小型钻铣机床设计与优化 毕业设计.docx
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小型钻铣机床设计与优化毕业设计
摘要
组合机床是以通用部件为基础,配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具,组成的半自动或自动专用机床。
它具有设计、制造周期短,成本低,自动化程度高,劳动强度低,生产效率高等特点。
因为工序集中,可多刀、多工位、多轴同时加工,组合机床兼有低成本和高效率的优点,在大批、大量生产中得到广泛应用,并可用以组成自动生产线。
本次设计的内容是针对硬盘壳体的顶面的铣削与钻孔及两侧钻孔的组合机床。
包括对硬盘壳体的工艺分析,工序的设计,机床的总体方案的设计,通用部件(十字滑台、电主轴、电机)的选取及设计,主轴的设计等内容。
针对主轴的设计,做了校核,最后设计出针对硬盘壳体加工的小型化钻铣组合机床。
此外还做了一个CATIA的DMU仿真,更客观的表现出钻铣机床的运动过程。
关键词:
组合机床钻铣机床通用部件小型机床
ABSTRACT
Combinationmachineisthesemi-automaticorautomaticmachinebasedoncommoncomponents,supportedbytheworkpiecesspecificshapeanddesignofdedicatedprocessingtechnologyandfixtureparts.It’scharacteristicsdesignedcycleshort,manufacturingcycleshort,lowcost,ahighdegreeofautomation,labor,low-intensity,highproductionefficiency.Becauseoftheprocessfocused,moreknives,multi-position,multi-axisatthesametimeprocessing,machinetoolhaveadvantagesofbothlow-costandhighefficiency.Itisusedintheproductionofthelargenumberwidelyandforthecompositionofautomatedproductionlines.
Thecontentisdesignedfortheshellofhard-disk,millinganddrillingthetopsurfaceofthediskanddrillingonbothsidesofthecombinationofmachinetools.Includingthehardshelloftheprocessanalysis,processdesign,machinetool'soverallprogramdesign,generalcomponents(crossslipway,spindle,motor)theselectionanddesign,thedesignofthespindleandsoon.Forthespindledesign,acheckismade.Andthedrillingandmillingmachinetoolsisdesignedtoproducingtheshellofthehard-disk.AtlastaDMU(CATIA)simulationisbemade,anditismoreobjectivetoshowthemovementofdrillingandmilling.
Keywords:
combinationmachine;drillingandmillingmachine;commoncomponents;micro-machinetools
第1章绪论
1.1引言
在当今社会中,电脑成为了人们日常生活中必不可缺的一个工具。
而在各种电脑中,作为存储设备的硬盘就愈发显得重要。
电脑作为其载体,在当今世界上担当了很重要的角色,各行各业都已经开始了信息化,小到我们日常的电脑运用,大到各种尖端科技领域,都已经离不开电脑了,也离不开硬盘,没有了硬盘,电脑实现数据的存储。
最初的硬盘有IBM生产,体积庞大。
经过几十年的发展,硬盘壳体的形状也发生了很大的变化。
现如今的硬盘壳体有如下的类型:
图1-1硬盘的类型
本次设计的钻铣机床,主要就是针对硬盘壳体的加工而言。
硬盘壳体毛坯加工是由锻造而成。
在壳体上的一些小平面和小孔,则由钻铣组合机床完成。
组合机床是以通用部件为基础,配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具,组成的半自动或自动专用机床。
它一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式,生产效率比通用机床高几倍至几十倍。
由于通用部件已经标准化和系列化,可根据需要灵活配置,能缩短设计和制造周期。
因此,组合机床兼有低成本和高效率的优点,在大批、大量生产中得到广泛应用,并可用以组成自动生产线。
下图所示为一些组合机床的图例
图1-2组合机床
图1-3多工位组合机床
最早的组合机床于1911年在美国制成,用于加工汽车零件。
1953年,美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商,确定了组合机床通用部件标准化的原则。
初期,各机床制造厂都有各自的通用部件标准。
为了提高不同制造厂的通用部件的互换性,便于用户使用和维修。
1973年,国际标准化组织(ISO)公布了第一批组合机床通用部件标准。
1975年,中国第一机械工业部颁布了中国的第一批组合机床通用部件标准。
二十世纪70年代以来,随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的发展,组合机床的加工精度也有所提高。
铣削平面的平面度可达0.05毫米/1000毫米,表面粗糙度可低达2.5~0.63微米;镗孔精度可达IT7~6级,孔距精度可达0.03~0.02微米。
专用机床是随着汽车工业的兴起而发展起来的。
在专用机床中某些部件因重复使用,逐步发展成为通用部件,因而产生了组合机床。
1.2国内外发展现状
组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。
它的特征是高效、高质、经济实用,因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。
组合机床一般用于加工箱体类及其他特殊形状类的零件。
加工时,工件一般不旋转,由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动,来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹、成形面以及加工外圆和端面等。
有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转,由刀具作进给运动,也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工。
组合机床的分类繁多,有大型组合机床和小型组合机床,有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式,还有多工位回转台式组合机床等;随着技术的不断进步,一种新型的组合机床——柔性组合机床越来越受到人们的青睐,它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换,配以可编程序控制器(PLC)、数字控制(NC)等,能任意改变工作循环控制和驱动系统,并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。
另外,近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机(清洗机、装配机、综合测量机、试验机、输送线)等在组合机床行业中所占份额也越来越大。
由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品,是根据用户特殊要求而设计的,它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。
我国组合机床及组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后,国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。
工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大,并使产品生产成本提高。
因此,市场要求我们不断开发新技术、新工艺,研制新产品,由过去的“刚性”机床结构,向“柔性”化方向发展,满足用户需求,真正成为刚柔兼备的自动化装备。
从2002年年底第21届日本国际机床博览会上获悉,在来自世界10多个国家和地区的500多家机床制造商和团体展示的最先进机床设备中,超高速和超高精度加工技术装备与复合、多功能、多轴化控制设备等深受欢迎。
据专家分析,机床装备的高速和超高速加工技术的关键是提高机床的主轴转速和进给速度。
该届博览会上展出的加工中心,主轴转速10000~20000r/min,最高进给速度可达20~60m/min;复合、多功能、多轴化控制装备的前景亦被看好。
在零部件一体化程度不断提高、数量减少的同时,加工的形状却日益复杂。
多轴化控制的机床装备适合加工形状复杂的工件。
另外,产品周期的缩短也要求加工机床能够随时调整和适应新的变化,满足各种各样产品的加工需求。
然而更关键的是现代通信技术在机床装备中的应用,信息通信技术的引进使得现代机床的自动化程度进一步提高,操作者可以通过网络或手机对机床的程序进行远程修改,对运转状况进行监控并积累有关数据;通过网络对远程的设备进行维修和检查、提供售后服务等。
在组合机床中,钻铣组合机床并不多见。
由于钻、铣机床的结构类似,因此现如今,市场上多出现的是钻铣机,即是由一个主轴,刀具的更换实现钻铣功能。
如下图所示:
图1-4钻铣机
1.3组合机床的发展趋向
就现在世界机床行业的发展来看,美国、德国、日本是机械制造强国,世界上绝大部分高端的机床均来自这几个国家,像美国的HASS,德国的DMG、TRUMPF,日本的MAZAK、TOYOTA等。
就研究课题,小型钻铣机床来说,现如今,国内外也已经有了初步的发展,一般有以下特点:
机身小巧而功能强大,有足够的刚度,加工噪音小,速度快,占地面积小,但具有钻、铣等功能,既可以大批大量,也可以小批量生产。
系统简洁,内置功能实用。
采用数控系统,操作简单,自动化加工。
系统的兼容性强,可自动识别多种编程语言。
系统可自动识别G指令、HPGL等常用的编程语言,而且编程简单扼要。
程序文件输入方便,方式多样。
有多种联机方式,可采用U口连接,也可以有电脑中直接读加工文件。
组合机床未来的发展将更多的采用调速电动机和滚珠丝杠等传动,以简化结构、缩短生产节拍;采用数字控制系统和主轴箱、卡具自动更换系统,以提高工艺可调性;以及纳入柔性制造系统等。
具体概括以下几点:
1、发展适应中、小批量生产的组合机床;
2、采用新型刀具;
3、发展自动检测技术;
4、提高通用部件的水平;
5、扩大工艺范围。
1.4课题的研究意义与方法
本课题主要研究的就是钻铣功能的组合,实现了这一目的也就为钻铣组合机床填补了这一空白。
在传统的硬盘壳体加工中,需要将钻、铣工序分开加工,增加中间运输时间,工件安装时间,导致生产效率低;但是,由钻铣组合机床加工的硬盘壳体,能够有效的降低加工时间,实现硬盘壳体的快速加工,提高生产效率,增加市场竞争力。
第2章硬盘壳体的加工工艺
2.1加工工艺分析
要进行工艺分析必须首先明确零件的图样。
对零件的图样进行分析。
本课题中,硬盘壳体的三维模型如下图所示:
图2-1硬盘壳体的三维模型
工艺规程是用以指导生产的纲领性文件,是在总结工人和工程技术人员实践经验的基础上,依据科学理论和必要的工艺试验制定的。
对一个零件的加工,工艺规程的设置是非常重要的,其中包括工艺路线的拟定。
工艺路线的拟定一般要经过做以下几个方面的工作:
选择定位基准。
其中包括精基准的选择,粗基准的选择;精基准的选择需要遵循以下原则:
基准重合原则、统一基准原则、互为基准原则、自为基准原则,这四个选择精基准的原则,有时可能不能同时满足,应根据实际条件决定取舍。
粗基准选用同样要循序一些原则,原则如下:
保证零件加工表面相对于不加工表面具有一定的位置度精度;合理分配加工余量;便于装夹;在同一尺寸方向上粗基准一般不得重复使用。
零件表面加工方法的选择。
机械零件的结构形状虽然多种多样,但都是由一些最基本的几何表面(外圆、孔、平面等)组成的,机器零件的加工过程实际就是获得这些几何表面的加工质量的过程。
针对硬盘壳体的加工,加工路线的拟定有很多方法。
综合一些方法,并加以分析,硬盘壳体的加工主要的工艺就是平面的铣削、钻孔这两大类。
传统的加工工艺是先加工基准,加工下底面作为工艺基准。
之后在铣床上加工上表面,然后将硬盘壳体放到钻床上进行孔的加工。
粗精加工分开进行。
而在本课题所研究的钻铣组合机床中,基准的选择上与传统加工相同,之后铣平面工序与钻孔工序在一次装夹过程中完成,大大的提高了加工效率。
硬盘壳体的加工工序图如下所示:
图2-1硬盘壳体加工工序
在图2-2中,以底面为基准,加工上表面及侧面的孔,硬盘的定位采用一孔、一面、一销定位。
“一孔”指的是,在硬盘壳体的中间圆孔用短销定位,可以实现两个自由度的限制;“一面”指的是硬盘的底面靠紧夹具体得一个面,可实现限制3个自由度,再叫上“一销”,即实现约束一个自由度。
从而实现了“六点定位”,没有过约束的情况。
所谓的“六点定位原理”即指选用与加工件相适应的六个支承点来限制工件在空间的六个自由度。
2.2夹具设计
针对一个零件而设计夹具,称为专用夹具。
在本课题中,硬盘的夹具设计就是专用夹具。
专用夹具的设计步骤为:
(1).设计前的准备工作:
明确工件的年生产纲领;熟悉工件的零件图和工序图;了解工艺规程中本工序的加工内容,机床、刀具、切削用量、工步的安排、工时定额及同时加工零件数。
(2).总体方案的确定:
定位方案;夹紧方案;夹具的总体形式。
(3).绘制夹具的装配图:
总装配图应按国家标准尽可能1:
1绘制,这样图样具有良好的直观性。
主视图应按操作实际位置布置,三视图要能完整清楚地表示出夹具的工作原理和结构。
(4).绘制夹具零件图:
对装配图中的非标准零件均应绘制零件图,视图尽可能与装配图上的位置一致,尺寸、形状、位置、配合、加工表面的粗糙度等要标注完整。
硬盘的加工工艺,属于壳体加工工艺的范畴,传统的硬盘壳体,都是将锻造后的毛坯单独在铣床上加工平面,然后在钻床上加工孔,本课题则为了实现硬盘壳体加工的产业化,针对硬盘壳体的铣平面和钻孔,而专门设计机床。
在设计的机床上加工的工艺有,顶面的铣削与钻孔,以及侧面的钻孔。
工艺分析:
硬盘的材料为铝制,组合机床都为专用机床,硬盘壳体的加工属于大批大量生产。
课题所设计的机床,主要实现的功能就是钻削,铣削。
钻铣有一个共同点,就是在加工过程中,主运动都是刀具的回转运动,由此在设计过程中,可以互相印证,采用最佳结构,也达到简化机床,降低机床成本的目的。
硬盘壳体在加工过程中,还存在夹紧定位的问题,通过分析零件,零件适宜采用一孔、一面、一销定位,在夹紧过程中,为了实现快速装夹,设计了专用夹具。
以气缸为动力源,夹紧。
如下图所示:
图2-3夹具的三维
在图2-3中,硬盘壳体装夹在箱体的上表面,通过短圆柱、上表面、圆柱销实现六点定位。
硬盘壳体的夹紧过程如下:
首先六点定位之后,通过控制气缸中的进出气流,造成活塞两端的压强不均,使活塞杆向下滑动,活塞杆与连杆属于刚性连接,活塞杆的运动,带动两根圆柱的向下运动,即压板也向下运动,压紧硬盘壳体,从而实现了硬盘壳体的夹紧;硬盘壳体的放松则是一个相反的运动过程。
2.3本章小结
在本章中,主要提到了硬盘壳体的工艺分析,工序设计,通过对比用本次设计的钻铣机床加工的硬盘与传统的硬盘壳体加工工序的不同,具有的优点。
同时还设计硬盘的专用夹具,实现了硬盘壳体的快速装夹,提高生产效率。
第3章机床的总体设计
机床的总体设计是机床设计中的关键环节,它对机床所能达到的技术性能与经济性能起着决定性的作用。
它主要包括有:
机床系类型谱的制订;机床的方案设计;机床主要参数的设计。
3.1机床系类型谱的制订
为满足国民经济不同部门对机床的要求,机床分成若干种类型,如通常所说的车、铣、刨、磨、钻、镗等11大类通用机床。
每一类型又分为大小不同的几种规格。
参考《现代实用机床设计手册》,本课题所研究的为组合机床,组合机床及其自动线的型号是产品的代号,有汉语拼音字母及阿拉伯数字组成,型号中有固定含义的汉语拼音字母按其相对应的汉字自已读音。
没有固定含义的汉语拼音字母(如重大改进序号),则按汉语拼音字母读音。
组合机床及其自动线型号的表示方法如下:
图3-1组合机床及其自动化型号
组合机床型号的制订如上示,可根据上图制订机床型号。
3.2机床的方案设计
机床的方案设计是机床总体设计中的重要部分,主要包括以下内容:
(1).机床工艺方案的设计,即要决定机床的加工工艺方法、工件在机床上的加工工艺过程,确定合理的切削用量,研究工件在机床上的装夹方法等;
(2).机床的运动和传动方案设计,研究机床表面成形运动的分配方案,决定机床的总体布局结构及各部件结构之间的联系方式,在此基础上决定机床的传动形式;
(3).决定机床结构的承载结构形式,设计机床的总体布局;
(4).设计机床的操作与控制方案等。
由此可见机床的方案设计在机床设计中具有十分重要的地位。
3.2.1机床的工艺分析
所谓的工艺分析就是要研究机床加工对象的加工方法,确定切削用量,进一步进行机床的方案设计和运动参数和动力参数的确定。
本课题的小型钻铣机床是针对硬盘壳体的加工所设计的组合机床,工艺分析如下:
钻削工序:
在钻削工艺中,针对硬盘壳体,选用铣削的切削用量。
根据查《现代实用机床设计手册》表1-3-8,钻削速度
取值范围为20-50
每转的进给量为0.03-0.20
。
铣削工序:
铣削的粗铣,选用的切削用量为,背吃刀量
=2-5
,铣削速度
=300-700
,进给速度f=0.10-0.40
/齿。
精铣的切削用量为:
背吃刀量
=0.1-1
,铣削速度
=500-1500
,进给速度f=0.05-0.30
/齿。
3.2.2运动功能的配置:
根据工艺范围分析和所确定的加工方法,进行运动功能设置。
运动功能的分配方法有两类:
(1).分析式设计方法参考现有的同类型机床的运动功能,经过研究分析,提出所设计机床的运动功能设置方案,然后通过仿真分析其方案的可行性和优劣;
(2).解析式设计方法采用创成式原理,采用解析法求出满足加工工艺范围和加工方法所要求的机床运动功能设置的所有可能方案,然后通过仿真分析评价其方案的可行性与优劣。
同时在分配机床运动功能时,一般要注意一下几点:
(1).移动部件的重量应尽量轻在其他条件相同的情况下,移动部件(包括刀具和工件)的重量越小,所需电机功率与传动件尺寸也越小;
(2).应有利于提高加工精度;
(3).应有利于提高机床刚度,缩小占地面积。
在本课题中,机床运功功能的分配涉及到硬盘壳体的钻铣工序,需要在三个工位进行,根据多方调研以及组合机床的一些特点,机床的床身采用龙门式结构。
两个侧面进行钻削,顶面进行铣削与钻削。
顶面的钻铣削,需要三个平动自由度,即X、Y、Z三个自由度,侧面的的钻削,也需要三个平动的自由度,由于三个孔在一个平面内,故通过配置一个工件的平动,简化顶面的钻铣削与侧面的钻削,由此的机床的运动功能配置为:
顶面两个平动自由度,侧面两个平动自由度,均可以通过选用十字滑台实现,再加上工件的一个平动自由度,如此组合可以实现硬盘壳体的加工。
图3-2机床的运动原理图
机床的运动原理图如上,依照上述原理图,我们可进行下述的机床的总体结构方案设计。
3.3机床的总体结构方案设计:
3.3.1组合机床的分类及基本配置型式
组合机床有大型组合机床和小型组合机床两大类,它们不仅在体积和功率上有大小之别,而且在结构和配置型式等方面也有很大差异。
根据设计题目的要求,这里主要介绍大型组合机床的配置形式。
大型组合机床的配置型式可分为三大类:
一、具有固定式夹具的单工位组合机床
这类组合机床夹具和工作台都固定不动,动力滑台实现进给运动,滑台上的动力箱实现切削主运动。
这类机床的配置型式有以下几种:
1、卧式组合机床(动力箱水平安装);
2、立式组合机床(动力箱垂直安装);
3、倾斜式组合机床(动力箱倾斜安装);
4、复合式组合机床(动力箱具有上述两种以上安装状态)。
二、具有移动式夹具的(多工位)组合机床
这类组合机床的夹具安装在直线移动工作台或回转运动工作台上,并按照一定的节拍做间歇移动或转动,使工位得到转换。
这类机床的配置型式常见的有以下四种:
1、具有移动工作台的组合机床;
2、具有回转工作台的组合机床;
3、鼓轮式组合机床;
4、中央立柱式组合机床。
三、转塔主轴箱式组合机床
转塔主轴箱式组合机床分为两类:
单轴转塔动力头式组合机床和多轴转塔动力头式组合机床。
这类机床的配置型式有:
1、转塔式主轴箱只实现切削运动,被加工零件安装在滑台上,由滑台实现进给运动。
2、转塔式主轴箱安装在滑台上,转塔式主轴箱既实现切削主运动又实现进给运动。
3.3.2组合机床设计方法:
(1).优化设计:
是指在满足用户需求功能的条件下使产品的结构最合理,用料消耗最少,成本最低,工作性能最好。
采用的方法是以数学最优化原理为基础,在满足各种约束条件的前提下合理选择设计变量数值,以获得在一定意义上最佳方案和设计方法,一般采用计算机处理。
(2).可靠性设计:
是指产品或系统在规定的时间,按给定的条件,使产品或系统运行处于“完满的状态”,即无故障或故障率低,失效率低,可靠性高。
一般采用的方法是:
明确可靠性要求,确立可靠性指标,进行可靠性分配,减轻部件、系统的负荷,安全、谨慎的使用,进行应力分析使零部件的变动应力最小,简化结构使达到组合化、标准化、利用成熟技术,适当的冗余设计(安全因数、保鲜期等),利用预测方法(可靠性、维修性、故障),进行可靠性试验、审查设计。
(3).设计决策方法:
是指在设计、计算、评价选择的过程中,正确使用决策方法,以求问题的解决合理性和系统的最优化。
采用的方法有,直接决策法,确定性和非确定性决策,风险决策法,决策树,培欣决策,试验决策,多目标决策法等。
(4).三化设计(系列、通用、标准化):
是指着眼于开发通用,多功能,高性能的产品来满足各种用户需求。
主要采用的方法就是开发在系列产品内部零、部件设计的通用化,把单个产品设计改变为系列产品设计,提高产品标准化的程度。
(5).成组技术:
是指在多品种生产中统一、标准化零件的结构(尺寸、材料要素等),减少零件、部件的数量,扩大增加重复使用已有的设计成果,减少设计人员的重复劳动,以及工艺设计、制造的重复劳动,缩短生产周期,降低成本。
采用的方法是利用相似性原理,对多品种生产的零件,部件进行简化,统一化,标准化,建立设计,工艺指导资料,规范,形成数据库、图形库。
为组织成组生产、社会化协作、柔性自动化打下基础。
(6).模块化设计:
以通用、标准的组件、部件为模块,通过组合,积木化,组成功能不同的多品种产品,满足用户的需求,最大限度的缩短设计周期,降低成本。
采用的方法使,以功能分解为基础,以标准化的结合面,具有独立功能,能独立组织生产和质量控制的模块,组合为用户需求的产品,是模块通用化,扩大模块的使用改变传统以产品为单位的设计制造系统。
(7).面向制造(和装配)的设计:
在保证产品的功能和性能的前提下,考虑从毛坯、加工提高生产率,安全性,质量的稳定性,低成本,减轻劳动强度,改善制造环境。
采用的方法是,采用可塑性加工材料,减少零件的种类,减少复杂零件,减少加工面,尤其是复杂的加工面。
孔系直径一个方面变化,孔端尽可能不加工,使用通用机床、刀具,防止细长、薄壁件,考虑刀具的进、退,明确的加工基面
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