁最大工作載荷的確定 J 現(xiàn)代機(jī)械 2002 2 73 75 14 王勖成 有限單元法 北京 清華大學(xué)出版社 2003 15 鐘奇 韓立兮 張武奎 UGNX4 實例教程備 M 北京 人民郵電出版社 2009 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽名 年 月 日 教研室或系審核意見 教研室 系 主任簽名 年 月 日 備注 本開題報告須裝入學(xué)生的畢業(yè)論文 設(shè)計 檔案袋存檔 10