****学院毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：系 别：机械工程与自动化系专 业：机械设计制造及其自动化设 计 题 目：机床立柱的加工工艺及专用刀具设计指导教师: 年 3 月 25 日毕 业 设 计 开 题 报 告1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述文 献 综 述一．本课题的研究背景及意义立柱是机床中主要的构件之一，它支撑着主轴系统立柱的刚性是影响加工精度的重要因素之一目前，许多立式数控机床采用了龙门式立柱龙门式立柱只靠两侧的支腿与床身联接．在切削过程中易发生左右和前后方向的变形和摇摆振动．对加工精度有很大的影响若要提高效控机床的加工精度和切削效率，必须增强龙门式立拄在左右和前后方向的动、静刚度龙门式机床由于其跨距大、整体高度较高、横梁较重，立柱本身的低阶振型表现为左右及前后方向振动要想提高立柱的刚度，必须加强支腿的刚度、减轻横梁部分的质量[1]龙门加工中心立柱主要用于支撑横梁、导轨等部件，是大型龙门加工中心的重要组成部分，它的强度、刚度性能直接影响整机的加工精度，抗振性、切削效率和寿命大型龙门加工中心立柱外形尺寸较大（长度可达6米以上），受力状况复杂。
[2]通过在立柱内部增设加强筋，在保持立柱体积不变，仅微量增加立柱重量的条件下，减小了受力后的变形量，显著提高了立柱的刚度，有助于提高该型加工中心的加工精度稳定性[3]机械制造工艺学（machinery technology）是研究集机械、电子、光学、信息科学、材料科学、生物科学、激光学、管理学等最新成就为一体的一个新兴技术与新兴工业，归纳总结机械制造工艺的科学理论与实践，探索解决工艺过程中遇到的实际问题，从而揭示出一般规律的一门科学工艺是制造技术的灵魂、核心和关键现代制造工艺技术的重要组成部分，也是其最有活力的部分产品从设计变为现实是必须通过加工才能完成的，工艺是设计和制造的桥梁，设计的可行性往往会受到工艺的制约，工艺（包括检测）往往会成为“瓶颈”，因此，工艺方法和水平是十分重要的[4]工艺是制造技术的灵魂、核心和关键现代制造工艺技术的重要组成部分，也是其最有活力的部分产品从设计变为现实是必须通过加工才能完成的，工艺是设计和制造的桥梁，设计的可行性往往会受到工艺的制约，工艺（包括检测）往往会成为“瓶颈”，因此，工艺方法和水平是十分重要的不是所有设计的产品都能加工出来，也不是所有设计的产品通过加工都能达成预定的技术性能要求。
设计”和“工艺”都是重要的，把“设计”和“工艺”对立和割裂起来是不对的，应该用广义制造的概念统一起来人们往往看重产品设计师的作用，而未能正确评价工艺师的作用，这是当前影响制造技术发展的一个关键工艺是生产中最活跃的因素同样的设计可以通过不同的工艺方法来实现，工艺不同，所用的加工设备、工艺装备也就不同，其质量和生产率也会有差别工艺是生产中最活跃的因素，有了某种工艺方法才有相应的工具和设备出现，反过来，这些工具和设备的发展又提高了该工艺方法的技术性能和水平，扩大了其应用范围[5]随着我国加入世界贸易组织和全球经济一体化环境的形成，机床行业的市场竞争将会愈演愈烈目前，国内外机床产品技术水平之间的差距仍然很大，主要表现为产品仿制多，创新少，市场竞争力不足，利润低设计方法落后，机床结构设计，尚处于传统的经验、静态、类比的设计阶段，很少考虑结构动、静态特性对机床产品性能产生的影响，产品精度低，质量难以保证，设计周期长，成功率低，反复设计、试制与修改，产品更新换代慢，且成本高龙门式机床是加工装备中必不可少的一种机床因此尽快应用先进的设计技术，快速开发出结构合理、自动化水平高、加工精度高、低振动、低成本的龙门机床新产品响应市场，这样我国的机床工业才有出路。
为了达到这一目的，掌握先进的机床工艺设计方法就显得尤为重要[6]总之，随着我国国民经济的快速发展，各行各业的用户对重型、超重型龙门加工中心和数控龙门镗铣床需求会愈来愈多，对机床的高速、高精、复合、环保、高效要求愈来愈高[7]二．本课题国内外研究现状近年来，随着国家振兴装备制造业的16个重点领域振兴计划的施实，政府对航空航天、核电、风电、铁路机车、船舶舰艇、交通运输等重点工程加大投入力度而这些重点工程对设备的要求也愈来愈高这些工程设备的关键零部件也都是大尺寸、重吨位、高精度的工件所以，要加工这样的典型零件，必需开发高水平的大型、重型、超重型数控机床，包括龙门加工中心和数控龙门镗铣床在CIMT2009展会上，展出整机重量超过100t的超重型龙门加工中心和数控龙门镗铣床，就有沈一、中捷、大连、济二、武重、桂林、日发、海天等8家之多而沈一参展的净重320t的龙门移动式车铣中心，武重参展净重170t的定梁龙门移动车铣加工中心，大连参展净重200t的双交换台龙门加工中心，济二参展净重110t的五轴联动定梁龙门移动数控镗铣床等几台展品更有特色，水平较高这充分说明了改革开放30年来，尤其是进入2l世纪以来，我国机床行业，特别是国民经济各行业急需的大型、重型、超重型龙门加工中心和数控龙门镗铣床，已经进入了快速发展期。
[8]五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工五轴联动数控机床是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备国际上把五轴联动数控技术作为衡量一个国家工业化水平的标志五轴联动数控机床的应用大大提高了加工效率，同时机械加工精度也有了质的飞跃，符合市场的需要，同时因为市场的需要也促进了五轴联动机床的发展在北京CCMT2008展会上展出的14台龙门加工机床中(据不完全统计)具有五轴联动功能或可扩展为五轴联动的机床就有6台之多，占整个该系列机床展品的48％，可见五轴联动依旧是龙门类产品发展的主要趋势[9]目前，我国重型立式加工中心龙门架的立柱导轨一般采用一字型导轨结构，即立柱的两个前导轨在同一平面内，横梁与立柱前导轨结合部位为一平板状结构，横梁扭转刚度低并且，横梁升降丝杠的中心位置一般在立柱前导轨的后部，由于一字型立柱导轨结构的限制，横梁升降丝杠的中心在横梁整体重心偏后的位置上，从而使立柱导轨承受横梁没有被平衡的倾覆力矩；在垂直刀架进行重载荷切削时，在切削力引起的倾覆力矩作用下，平板状结构的横梁扭转变形严重，大大影响机床的加工精度。
另一方面，目前重型立式加工中心龙门架横梁平衡装置一般采用机械重锤平衡结构，横梁两侧的重锤平衡力不能随着垂直刀架的移动而相应调整；在机床加工过程中，随着垂直刀架的移动，横梁整体重心在x轴方向是动态变化的，左、右重锤通过钢丝绳施加给横梁两侧固定不变的拉力，严重干扰了机床垂直刀架移动x轴和横梁升降W轴的数控精度为了解决上述问题，我们对重型立式加工中心龙门架结构进行技术改进首先，将立柱一字型导轨结构改进为阶梯导轨结构，并将横梁升降丝杠的中心位置和横梁平衡装置的平衡支点前移，使横梁升降丝杠中心和横梁的重心重合，使横梁处于最佳受力状态；并通过阶梯导轨结构提高横梁的扭转刚度，使立柱和横梁导轨的受力状态和总体布局结构更加合理，使立柱承受的整体扭转力矩降至最小，从而大大提高龙门架的整体刚度其次，将横梁机械重锤平衡结构改进为双油缸平衡结构，在垂直刀架移动过程中，双油缸平衡力的大小可通过液压伺服阀精确控制；改进后的双油缸横梁平衡结构具有随动精确平衡横梁载荷的特点，尤其是在垂直刀架移动过程中，数控系统可精确控制横梁两侧平衡力的大小，从而精确控制固定在垂直刀架滑枕上刀尖的位置，因此大大提高重型立式加工中心垂直刀架X轴和横梁升降W轴的数控精度。
[10]三． 本课题相关切削加工及刀具选择综述在各机械加工部门中铸铁件约占机器质量的45%-90%，铸铁件如发动机缸体、变速箱体、机床床身上有许多平面、槽形需切削铸铁组织为金属基体加游离态石墨，切削加工时石墨形成易断的崩碎切削，且其在切削刀具的选择方面有更广泛地选择[18]3.1高速切削技术良好的工艺路线、工艺方法可以大大缩短时间，提高效率在加工中使用合理的切削用量，也是提高效率的方法之一近年来，我国对高速切削技术已有了更广泛的重视，应用范围越来越大我国现己进口了大批高速加工机床，却由于缺乏理论指导和配套技术，不能充分发挥其应有的加工能力另外，自主开发的高速机床，由于设计、工艺、装配等方面存在的问题，同国外机床相比，在性能上还存在很大的差距因此，对加工机床进行结构分析，充分了解其结构特征和性能特性是开发大型机床的行之有效的方法，对于建立机床的三维虚拟模型和分析设计起到指导性、决策性的作用[11]铸铁加工通常都不用切削液，是典型的干切削加工方式在干切削灰铸铁和淬硬钢的应用领域，陶瓷刀具和CBN刀具是可供选择的，因此进行成本、效率和加工质量分析是非常必要的，以确定哪一种材料更经济[12]3.1.1陶瓷刀具在ALO基体材料中加入TiC、WC、SIC、TaC、ZrO等，经热压制成氧化铝基复合陶瓷刀具，其硬度可达93-95HRA。
用陶瓷刀具对等温淬火球墨铸铁ADI干式高速切削的研究表明：最大磨损部位位于切削刃附近，其磨损包括磨料磨损、扩散磨损、粘结磨损和微崩3.1.2超硬刀具材料比陶瓷材料更硬的超硬刀具材料包括单晶金刚石、聚晶金刚石（PCD）、聚晶立方氮化硼（CBN）和CVD金刚石等其中CBN使用聚晶立方氮化硼粉末掺入金属或陶瓷结合剂，经烧结合成再制成金属切削工具CBN刀片切削高合金铸铁较陶瓷刀具可提高生产效率5倍以上3.1.3硬质合金刀具硬质合金是微米数量级的难熔高硬度金属碳化物的粉末，用钴、钼、镍等做粘结剂，在高温高压下烧制而成，其硬度89-92.8HRA，红硬性可以达到800-1000摄氏度在腐蚀性强和冲击力打的铸铁切削领域，对作为切削工具的硬质合金要求要具有高的抗弯强度和强度[18]3.2硬态切削目前，硬态切削主要用于车削、铣削等加工工艺，与磨削相比，具有以下优点：(1)加工灵活性强，精度易于保证； (2)硬态切削加工成本低于磨削，通常仅为磨削的1／4；(3)硬态切削不需要专用机床、刀具和夹具，在现有加工设备上即可实现；(4)硬态切削的生产效率高于磨削；(5)磨削产生的磨屑与废液混合物污染环境，而硬态切削易于实现干切削，产生的切屑可再利用。
如果将硬态切削与精磨工艺结合起来，则加工一个一般零件所花的成本将比在磨床上完成粗加工和精加工所花成本降低40％～60％因此，后继工序有超精加工或精密磨削要求时，硬态切削是最好的选择[13]高速切削的工艺技术也是成功进行高速加工的关键技术之一高速切削的工艺技术包括切削方法和切削参数的选择优化，对各种不同材料的切削方法、刀具材料和刀具几何参数的选择等1)对切削方法和切削参数进行优化选择，其中包括优化切削刀具控制和切削过程等；(2)除了刀具材料和刀具几何参数的选择外，在切削过程中还要采取不同的切削策略才能得到较好的切削效果高速切削工艺方法也是研究的重要内容之一；(3)在研究高速切削工艺技术中，切削方法和技术必须紧密结合刀具材料和刀具几何参数的选择综合进行[14] 3.3磨削加工磨削是一种常用的半精加工和精加工方法，砂轮是磨削的主要切削工具磨削的基本特点如下：（1）磨削除可以加工铸铁、碳钢、合金钢等一般结构材料外，还能加工一般刀具难以切削的高硬度材料如淬火钢、硬质合金、陶瓷和玻璃等但不适宜加工塑性较大的有色金属工件2）磨削加工的精度高，表面粗糙度值小精度可达IT5及IT5以上；表面粗糙度值为1.25-0.01um ，镜面磨。