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數(shù)控導軌磨床設(shè)計 開題報告 課題研究的目的和意義 在國民經(jīng)濟各部門、人民的日常生活中，使用者各種機器設(shè)備、 儀器工具，這些機器、機械 、儀器和設(shè)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(chǎn)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(jīng)過多道工序的切削加工才能完 成。因此，機械加工設(shè)備是機械制造業(yè)的主要加工設(shè)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(shù)性能直接影響機械產(chǎn)品的質(zhì)量及其制 造的經(jīng)濟性，進而決定著國民經(jīng)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(chǎn)生，又隨著社會生產(chǎn)的 發(fā)展和科學技術(shù)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(qū)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。現(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(shè)計是設(shè)計人員根據(jù)不同使用部門的要求，運用有關(guān)的科學 技術(shù)知識，進行創(chuàng)造性的勞動。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，使用的要求也不 斷地提高，而科學技術(shù)的發(fā)展和工藝水平的提高，從而使機床的設(shè) 計和制造獲得了迅速的發(fā)展。 畢業(yè)設(shè)計是培養(yǎng)學生設(shè)計能力的重要實踐環(huán)節(jié)，通過設(shè)計掌握 機械設(shè)計的一般規(guī)律，樹立正確的設(shè)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(shè)計的題目為： M1432A 萬能外圓磨床工作臺及砂輪架的設(shè)計，通過本次設(shè)計畢業(yè)設(shè) 計對普通機床組成、控制、結(jié)構(gòu)運動、設(shè)計加以了解；通過機床設(shè) 計掌握普通機床設(shè)計的基本方法,并且對專用機床的設(shè)計作進一步了 解；通過機床設(shè)計培養(yǎng)和鍛煉自身的工程素質(zhì)和工程實踐能力。 國內(nèi)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(yīng)用，計 算機及控制技術(shù)在機械制造設(shè)備中的應(yīng)用是世紀內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的最 重大的技術(shù)進步。自從 1952 年美國第１臺數(shù)控銑床問世至今已經(jīng)歷 了 50 個年頭。 數(shù)控設(shè)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(shè)備家族，每年全世界的產(chǎn)量有 10～20 萬臺，產(chǎn)值上百億美元。 世界制造業(yè)在 20 世紀末的十幾年 中經(jīng)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(jīng)過 重大改組。如美國、德國等幾大制造商都經(jīng)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(shù)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(chǎn) 任務(wù)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(chǎn)品實現(xiàn)向數(shù)控化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型。但總的來說，技術(shù)水平 不高，質(zhì)量不佳，所以在 90 年代初期面臨國家經(jīng)濟由計劃性經(jīng)濟向 市場經(jīng)濟轉(zhuǎn)移調(diào)整，經(jīng)歷了幾年最困難的蕭條時期，那時生產(chǎn)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(nèi)需啟動機床市場，加強限制進口數(shù)控設(shè)備的審批，投資重點支持 關(guān)鍵數(shù)控系統(tǒng)、設(shè)備、技術(shù)攻關(guān)，對數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)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(guān)鍵民用工業(yè)部 門投入大量技改資金，使數(shù)控設(shè)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(chǎn)品的繁榮景象。 數(shù)控技術(shù)經(jīng)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(chǔ)，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(lǐng)域（如 CAD、CAM、CAPP，連接網(wǎng)卡、聲卡、 打印機、攝影機等） ； （3） 對數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)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(chǎn)廠是日本 FANUC 公司， １年生產(chǎn)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(jīng)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(shù)的應(yīng)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(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用 領(lǐng)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(shù) 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(shè)計 CAD 化、功能多樣化 4、智能化、網(wǎng)絡(luò)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(shù) 標準、規(guī)范的建立 擬采取的研究路線 機械制造裝備設(shè)計的步驟設(shè)計類型而不同。創(chuàng)新設(shè)計可分為產(chǎn) 品規(guī)劃、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和工藝設(shè)計等四個階段。 （一）產(chǎn)品規(guī)劃階段 產(chǎn)品規(guī)劃階段的任務(wù)是明確設(shè)計任務(wù)，通常應(yīng)在市場調(diào)查與預 測的基礎(chǔ)上識別產(chǎn)品需求，進行可行性分析，制定設(shè)計任務(wù)書。 在產(chǎn)品規(guī)劃階段將綜合運用技術(shù)預測、市場學、信息學等理論 和方法來解決設(shè)計中出現(xiàn)的問題。 1、 需求分析 產(chǎn)品設(shè)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(wù)是使這些需求具體化和恰到好處。明確設(shè)計任務(wù)的要求。需求分 析的任務(wù)本身就是設(shè)計工作的一部分，是設(shè)計工作的一部分，是設(shè) 計工作的開始，而且自始至終指導設(shè)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(diào)查研究 調(diào)查研究包括市場調(diào)研、技術(shù)調(diào)研和社會環(huán)境調(diào)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(shè)計任務(wù)書 (二) 方案設(shè)計階段 1、對設(shè)計任務(wù)的抽象 2、建立功能結(jié)構(gòu) 3、尋求原理與求解方法 4、初步設(shè)計方案的形成 5、設(shè)計方案的評價與賽選 （三） 技術(shù)設(shè)計階段 1、確定結(jié)構(gòu)原理方案 2、總體設(shè)計 3、結(jié)構(gòu)設(shè)計 （四）工藝設(shè)計階段 1、零件圖設(shè)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(shù)要求等。 2、完善裝配圖 在繪制零件圖時，更加具體地從結(jié)構(gòu)強度、工藝性和標準化等 方面進行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不可避免地要對技術(shù)設(shè)計階段提供的裝 配圖做些修改 3 編寫技術(shù)文檔 設(shè)計工作大體的可分為三個步驟： 1、調(diào)查研究 調(diào)查研究的內(nèi)容一般包括有： ①學習有關(guān)機床設(shè)計的方 針、政策，明確設(shè)計要求； ②到使用單位調(diào)查了解所涉及機 床所要承擔的生產(chǎn)任務(wù)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(diào)查，了解制造廠的設(shè)備條件、技術(shù)能 力和生產(chǎn)經(jīng)驗； ④收集國內(nèi)外同類型機床的技術(shù)文獻和圖紙 資料，并注意調(diào)查它的結(jié)構(gòu)性能、使用和制造情況等，尤其注 意了解新技術(shù)在同類機床上應(yīng)用的情況，以及在設(shè)計新機床時 將要進行那些科學試驗。 2、方案擬定 在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，通常可擬定出多個方案進行比較分 析。每個方案所包括的內(nèi)容有：工藝分析、主要技術(shù)參數(shù)、總 體布局、主要部件的結(jié)構(gòu)草圖、試驗結(jié)果及技術(shù)經(jīng)濟分析等 在制定方案時應(yīng)注意以下幾點： ①處理好使用和制造之間的關(guān)系：應(yīng)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(jīng)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(shè)計必須以生產(chǎn)實踐和 科學實驗為依據(jù)，凡是未經(jīng)實踐考驗的方案，必須經(jīng)過實驗證 明可考后采用與設(shè)計。 ④繼承性和創(chuàng)造性的相結(jié)合，盡量采用先進技術(shù)，迅速提 高生產(chǎn)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(nèi)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(zhuǎn)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(chǎn)； 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(nèi)、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(shù)的發(fā)展，對機械零件的精度和表面質(zhì)量要求越來越高，各種 高硬度材料的應(yīng)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(diào)查數(shù)據(jù)表明， 25%的企業(yè)認為磨削是 他們應(yīng)用的最主要的加工技術(shù)，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(yīng)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(yīng)該 滿足以下幾個基本要求： 1.高幾何精度。 精密磨床應(yīng)有高的幾何精度，主要有砂輪主軸的回轉(zhuǎn)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(yīng)小于 1um，軸 向圓跳動應(yīng)限制在 2—3um 以內(nèi)。 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(chǎn)生振動，會對加工質(zhì)量產(chǎn)生嚴重不良影響。 故對于精密磨床，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)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(jīng)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(zhuǎn)是引起切 削旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)以及徑向進給都應(yīng)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(diào)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(diào)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(chǎn)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(chǎn)，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?qū)Φ堆b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(chǎn)品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應(yīng)用增 多，磨削加工技術(shù)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(jié)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(chǎn)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(zhuǎn)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(shù)并與之合作生產(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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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