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數(shù)控導軌磨床設計 開題報告 課題研究的目的和意義 在國民經濟各部門、人民的日常生活中，使用者各種機器設備、 儀器工具，這些機器、機械 、儀器和設備和工具大部分是由一定的 形狀和尺寸的金屬零件所組成的。生產這些零件并將它們裝配成機器、 機械、儀器和工具的工業(yè)，稱為機械制造工業(yè)。在機械零件的制造過 程中，采用鑄造、鍛壓、焊接、沖壓等制造方法，可以獲得低精度零 件。對于精度要求高、表面粗糙度小的零件，主要依靠切削加工的方 法獲得，尤其是加工精密零件時，需經過多道工序的切削加工才能完 成。因此，機械加工設備是機械制造業(yè)的主要加工設備。在一般的機 器制造廠中，金屬切削機床所負擔的加工工作量，余額占總工作量的 40%～60%。金屬切削機床的技術性能直接影響機械產品的質量及其制 造的經濟性，進而決定著國民經濟的發(fā)展水平。 。 機床是在人類認識和改造自然的過程中產生，又隨著社會生產的 發(fā)展和科學技術的進步而不斷發(fā)展、不斷完成的。最原始的機床是木 制的，所有運動由人力或畜力驅動，主要用于加工木料、石料和陶瓷 制品的泥坯，它們實際上并不是一種完整的機器?，F(xiàn)代意義上的用于 加工金屬機械零件的機床，是在 18 世紀中葉開始發(fā)展起來的。 機床設計是設計人員根據(jù)不同使用部門的要求，運用有關的科學 技術知識，進行創(chuàng)造性的勞動。隨著生產的發(fā)展，使用的要求也不 斷地提高，而科學技術的發(fā)展和工藝水平的提高，從而使機床的設 計和制造獲得了迅速的發(fā)展。 畢業(yè)設計是培養(yǎng)學生設計能力的重要實踐環(huán)節(jié)，通過設計掌握 機械設計的一般規(guī)律，樹立正確的設計思想，培養(yǎng)學生分析和解決 實際問題的能力，使學生成功的走向工作崗位。我設計的題目為： M1432A 萬能外圓磨床工作臺及砂輪架的設計，通過本次設計畢業(yè)設 計對普通機床組成、控制、結構運動、設計加以了解；通過機床設 計掌握普通機床設計的基本方法,并且對專用機床的設計作進一步了 解；通過機床設計培養(yǎng)和鍛煉自身的工程素質和工程實踐能力。 國內外研究現(xiàn)狀 機床研究現(xiàn)狀 20 世紀人類社會最偉大的科技成果是計算機的發(fā)明與應用，計 算機及控制技術在機械制造設備中的應用是世紀內制造業(yè)發(fā)展的最 重大的技術進步。自從 1952 年美國第１臺數(shù)控銑床問世至今已經歷 了 50 個年頭。 數(shù)控設備包括：車、銑、加工中心、鏜、磨、沖壓、電加工以 及各類專機，形成龐大的數(shù)控制造設備家族，每年全世界的產量有 10～20 萬臺，產值上百億美元。 世界制造業(yè)在 20 世紀末的十幾年 中經歷了幾次反復，曾一度幾乎快成為夕陽工業(yè)，所以美國人首先 提出了要振興現(xiàn)代制造業(yè)。90 年代的全世界數(shù)控機床制造業(yè)都經過 重大改組。如美國、德國等幾大制造商都經過較大變動，從 90 年代 初開始已出現(xiàn)明顯的回升，在全世界制造業(yè)形成新的技術更新浪潮。 如德國機床行業(yè)從 2000 年至今已接受３個月以后的訂貨合同，生產 任務飽滿。 我國數(shù)控機床制造業(yè)在 80 年代曾有過高速發(fā)展的階段，許多機 床廠從傳統(tǒng)產品實現(xiàn)向數(shù)控化產品的轉型。但總的來說，技術水平 不高，質量不佳，所以在 90 年代初期面臨國家經濟由計劃性經濟向 市場經濟轉移調整，經歷了幾年最困難的蕭條時期，那時生產能力 降到 50％，庫存超過４個月。從 1995 年“九五”以后國家從擴大 內需啟動機床市場，加強限制進口數(shù)控設備的審批，投資重點支持 關鍵數(shù)控系統(tǒng)、設備、技術攻關，對數(shù)控設備生產起到了很大的促 進作用，尤其是在 1999 年以后，國家向國防工業(yè)及關鍵民用工業(yè)部 門投入大量技改資金，使數(shù)控設備制造市場一派繁榮。從 2000 年８ 月份的上海數(shù)控機床展覽會和 2001 年４月北京國際機床展覽會上， 也可以看到多品種產品的繁榮景象。 數(shù)控技術經過 50 年的２個階段和６代的發(fā)展： 第１階段：硬 件數(shù)控（NC） 第１代： 1952 年的電子管 第２代：1959 年晶體管分 離元件 第３代： 1965 年的小規(guī)模集成電路。第２階段：軟件數(shù)控 （CNC） 第４代：1970 年的小型計算機 第５代：1974 年的微處理 器 第６代： 1990 年基于個人 PC 機（PC-BASEO） 第６代的系統(tǒng)優(yōu) 點主要有： （１） 元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可達到 ５萬小時以上； （2） 提供了開放式基礎，可供利用的軟、硬件資源豐富，使 數(shù)控功能擴展到很寬的領域（如 CAD、CAM、CAPP，連接網卡、聲卡、 打印機、攝影機等） ； （3） 對數(shù)控系統(tǒng)生產廠來說，提供了優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境，簡化 了硬件。 目前，國際上最大的數(shù)控系統(tǒng)生產廠是日本 FANUC 公司， １年生產５萬套以上系統(tǒng)，占世界市場約 40％左右，其次是德國的 西門子公司約占 15％以上，再次是德海德漢爾，西班牙發(fā)格，意大 利菲亞，法國的ＮＵＭ，日本的三菱、安川。 發(fā)展趨勢 制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經濟發(fā)展的重要支柱，機械制造是制 造業(yè)的核心。數(shù)控技術的應用使得傳統(tǒng)的制造業(yè)帶來了革命性的變 化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和應用 領域的擴大，它對國民生計起著越來與重要的作用。當前數(shù)控技術 及其裝備的發(fā)展的趨勢：1、高速、精密化 2、可靠性 3、數(shù)控機 床設計 CAD 化、功能多樣化 4、智能化、網絡化、柔性化、集成化 5、開放性 6、復合性 7、串行總線計算機數(shù)控系統(tǒng) 8、重視新技術 標準、規(guī)范的建立 擬采取的研究路線 機械制造裝備設計的步驟設計類型而不同。創(chuàng)新設計可分為產 品規(guī)劃、方案設計、技術設計和工藝設計等四個階段。 （一）產品規(guī)劃階段 產品規(guī)劃階段的任務是明確設計任務，通常應在市場調查與預 測的基礎上識別產品需求，進行可行性分析，制定設計任務書。 在產品規(guī)劃階段將綜合運用技術預測、市場學、信息學等理論 和方法來解決設計中出現(xiàn)的問題。 1、 需求分析 產品設計是為了滿足市場的要求，而市場的需求往往是不具體 的，有時是模糊的 、潛在的，甚至是不可能實現(xiàn)的。需求分析的任 務是使這些需求具體化和恰到好處。明確設計任務的要求。需求分 析的任務本身就是設計工作的一部分，是設計工作的一部分，是設 計工作的開始，而且自始至終指導設計工作的進行。 需求分析一般包括對銷售市場和原材料市場的分析 1、 調查研究 調查研究包括市場調研、技術調研和社會環(huán)境調研三個部分 2、 預測 定性預測和定量預測 3、 可行性分析 4、 編制設計任務書 (二) 方案設計階段 1、對設計任務的抽象 2、建立功能結構 3、尋求原理與求解方法 4、初步設計方案的形成 5、設計方案的評價與賽選 （三） 技術設計階段 1、確定結構原理方案 2、總體設計 3、結構設計 （四）工藝設計階段 1、零件圖設計 在零件圖中包含了為制造零件所需的全部信息，這些信息包括 幾何形狀、全部尺寸、加工面的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度、 材料和熱處理要求、其他特殊技術要求等。 2、完善裝配圖 在繪制零件圖時，更加具體地從結構強度、工藝性和標準化等 方面進行零件的結構設計，不可避免地要對技術設計階段提供的裝 配圖做些修改 3 編寫技術文檔 設計工作大體的可分為三個步驟： 1、調查研究 調查研究的內容一般包括有： ①學習有關機床設計的方 針、政策，明確設計要求； ②到使用單位調查了解所涉及機 床所要承擔的生產任務和加工工藝，了解使用單位的對機床的 要求； ③到制造單位調查，了解制造廠的設備條件、技術能 力和生產經驗； ④收集國內外同類型機床的技術文獻和圖紙 資料，并注意調查它的結構性能、使用和制造情況等，尤其注 意了解新技術在同類機床上應用的情況，以及在設計新機床時 將要進行那些科學試驗。 2、方案擬定 在調查研究的基礎上，通?？蓴M定出多個方案進行比較分 析。每個方案所包括的內容有：工藝分析、主要技術參數(shù)、總 體布局、主要部件的結構草圖、試驗結果及技術經濟分析等 在制定方案時應注意以下幾點： ①處理好使用和制造之間的關系：應首先滿足使用要求， 其次是盡可能便于制造。 ②注意傾聽各方面意見，經過分析比較，去粗取精，最后 形成一個比較使用方案。 ③ 實驗是檢驗真理的唯一標準，設計必須以生產實踐和 科學實驗為依據(jù)，凡是未經實踐考驗的方案，必須經過實驗證 明可考后采用與設計。 ④繼承性和創(chuàng)造性的相結合，盡量采用先進技術，迅速提 高生產力。 文獻綜述 題 目：磨床概述文獻綜述 目 錄 1.1 磨床的類型與用途 3 1.1.1 磨床的類型及其特點 .3 1.1.2 磨床的用途 .3 1.1.3 外圓磨削和端面外圓磨床 4 1.1.4 磨床的用途 .5 1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 .6 參考文獻 .7 1.1 磨床的類型與用途 1.1.1 磨床的類型及其特點 用磨料磨具（砂輪、砂帶、油石和研磨料等）為工具進行切削加工的機床， 統(tǒng)稱為磨床（英文為 Grinding machine） ，它們是因精加工和硬表面的需要而發(fā) 展起來的 [1]。 磨床種類很多，主要有：外圓磨床、內圓磨床、平面磨床、工具磨床和用 來磨削特定表面和工件的專門化磨床，如花鍵軸磨床、凸輪軸磨床、曲軸磨床 等 [2]。 對外圓磨床來說，又可分為普通外圓磨床、萬能外圓磨床、無心外圓磨床、 寬砂輪外圓磨床、端面外圓磨床等 以上均為使用砂輪作切削工具的磨床。此外，還有以柔性砂帶為切削工具 的砂帶磨床，以油石和研磨劑為切削工具的精磨磨床等。 磨床與其他機床相比，具有以下幾個特點： 1、磨床的磨具（砂輪）相對于工件做高速旋轉運動（一般砂輪圓周線速度 在 35 米/秒左右，目前已向 200 米/秒以上發(fā)展） ； 2、它能加工表面硬度很高的金屬和非金屬材料的工件； 3、它能使工件表面獲得很高的精度和光潔度； 4、易于實現(xiàn)自動化和自動線，進行高效率生產； 5、磨床通常是電動機---油泵--- 發(fā)動部件，通過機械，電氣，液壓傳動--- 傳 動部件帶動工件和砂輪相對運動---工件部分組成 [1]。 1.1.2 磨床的用途 磨床可以加工各種表面，如內、外圓柱面和圓錐面、平面、漸開線齒廓面、 螺旋面以及各種成形表面。磨床可進行荒加工、粗加工、精加工和超精加工， 可以進行各種高硬、超硬材料的加工，還可以刃磨刀具和進行切斷等，工藝范 圍十分廣泛。 隨著科學技術的發(fā)展，對機械零件的精度和表面質量要求越來越高，各種 高硬度材料的應用日益增多。精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展，使得有可能將 毛坯直接磨成成品。高速磨削和強力磨削，進一步提高了磨削效率。因此，磨 床的使用范圍日益擴大。它在金屬切削機床所占的比重不斷上升。目前在工業(yè) 發(fā)達的國家中，磨床在機床總數(shù)中的比例已達 30%----40%。 據(jù) 1997 年歐洲機床展覽會(EMO)的調查數(shù)據(jù)表明， 25%的企業(yè)認為磨削是 他們應用的最主要的加工技術，車削只占 23%， 鉆削占 22%，其它占 8%；而 磨床在企業(yè)中占機床的比例高達 42%，車床占 23%，銑床占 22%，鉆床占 14%[3]。由此可見，在精密加工當中，有許多零部件是通過精密磨削來達到其 要求的，而精密磨削加工會要在相應的精密磨床上進行，因此精密磨床在精密 加工中占有舉足輕重的作用。但是要實現(xiàn)精密磨削加工，則所用的磨床就應該 滿足以下幾個基本要求： 1.高幾何精度。 精密磨床應有高的幾何精度，主要有砂輪主軸的回轉精度 和導軌的直線度以保證工件的幾何形狀精度。主軸軸承可采用液體靜壓軸承、 短三塊瓦或長三塊瓦油膜軸承，整體度油楔式動壓軸承及動靜壓組合軸承等。 當前采用動壓軸承和動靜壓軸承較多。主軸的徑向圓跳動一般應小于 1um，軸 向圓跳動應限制在 2—3um 以內。 2.低速進給運動的穩(wěn)定性。 由于砂輪的修整導程要求 10—15mm/min，因 此工作臺必須低速進給運動，要求無爬行和無沖擊現(xiàn)象并能平穩(wěn)工作。 3.減少振動。 精密磨削時如果產生振動，會對加工質量產生嚴重不良影響。 故對于精密磨床，在結構上應考慮減少振動。 4.減少熱變形。 精密磨削中熱變形引起的加工誤差會達到總誤差的 50％，故機床和工藝系統(tǒng)的熱變形已經成為實現(xiàn)精密磨削的主要障礙。 1.1.3 外圓磨削和端面外圓磨床 1.外圓磨削 在外圓磨削過程中，工件是安裝在兩頂尖的中心之間，砂輪旋轉是引起切 削旋轉的主要來源和原因?；镜猛鈭A磨削方法有兩種，即橫磨法磨外圓和縱 磨法磨外圓，如圖 1－1 和圖 1－2 所示。 事實上，外圓磨削可以通過其他以下幾種方法來實施： （1）傳遞方法：在這種方法中，磨削砂輪和工件旋轉以及徑向進給都應滿 足所有的整個長度，切削的深度是由磨削砂輪到工件的縱向進給來調整的。 （2）沖壓切削方法：在這種方法中，磨削是通過砂輪的縱向進給和無軸向 進給來完成的，正如我們所看到的，只有在表面成為圓柱的寬度比磨削輪磨損 寬度短時，這種方法才能完成。 圖 1－1 橫磨法磨外圓 圖 1－2 縱磨法磨外圓 （3）整塊深度切削方法：除了在磨削過程中，要進行間隙調整外，這種方 法與傳遞方法很相似，同時這種方法具有代表性，除了磨削短而粗的軸。 2.端面外圓磨床及其特點 端面外圓磨床是外圓磨床的一種變形機床，它宜于大批量磨削帶肩的軸類 工件，有較高的生產率。它的特點如下 （1）這種磨床的布局形成和運動聯(lián)系與外圓磨床相似，只是砂輪架與頭架， 尾架中心連線傾斜一角度（通常 10°，15°，26.23°，30°，45°） ，如圖 1－3 所示，數(shù)控端面外圓磨床 MKS1632A 的砂輪架與頭架，尾架中心連線傾 斜 30°。為避免砂輪架與工件或尾架相碰，砂輪安裝在砂輪架的右邊，從斜向 切入，一次磨削工件外圓和端面。 （2）由于它適用于大批量生產，所以具有自動磨削循環(huán)，完成快速進給 （長切入）---粗磨---精磨—無花磨削。由定程裝置或自動測量控制工件尺寸。 （3）裝有砂輪成型修整器，按樣板修整出磨削工件外圓和端面的成型砂輪， 為保證端面尺寸穩(wěn)定及操作安全，一般具有軸向對刀裝置。 圖 1－3 砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜一角度 1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 隨著機械產品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應用增 多，磨削加工技術正朝著超硬度磨料磨具、開發(fā)精密及超精密磨削（從微米、 亞微米磨削向納米磨削發(fā)展）和研制高精度、高剛度、多軸的自動化磨床等方 向發(fā)展 [4]，如用于超精密磨削的樹脂結合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小至 4μm、磨削精度高達 0.025μm；使用電主軸單元可使砂輪線速度高達 400m/s，但這樣的線速度一般僅用于實驗室，實際生產中常用的砂輪線速度為 40－60m/s ；從精度上看，定位精度＜2μm，重復定位精度≤±1μm 的機床已 越來越多；從主軸轉速來看，8.2kw 主軸達 60000r/min，13kw 達 42000r/min， 高速已不是小功率主軸的專有特征；從剛性上看，已出現(xiàn)可加工 60HRC 硬度材 料的加工中心。 北京第二機床廠引進日本豐田工機公司先進技術并與之合作生產的 GA（P）62－ 63 數(shù)控外圓/數(shù)控端面外圓磨床，砂輪架采用原裝進口，砂輪線速 度可達 60m/s，砂輪架主軸采用高剛性動靜壓軸承提高旋轉精度，采用日本豐 田工機公司 GC32－ECNC 磨床專用數(shù)控系統(tǒng)可實現(xiàn)二軸（X 和 Z）到四軸 （X、Z 、U 和 W）控制。 此外，對磨床的環(huán)保要求越來越高，絕大部分的機床產品都采用全封閉的 罩殼，絕對沒有切屑或切削液外濺的現(xiàn)象。大量的工業(yè)清洗機和切削液處理機 系統(tǒng)反映現(xiàn)代制造業(yè)對環(huán)保越來越高的要求。 參考文獻 [1] 蘭雄侯，王繼先，高航磨削溫度理論研究的現(xiàn)狀與進展[A]，沈陽：東 北大學機械工程及自動化學院. 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