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1、高速精密切削瓷半导体机床设计 / 前 言在切削瓷的加工活动中,由于瓷的自身特点,导致对其加工的机床有很高的要求。瓷的特点及对数控机床的要求。:1瓷材料具有很高的硬度,比如Al2O3瓷、TiC瓷的硬度可达HV2 2503000,比硬质合金还要高,仅次于金刚石和立方氮化硼2瓷是典型的硬脆材料,其去除机理是刀具刃口附近的被切材料产生脆性破坏,而不是像金属材料那样产生剪切滑移变形。加工后表面不会有由塑性变形引起的加工变质层,但切削时的脆性龟裂会残留在加工表面上,从而影响瓷零件的强度和工作可靠性3瓷材料常温下几乎无塑性。本设计就是针对瓷的这些特点对其加工的机床进行设计的,并且使用现在广泛流行的PLC自动
2、控制系统对其加工过程进行控制,从而大大提高了加工的精密性。根据精度的要求,本设计对机床的滑动导轨部分进行了改造,以提高加工的稳定性及精准性。并结合PLC控制技术完成机床的易可控性。本文对可编程控制器PLC应用于机床电气控制系统的设计思想作了介绍。对系统的硬件组成和软件设计作了较为详细的阐述。关键词： 高速切削, 精密目录摘要i目录1第一章 绪论11.1国外数控机床的发展趋势11.2数控瓷切削机床设计的背景及现状21.2.1 瓷半导体的结构特点21.2.2 切削瓷半导体应注意哪些方面2第二章 机床系统总体设计52.1机床机械部分总体方案设计42.1.1组合机床通用部件的选用52.1.1.1 切削
3、参数的计算52.1.1.2 根据切削功率选择动力头部分62.1.1.3 数控机械滑台的选择72.1.1.4 侧底座及中间底座的选择92.2机床控制硬件部分总体方案设计52.2.1 切削参数的计算52.2.2 根据切削功率选择动力头部分62.2.3 数控机械滑台的选择72.2.4 侧底座及中间底座的选择92.3机床夹具的设计11第三章 控制电机的选择133.1 枪钻简介133.2小深孔加工技术的难点和对策143.2.1 排屑困难143.2.2 钻杆刚度不足143.2.3 制造困难153.2.4 小深孔钻削时的切削速度和机床163.3枪钻的使用方法16第四章 画图软件的介绍184.1 PLC的介绍
4、184.2 PLC的结构及基本配置184.2.1 CPU的构成184.2.2 I/O模块204.2.3 电源模块204.2.4 底板或机架204.2.5 PLC 的外部设备204.3 三菱FX2N系列基本指令系统和编程方法214.3.1 输入继电器 X214.3.2 输出继电器Y214.3.3 辅助继电器M214.3.4 定时器T224.3.5 数据寄存器234.4 PLC及脉冲模块的选取244.5 根据本机床实际情况编程25第五章 经济环保性分析39参考文献40结束语41附录42第一章 绪论1.1国外数控机床的发展趋势20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用,计算机及控制技术在机
5、械制造设备中的应用是世纪制造业发展的最重大的技术进步。自从1952年美国第1台数控铣床问世至今已经历了50个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机,形成庞大的数控制造设备家族,每年全世界的产量有1020万台,产值上百亿美元。世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复,曾一度几乎快成为夕阳工业,所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动,从90年代初开始已出现明显的回升,在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从20XX至今已接受3个月以后的订货合同,生产任务饱满。 我国
6、数控机床制造业在80年代曾有过高速发展的阶段,许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说,技术水平不高,质量不佳,所以在90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整,经历了几年最困难的萧条时期,那时生产能力降到50%,库存超过4个月。从1995年九五以后国家从扩大需启动机床市场,加强限制进口数控设备的审批,投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关,对数控设备生产起到了很大的促进作用,尤其是在1999年以后,国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金,使数控设备制造市场一派繁荣。从20XX8月份的数控机床展览会和20XX4月国际机床展览会上,也可以看到多品种产品的繁荣
7、景象。但也反映了下列问题： 低技术水平的产品竞争激烈,互相靠压价促销； 高技术水平、全功能产品主要靠进口； 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口； 应用技术水平较低,联网技术没有完全推广使用； 自行开发能力较差,相对有较高技术水平产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。 当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家,但我们的机床数控化率仅达到1.9%左右,这与西方工业国家一般能达到20%的差距太大。日本不到80万台的机床却有近10倍于我国的制造能力。数控化率低,已有数控机床利用率、开动率低,这是发展我国21世纪制造业必须首先
8、解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床30004000台,日本1年产5万多台数控机床,每年我们花十几亿美元进口70009000台数控机床,即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。因此,国家计委、经贸委从八五、九五就提出数控化改造的方针,在九五期间,我协会也曾做过调研。当时提出数控化改造的设备可达810万台,需投入80100亿资金,但得到的经济效益将是投入的510倍以上。因此,这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现,甚至还有美国公司加入。十五刚刚开始,国防科工委就明确提出了在军工企业中投入6.8亿元,用于对1.21.8万台机床的数控化改造。 数控技术经过50年的2个阶段和6
9、代的发展：第1阶段：硬件数控第1代：1952年的电子管第2代：1959年晶体管分离元件第3代：1965年的小规模集成电路。第2阶段：软件数控第4代：1970年的小型计算机第5代：1974年的微处理器第6代：1990年基于个人PC机第6代的系统优点主要有： 基于PC平台,技术进步快,升级换代容易； 提供了开放式基础,可供利用的软、硬件资源丰富,使数控功能扩展到很宽的领域； 对数控系统生产厂来说,提供了优良的开发环境,简化了硬件。目前,国际上最大的数控系统生产厂是日本FANUC公司,1年生产5万套以上系统,占世界市场约40%左右,其次是德国的西门子公司约占15%以上,再次是德海德汉尔,西班牙发格,
10、意大利菲地亚,法国的NUM,日本的三菱、安川。国产数控系统厂家主要有华中数控、航天机床数控集团、凯恩帝、凯奇、艺天、数控、新方达、广泰等,国产数控生产厂家规模都较小,年产都还没有超过300400套。 近10年数控机床为适应加工技术发展,在以下几个技术领域都有巨大进步。高速化由于高速加工技术普及,机床普遍提高各方面速度,车床主轴转速由30004000rmin提高到800010000rmin,铣床和加工中心主轴转速由40008000rmin提高到12000rmin、24000rmin、40000rmin以上?快速移动速度由过去的1020mmin提高到48mmin、60mmin、80mmin、120
11、mmin在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度,其已由过去一般机床的0.5G提高到1.52G,最高可达15G,直线电机在机床上开始使用,主轴上大量采用装式主轴电机。 高精度化数控机床的定位精度已由一般的0.010.02mm提高到0.008mm左右,亚微米级机床达到0.0005mm左右,纳米级机床达到0.0050.01m,最小分辨率为1nm的数控系统和机床已有产品。数控中两轴以上插补技术大大提高,纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到1的圆度,插补前多程序段预读,大大提高插补质量,并可进行自动拐角处理等。 复合加工、新结构机床大量出现如5轴5面体复合加工机床,5轴5联动加工各类异形零件。也
12、派生出各新颖的机床结构,包括6轴虚拟轴机床,串并联铰链机床等。采用特殊机械结构,数控的特殊运算方式,特殊编程要求。 使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床如虎添翼。如冷钻头由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑,在钻深孔时大大提高效率。加工钢件切削速度能达1000mmin,加工铝件能达5000mmin。 数控机床的开放性和联网管理,已是使用数控机床的基本要求,它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段,而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此,计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来,这必然成为21世纪制造业发展的一个主要
13、潮流。1.2数控瓷切削机床设计的背景及现状瓷切削最初应用于装饰材料的加工,如地砖,墙砖。但没有可以对圆柱型瓷材料俗称：棒料进行切削的工具,由于瓷自身的特性及结构,导致对棒料进行切削加工的难度增加。现在国外暂无对此类材料进行加工的机床。本设计就是在此种状态下完成的,希望本设计可以对此行业有所影响。1.2.1瓷半导体的结构特点瓷材料是金属和非金属元素间的化合物,最具代表性的瓷材料大多是氧化物、氮化物和碳化物等。常见瓷材料大多是由黏土矿物、水泥和玻璃所组成的瓷,这些材料是典型的电和热的绝缘体,且比金属和高分子更耐高温和腐蚀性环境。建筑瓷与人们的生活关系极为密切。抬头是墙砖,低头见地砖,以墙地砖为主要
14、代表的建筑瓷色彩多样,形态各异,质地不同,装扮出现代人类多姿多彩的居住、工作环境。墙地砖大体上可以分为三种类型：1、釉面砖：表面有玻璃质薄层,表层硬度较高,但表层以下硬度不高,吸水率高。2、硬质外墙砖：硬度中等,吸水率不高。又可细分为粉质和石英质二种,后者密度、硬度均大于前者,而吸水率低于前者。3、玻化砖又称石英砖硬度最高,吸水率低1.2.2切削瓷半导体应注意哪些方面在制造过程中,为保证几何尺寸的要求,往往需要瓷制品进行切割。切割加工的要求：第一、切割效率。选用锋利的切割工具,这样才能提高切削效率。第二、由于瓷是硬脆材料,成品的外观质量又与工艺美观相关,对切割断口即崩边也称爆边的质量要求自然很高。第三、需要切割工具在满足上述两个要求的前提下能有适中的使用寿命。第二章 机床系统总体方案设计2.1机床机械部分总体方案设计本机床是为切削瓷类材料所设计的,根据瓷的特性,要求本机床要有较好的滑动稳定性,进给匀速性。为提高工作效率,对本机床又有高速切削的要求,根据以上要求,在机床部件的选择上要注重部件的精度,质量。以保证切削后的材料达到工艺的要求。2.1.1组合机床通用部件的分类组合机床是一种高效自动化的专用机床。它与一般的专用机床明显的不同是,组合机床是由大量通用部件、通用零件和少量专用部件所组合而成
