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開(kāi)題報(bào)告
題 目：VMC22200型龍門(mén)五面體加工中心
滑鞍工藝工裝設(shè)計(jì)
系 別：
專(zhuān) 業(yè)：
姓 名：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師：
年 11 月 12 日
- 10 -
廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告
系別
專(zhuān)業(yè)
班級(jí)
姓名
學(xué)號(hào)
聯(lián)系方式
題目
VMC22200型龍門(mén)五面體加工中心滑鞍工藝工裝設(shè)計(jì)
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(mén)機(jī)床一般只能進(jìn)行單面加工，當(dāng)加工零件的另一個(gè)表面時(shí)，需要加裝一個(gè)
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(dòng)
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(mén)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(shí)現(xiàn)工
件五個(gè)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(diǎn)研究的對(duì)象之一。
2.意義
VMC22200型龍門(mén)五面體加工中心主要面向汽車(chē)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(dòng)部件之一，是連接機(jī)床橫梁和主軸箱的紐帶。在滿(mǎn)足靜動(dòng)剛度的前提下應(yīng)盡量減輕其質(zhì)量，以便提高移動(dòng)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(jì)具有非常典型的代表性。所以我們以此為研究對(duì)象，從各種方面來(lái)了解，剖析滑鞍，然后設(shè)計(jì)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<<立式加工中心動(dòng)態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)選>>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(duì)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(duì)原機(jī)床設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)提出了幾種改進(jìn)方案,基于動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)對(duì)主要零部件做了方案比較式優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)較為合理,可應(yīng)用于實(shí)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(kāi)放性，但是ANSYS的幾何建模功能相對(duì)較弱，如果利用ANSYS提供的建模方法，無(wú)論是自底向上的建模方式還是通過(guò)自頂向下建模方式，對(duì)于建立一個(gè)復(fù)雜的模型來(lái)說(shuō)，都將是個(gè)極其煩瑣的過(guò)程，這將大大浪費(fèi)了設(shè)計(jì)人員的時(shí)間。Pro ／ Engineer 是一個(gè)高效的三維機(jī)械設(shè)計(jì)工具，它可快速繪制出任意復(fù)雜形狀的零件，同時(shí)由于Pro ／ Engineer 與 ANSYS具有良好的無(wú)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(gè)軟件的優(yōu)勢(shì)，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(duì)X H 7 1 5立式加工中心整機(jī)的諧響應(yīng)分析時(shí)，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(jiǎn)諧激振力。根據(jù)模態(tài)分析得到的機(jī)床動(dòng)態(tài)特性以及實(shí)際工況下激勵(lì)力的頻率，設(shè)置簡(jiǎn)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(jiǎn)諧力激勵(lì)下機(jī)床刀具部位的振動(dòng)幅頻響應(yīng)曲線(xiàn)，這是衡量機(jī)床動(dòng)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(shí),系統(tǒng)發(fā)生共振幅值較大,其他固有頻率激振時(shí)對(duì)機(jī)床刀具部位的影響相對(duì)較小，非固有頻率激振時(shí),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(jì)是一種尋找確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。本文采用 ANSYS有限元分析軟件,通過(guò)對(duì)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(jì)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(jì)結(jié)果，得到較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。床身和立柱是 XH715立式加工中心的兩個(gè)極其重要的結(jié)構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸和布局形式，決定了其動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)劣，提高床身和立柱零件的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)保證機(jī)床的加工精度及穩(wěn)定性具有重要意義。通過(guò)對(duì)原整機(jī)有限元模型動(dòng)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(shuō)床身和立柱是整機(jī)設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)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(jì)出改進(jìn) A 型、改進(jìn) B 型兩種床身設(shè)計(jì)方案 。
本研究還參考了《五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)加工中心現(xiàn)狀與發(fā)展策略》這篇文章，通過(guò)對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)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(diǎn)，找出了國(guó)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(chǎng)現(xiàn)狀大膽地提出機(jī)床市場(chǎng)發(fā)展策略,供借鑒與交流 。
1 機(jī)床發(fā)展趨向
FDA 、J0Bs，法國(guó)FOREs T — uN E 等等。五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)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(dòng)龍門(mén)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(guó)外已將五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)加工中心應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，西方國(guó)家擔(dān)心高性能數(shù)控機(jī)床被中國(guó)用于國(guó)防工業(yè)，長(zhǎng)期對(duì)中國(guó)實(shí)施限制性出口政策。國(guó)內(nèi)起步較晚，江蘇多棱于1999年在北京機(jī)床展推出國(guó)內(nèi)首臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)鏜銑床。近年來(lái)五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)加工中心發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)企業(yè)諸如多棱、桂林機(jī)床、沈陽(yáng)機(jī)床、北一、濟(jì)二、漢川、大連等內(nèi)地企業(yè)及臺(tái)灣亞崴、喬葳進(jìn)、協(xié)鴻、喬福等廠家均試制、生產(chǎn)該類(lèi)機(jī)床，但目前均處于研制階段，未形成規(guī)模效應(yīng)。國(guó)內(nèi)主要的飛機(jī)制造企業(yè)已經(jīng)有大量進(jìn)口國(guó)外該類(lèi)機(jī)床。國(guó)際上主要生產(chǎn)企業(yè)有日本SNK、OKUMA 、MAZAK，
德國(guó)瓦德利希一濟(jì)根、科堡 、ZIMMERMANN 。
三、研究現(xiàn)狀
從龍門(mén)加工中心主要部件的發(fā)展情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)外龍門(mén)加工中心的龍門(mén)和滑
枕的機(jī)構(gòu)基本都具有以下特點(diǎn)：
1. 龍門(mén) 主要是由一個(gè)橫梁和兩個(gè)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(lèi)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?yàn)樵诩庸た拷ぷ髋_(tái)面的工件部位時(shí)，滑枕伸出長(zhǎng)度過(guò)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(dòng)不能與滑枕上下移動(dòng)聯(lián)動(dòng)，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(dòng)可以與滑枕上下移動(dòng)聯(lián)動(dòng)，加工范圍較廣，適合新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。立柱和橫梁的橫截面為矩形，剛性好，可耐重切削并長(zhǎng)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(dòng)作靈活、迅速且準(zhǔn)確。由于主軸箱左右移動(dòng)時(shí)，橫梁升降用滾珠絲杠所受負(fù)載有變動(dòng)，使精度降低，所以采用配置在橫梁左右兩側(cè)的油缸來(lái)平衡主軸箱左右移動(dòng)造成的變動(dòng)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(kāi)式和閉式兩種型式。開(kāi)式結(jié)構(gòu)的滑枕通過(guò)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(dòng)靈活，可實(shí)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(zhǎng)時(shí)間連續(xù)重切削，也可保持高精度?；淼男谐桃詽M(mǎn)足工件側(cè)面下部的加工要求為宜，不宜太長(zhǎng)，以免影響加工時(shí)的機(jī)床剛度?；砩系淖詣?dòng)更換附件頭裝置采用大直徑的鼠齒盤(pán)和強(qiáng)力液壓夾緊機(jī)構(gòu)，動(dòng)作簡(jiǎn)單，附件頭可進(jìn)行重切削，主軸的分度簡(jiǎn)單準(zhǔn)確。當(dāng)鼠齒盤(pán)齒數(shù)為72時(shí)，主軸的最小分度為5°;當(dāng)鼠齒盤(pán)齒數(shù)為144時(shí)，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?；聿捎靡惑w型的結(jié)構(gòu)，以提高機(jī)床的整體剛性。
1.國(guó)外研究現(xiàn)狀
在國(guó)外，美國(guó)Catholic大學(xué)G.Biabchi等進(jìn)行了機(jī)床的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(shí)技術(shù)進(jìn)行了機(jī)床結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)；M ichigan大學(xué)的T Jiang和M Chvedast在應(yīng)用有限元法和動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)模型來(lái)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(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)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(jì)。
2.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
龍門(mén)加工中心經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的技術(shù)發(fā)展和推動(dòng)，已從傳統(tǒng)的單軸式發(fā)展到多軸式，傳統(tǒng)龍門(mén)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(duì)于龍門(mén)五面體加工中心，由于我國(guó)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(guó)外對(duì)核心技術(shù)的封鎖，導(dǎo)致我國(guó)五面體加工中心發(fā)展緩慢（國(guó)內(nèi)在本課題方面的研究情況及最新發(fā)展趨勢(shì)）在國(guó)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(duì)機(jī)床床身的動(dòng)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(duì)機(jī)床動(dòng)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(duì)其靜動(dòng)態(tài)特性的影響；宋健偉等進(jìn)行了機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)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(wèn)題有待進(jìn)一步地研究和解決。首先，機(jī)床結(jié)合面動(dòng)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(mǎn)足要求；但隨著機(jī)床設(shè)計(jì)精度要求越來(lái)越高的情況下，機(jī)床的結(jié)合面動(dòng)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(jì)算只能考慮靜態(tài)力的作用，整機(jī)的動(dòng)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(lái)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(jì)方案比較
方案一：
工序一 粗、精鏜、、階梯孔
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(yàn)
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、、階梯孔
工序七 粗鉗工。去除銳邊毛刺
工序八 檢驗(yàn)
第二條工藝路線(xiàn)不同于第一條工藝路線(xiàn)的是把粗、精鏜、、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的原則。當(dāng)零件上有較大的平面可作為定位基準(zhǔn)時(shí)，可先加工出來(lái)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(huà)，孔的銳邊毛刺會(huì)影響加工主軸導(dǎo)軌面工序時(shí)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(gè)前提下，發(fā)現(xiàn)第二個(gè)方案比較合理。所以我決定以第二個(gè)方案進(jìn)行生產(chǎn)。
六、畢業(yè)設(shè)計(jì)提綱
一、對(duì)零件進(jìn)行工藝分析，畫(huà)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(jì)
（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(xiàn)
（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(shí)
三、夾具設(shè)計(jì)
一、問(wèn)題的提出
二、夾具設(shè)計(jì)
（一）確定設(shè)計(jì)方案
（二）選擇定位元件
（三）計(jì)算所需要的夾緊力
（四）畫(huà)夾具裝配圖
四、 編寫(xiě)說(shuō)明書(shū)
六、進(jìn)度安排
序號(hào)
任務(wù)名稱(chēng)
時(shí)間
1
畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告
第七學(xué)期第八周~第十三周
2
主要設(shè)計(jì)工作，包括草圖、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shuō)明書(shū)、外文資料），老師審閱初稿，提出修改意見(jiàn)。
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)
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指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日
教研室或系審核意見(jiàn)：
教研室（系）主任簽名： 年 月 日
備注：本開(kāi)題報(bào)告須裝入學(xué)生的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）檔案袋存檔。