毕业设计(论文)内圆弧曲面专用数控车床的工作台设计(全套图纸)

当前专用的内圆弧曲面数控车床在国内外较为少见，一些进口的高精度数控车床， 可以满足加工此类零件的需要，但需配套相应的工装装备。而且价格较高价格从几十万 到一百多万不等。成本相当高，不适合我国国情。而目前我国自行开发研制的主要有普 通专用液压车床，实现了多刀联动的功能，加工效率由原来通用的数控车床：件/2-3 分钟，提高到:件/0.6～0.7 分钟，加工效率提高了 3～5 倍，造价低。但由于全部依靠 机械结构联动，液压传动定位，因而定位精度相对数控机床要低，且不稳定，又电机转 速不够高，因而加工质量不稳定，可靠性较差。
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第一章 绪论 3
第二章 工件工艺分析 2.1 工件的结构分析及技术要求
2.1.1 工件的外形结构分析
如图 2.1 所示，该电饭煲的发热盘属于旋转类外形内圆弧曲面类工件，一般可以通 过车削加工或铣削加工的方式生产。发热盘的碗型托面由 2~3 个弧面组成，该曲面结构 与电饭煲内胆的外形结构相似，可以大幅度的增加发热盘传热的接触面积，提高热能的 传递效果和效率，节能的效果佳。另外，在圆弧面上分别有 3 处工艺夹头位，适用于通 用夹具装夹。
（a） 转塔式刀架
（b） 直排式刀架
图 3.1 数控车床刀架
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3.2.2 直排式刀架
直排式刀架是数控车床用刀架的一种特殊形式。它一般用于小规格数控车床，以加 工棒料或盘类零件为主。该刀架的结构形式为，夹持着各种不同用途刀具的小刀夹沿着 机床 X 轴方向排列在横向滑板上。刀架的典型布置方式如图 3.1（b）所示，这种刀架在 刀具布置和机床换到都较方便、迅速。可以按照零件的车削工艺要求，任意组合成各种 不同用途的刀具，并按机床形成的大小来确定刀具的安装数量。一把刀完成车削任务后， 横向滑板只要按程序沿 X 轴方向移动至预先设定的距离，第二把刀就准备到达加工位置。 这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式快速省时，可以大大提高数控机床的生产 效率。而且刀架也可以安装各种不同用途的动力刀具， 钻、铣、攻螺纹等加工工序， 使零件在一次装夹中完全全部或大部分的工序。
图 2.2 工件的加工部位
2.1.3 工件的加工精度要求
各加工部位的表面要求：刀纹路细腻均匀，清晰美观，不留刀痕；尺寸精度控制在 IT7 级之内。
对于内圆弧面，其表面粗糙度要求在 Ra1.6 以内，形状精度要求达到 0.001~0.01mm 之间。
2.2 工件加工工艺分析
碗型发热盘选用的毛坯位硅铝合金的精铸铸件，且加工余量较小，故切削力较小， 属于很容易切削的材料。所以，车削加工与铣削加工均可满足工件的加工要求。但是， 该工件一般为大批量生产的产品，因此，从加工效率的角度上考虑，工件采用效率更高 的车削加工方式。
图 2.1 电饭煲发热盘工件
2.1.2 工件的加工部位
该工件的毛坯位精铸件，材料为硅铝合金。毛坯精加工的余量为 0.4~0.5mm。根据 其结构的分析，发热盘需要加工的部位如图 2.2 所示，分别有外圆柱面 1、端面 2、倒 圆角 3、双内圆弧曲面 4、内孔倒角 5、内孔面 6。
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第二章 工件工艺分析
3.3 数控车床的刀架的选用
转塔式刀架的结构比较复杂，制造成本较高，而且加工时，动作较多，效率较低。 因为发热盘的外形结构简单，回转直径不大，且加工工序较小。故该数控专用车床的刀 架采用直排式刀架。
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第四章 刀架运动分析
第四章 刀架运动分析
4.1 车刀的选用
4.1.1 车刀的分类[5]
车刀一般可以分为整体式车刀、焊接式车刀、机械夹固定式车刀、可转位式车刀四 种。
对于内圆弧曲面类工件的加工方法，通常由普通的专用车床和数控车床加工。采用 普通的专用车床加工。虽然加工的效率较高（0.6~0.7 分钟/件），但是由于普通的专用 车床加工全部事依靠机械结构联动，液压传动定位，而且电机的转速较低，所以，加工 工件，特别是内圆弧面的精度不稳定，可靠性较差。而使用普通的数控车床车削，加工 的成本较高，而且加工效率较低（2~3 分钟/件），不能发挥数控设备高效率、高精度的 优点。而且在加工过程中，由于工件的外形结构，刀具容易产生过切现象。
全套图纸，加 153893706
1.2 加工该类工件在国内外的发展概况及存在的问题
对内圆弧曲面类工件的加工，国内传统的加工方法是专用普通车床结合靠模，但由 于普通电机转速限制，已不能满足产品的切削效率和精度的要求。而采用数控车床，我 国的数控机床产品主要还是以中、低端的低附加值产品为主，且存在加工精度不稳定和 效率不高的缺点。
3.2 数控车床刀架的分类[1]
3.2.1 转塔式刀架
转塔式刀架是数控车床最常用的一种典型刀架，如图 3.1（a）所示。刀架通过旋转 分度定位来实现机床的自动换到动作。根据刀架回旋轴与安装地面的相对位置，刀架一 般分为立式刀架和卧式刀架；根据加工要求可设计成四方、六方刀架或者圆盘式刀架， 并相应地安装 4 把、6 把或者更多的刀具。转塔式刀架的转刀东为可分为刀架抬起、刀 架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作时由数控系统发出指令完成的。
加工部位 外圆柱端面
端面 倒圆角
表 4.1 刀具的切削轨迹
图示位置
ab(a′b′) cd(c′d ′) bc(b′c′)和 de(d ′e′)
加工部位 双内圆弧曲面
内孔倒角 内孔面
图示位置
ef (e′f ′) fg( f g′ ′) gh(g ′h′)
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第四章 刀架运动分析
X 轴方向
Z 轴方向
图 4.2 刀具的切削轨迹分析图
4.1.2 加工部位的车刀选择
因为直排式刀架的结构特点，刀具的刀杆与机床主轴平行。因此，根据工件加工部 位的特点，对于外圆柱面，采用装 SN 型刀片偏头外圆车车刀加工；对于端面，采用装 TN 型刀片的直头端面车刀加工；对于内孔面、内孔倒角、双内圆弧面、倒圆角，均可采 用装 DN 型刀片的仿形车刀加工。
随着数控技术的发展，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智 能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方 向。而开发研制集普通专用机床和数控机床一体的针对加工内圆弧曲面工件的专用数控 车床，具智能化、高速化、成本低、精度高等特点，适合我国现有以中、小型规模的企 业为主的国情，市场前境广阔。开发内圆弧曲面数控专用车床根据中国的实际情况，消 化吸收国外先进的技术和经验，为社会提供高精度、高效率、低消耗的生产设备。本项 目开发的内圆弧曲面数控专用车床，先以电饭煲发热盘为试切工件，产品切削成功后， 再通过调整安装刀具的位置，加工其它规格同类型的产品，具有专用性的同时也具备通 用特点。该设备集普通专用车床和数控车床的优点，价格定位低，目标是 8 万元/台， 并且产品质量和加工效率都能满足需要，符合国内加工内圆弧面曲面工件的要求。高精 度高效率数控专用机床的研制是我国数控机床研制发展的一个重要方向。产品研制成 功，投入使用，不但可解决部分人的就业情况，同时也为企业创造经济收益。将会产生 较大的经济效益和社会效益。
4.2.2 刀具的切削动作分析
对于外圆柱面 ab(a′b′)和内孔面 gh(g′h′)，刀具的运动轨迹均属于 Z 轴方向的直线运 动。因此，可以根据外圆柱面 ab(a′b′)与内孔面 gh(g′h′)之间的相对距离，设置好外圆车
第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 内圆弧曲面类工件的日常应用
内圆弧曲面类工件，在我国家电、模具、汽车制造及社会其它的各个领域，都广泛 被应用。根据市场调查，仅仅是湛江地区，光是电饭煲这类家电，年产量达 5000 万个/ 年，可见该产品在国内的产量是相当大的。而电饭煲的其中主要元件发热盘，是典型的 双内圆弧曲面工件。为了实现节能目的，该元件的使用要求要具备高的传热效率功能。 则在产品外形设计方面，尽量和电饭煲胆外形一致；尺寸和表面精度方面，尺寸精度要 求高，内圆弧曲面表面的几何精度和粗糙度要求严格，是重要的技术指标，其精度的优 劣直接影响传热效果。因此对其加工工艺，提出了更高的要求，为了达到加工目的，所 使用的工艺装备需具备高效率、高精度、高稳定性的特点。
因此，针对该类内圆弧曲面的工件，应该设计一种集普通的专用车床与数控车床一 体的专用数控车床，该车床兼有智能化、高速化、低成本、高精度等特点。
加工内圆弧曲面类工件的专用数控车床的总体结构如图 2.3 所示，它是由机械系统、 强电系统和数控系统 3 部分组成得几点一体化集成系统。其中强电系统和数控系统与一 般的车床相类似。本次设计主要是针对机械系统中进给运动执行部件进行设计说明。
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1.3 研发内圆弧曲面类专用数控机床目的与意义
随着国内外制造业的不断发展，各种加工方法日新月异，尤其一些带内圆弧曲面工 件的加工方法，由原来的传统方法到现代的数控制造，由普通车床到专用车床，多种多 样，但目的是为了达到低成本、高效率和高精度。传统加工方法的特点是低成本；普通 专用机床的加工特点是高效；数控机床加工方法的特点是高精度，各有其特点。
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图 2.3 专用数控车床结构成框图
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第三章 加工方案的确定
第三章 加工方案的确定
3.1 数控车床刀架的功用[1]
数控车床的刀架是机床的重要组成部分，刀架用于夹持切削用的刀具，因此其性能 和结构直接影响机床的切削性能、切削效率和体现了机床的设计和制造技术。
刀架是直接完成切削加工的执行部件，所以，刀架在结构上必须具有良好的强度和 刚度，以承受加工时的切削抗力。由于切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，所 以要求数控车床选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证有较高的重复定位精 度。此外，刀架的设计还应满足换刀时间短、结构紧凑和安全可靠等要求。
4.1.3 刀杆尺寸确定[5]
因为工件毛坯的加工余量很小，只有 0.4~0.5mm，材料为硅铝合金，切削力很小， 故可以可以采用截面面积较小的刀杆。根据可转位式车刀的标准尺寸（GB5343.2-85）， 采用刀杆截面为 20X20 的方形，长度为 125mm 的刀杆。
4.2 直排式刀架的加工运动分析
目前，内圆弧曲面类工件的加工方法，以电饭煲的碗形发热盘为例，用数控车床车 削，加工成本达二十元，而且加工效率低（每件加工时间要 2～3 分钟）。不能发挥数 控设备高效、高精度的优点。因此通用数控车床加工不能提高生产效率。而用普通的专 用车床，由于转速不能太高及机械控制定位精度的局限性，内圆弧面的加工精度不稳定。
整体式车刀，如图 4.1（a）所示，一般使用高速钢材料整刀制造，刀材比较浪费且 切削的性能不理想。焊接式车刀，如图如图 4.1（b）所示，是把一定形状的硬质合金刀 片钎焊在普通碳钢刀杆上，再经刃磨制成。虽然结构简单，制造方便，但是焊接容易导 致刀片强度下降，而且其换刀和对刀的时间较长，且一般都是整刀报废，与现代化生产 理念不相符。故本次设计不采用上述两种车刀。
从上述看出内圆弧曲面工件的加工制造方法存在着不少的问题(精度和成本)，因此 研制一种数控专用加工车床很有必要。该车床既能提高加工效率、又能满足加工精度。 该工艺装备目前在国内还未见开发研究的实例。项目立项建设将填补国内内圆弧曲面类 工件专用数控车床的空白，有效地提高国内自制专用数控机床的质量及性能，加强企业 的国际市场竞争力，推动企业技术的不断进步，扩大国产内圆弧曲面类工件专用数控车 床的销售量。
当仿形车刀到达内孔面的加工位置时外圆车刀也要到达外圆柱面加工位置因为内孔面比外圆柱面的加工距离要长所以两刀的轴向距离要大于或者等于点g与bc水平距离即mm因为外圆车刀和仿形车刀同时加工外圆柱面和内孔面因此两刀的的径向距离等于ab与gh的垂直距离即mm完成后此时端面车刀应该到达加工位置即与工件的端面平齐因此两刀的轴向距离等于点c与cd的的轴向距离即mm当仿形车刀加工外圆角时端面车刀位于工件之内但不能与工件内圆弧面发生接触因此两刀的径向距离要大于点b到双内圆弧面而ef的径向距离即mm但是考虑刀片的形状以及小刀夹的安装位置故取mm当仿形车刀完成加工内孔面完成时直排式刀架沿z轴方向进给距离最大此时刀架不能工件发生接触因此仿形车刀刀尖与刀架的轴向距离要大于点h与cd的水平距离即mm所示
（a） 整体式车刀
（b） 焊接式车刀
（c） 机械夹固定式车刀
（d） 可转位式车刀
图 4.1 车刀的分类
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Hale Waihona Puke 机械夹固定式车刀式将标准硬质合金刀片用机械夹固定的方法安装在刀杆上，如图 4.1（c）所示，结构简单、可靠，有效避免焊接式车刀因焊接带来的缺陷。但是它仍然 存在着重磨刀刃时可能引起的裂纹问题。而可转位式车刀可通过可转位刀片快速换刀， 如图 4.1（d）所示，避免了焊接、重磨带来的缺陷，生产效率和质量大大提高。综合上 述，本次设计采用可转位式车刀。
4.2.1 刀具的切削轨迹
因为机床采用直排式刀架加工工件，所以刀架上的刀具的运动轨迹分别包括 X 轴方 向的横向直线运动、Z 轴方向的纵向直线运动和两周联动所作的圆弧运动。根据工件外 形结构、加工部位分析以及直排式刀架的特点，工件可以一次加工成形。
根据图 4.2 刀具的切削轨迹分析，可知刀具的切削轨迹，见表 4.1。