毕业设计（论文）-镗铣主轴箱结构及其高效切削工艺设计.doc

全套图纸加扣3012250582镗铣主轴箱结构及其高效切削工艺设计摘 要本文主要论述了镗铣主轴箱结构的研究，主要体现在设计理念的更新和机床运行速度及制造工艺水平有很大的提高，另一方面是针对主轴箱机床结构的高效切削研究。卧式镗铣床的结构向高速电主轴方向发展，落地式铣镗床向滑枕式(无镗轴)结构方向发展，功能附件呈高速、多轴联动、结构型式多样化的发展态势，这将是今后一个时期技术发展的新趋势。本文将对铣镗主轴箱的结构进行分析研究并得出方案，在分析主轴箱的同时也会对其加工过程中的高效切削技术进行一定的讨论。高效切削最主要的体现是在高速切削的应用上，本文将高效切削应用到主轴箱的加工上。它几乎受到了制造业所有重要工业部门的青睐，并且随着切削刀具和机床的不断发展，已在很多企业得到了应用。HPC粗加工追求最大的金属切除率，并以此来降低制造成本。对于立铣刀来说，要实现上述目标的通常做法是将适用的硬质合金材料和涂层的性能与刀具切入的条件结合起来考虑，这也是目前应用高速钢铣刀进行铣削加工的做法。高速切削是建立在制造技术全面发展的基础上的，一方面是数控机床的主机结构和数控系统具备了更高的刚性、更快的运动速度和精度，另一方面是各种刀具材料性能显著改善，以及新型刀具材料和涂层工艺的开发和推广应用，性能更耐磨、更可靠，价格相对低廉的刀具材料成为发展高速切削的可靠保证。本文将对镗铣主轴箱和它的高效切削的生产加工经行研究。关键词：镗铣床；主轴箱；高效切削 Boring and Milling Spindle Box Structure and Efficient Cutting Process Design Abstract Contemporary horizontal boring and milling machine and console milling boring technology developing very fast, mainly in the design concept of updates and machine tool operation speed and manufacturing technology level has greatly increased, on the other hand is machine structure change is big, new technology application layer are emerging one after another. Horizontal boring and milling machine structure to high-speed electric spindle direction, console milling boring produce pillow to slip (no boring axis direction development,) structure of a high-speed, more functional accessories axial linkage, structural type diversification development situation, and this will be for a period of the new trend of development of technology. This paper milling boring spindle box structure analysis and draw the solution, in analysis spindle box can also process for its the efficient cutting technology perform some of the discussion. Efficient cutting technology was published by now, almost all the important industrial department manufacturing favored, and along with the cutting tool and machine tools unceasing development, already has been applied in many enterprises. The biggest metal balancing HPC tupkp pursuit, and so as to reduce production cost. To end mill speaking, to achieve the goal of it is usually available hard alloy material and coating performance and tool combined into the condition, which is currently used to consider the milling machining milling cutter knives practice .High-speed cutting is built on manufacturing technology of the basis of the all-round development of CNC machine, on the one hand, the host structure and the numerical control system has the high rigidity, faster movement speed and accuracy, on the other hand is all sorts of cutting tool material performance improved markedly, and new cutting tool materials and coatings technology development and application, performance is more wear-resisting, more reliable, relatively cheap to develop high-speed cutting tool material the reliable guarantee.Keywords：Boring and milling machine ；Spindle box ；Efficient cutting不要删除行尾的分节符，此行不会被打印-III-目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 论文研究的目的及意义11.2 高效切削工艺设计的研究现状2 1.3 论文的研究内容.3第2章 铣镗主轴箱的结构分析.52.1 铣镗主轴箱材料特性.5 2.2 关键面孔结构的特性.7 2.3 主轴箱技术参数.9 2.4 本章小结.12第3章 铣镗主轴箱高效切削工艺设计.133.1 高效切削工艺设计优势.13 3.2 影响高效切削工艺的主要因素.153.3 针对镗铣主轴箱的高效切削工艺的加工方法.173.4 箱体的检测.193.5 本章小结.21第4 章 面铣刀具设计.22 4.1 刀具材料的选择.22 4.2 刀具参数的选择.22 4.3 刀具的简图及校核.23 4.4 本章小结.27结论.28参考文献.29致谢.30附录.31千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行IV第1章 绪论1.1论文研究的目的及意义传统的卧式镗铣床主要适合各种机械零件的加工，尤其是机械传动箱体以及各种曲面体零件。由于各种装备技术水平的提高，对机械结构要求越来越简化，所需传动部件更少，特别是作为传动箱体的零件会越来越少，机械传动多采取直接驱动，且传动件的精度要求非常高，这对卧式镗铣床的工艺性能提出了更高要求。因此，作为传统的镗轴式结构的加工对象呈减少的趋势，将以无镗轴式电主轴所替代，即以高速加工中心完成各种零件的加工。卧式镗铣床向高速加工中心发展，一方面工艺适应性更强，另一方面也提高了性能水平和加工精度，在提高了加工工艺范围的同时，需要各种功能附件作工艺保障，既能镗铣，又能钻孔、攻丝，装上数控摆角铣头附件，还能加工各种曲面体零件。配备交换式工作台组成柔性加工单元，可对零件进行批量加工1。高速电主轴在卧式镗铣床上的应用越来越多，除了主轴速度和精度大幅提高外，还简化了主轴箱内部结构，缩短了制造周期，尤其是能进行高速切削，电主轴转速最高可大10000r/min以上。不足之处在于功率受到限制，其制造成本较高，尤其是不能进行深孔加工。而镗杆伸缩式结构其速度有限，精度虽不如电主轴结构，但可进行深孔加工，且功率大，可进行满负荷加工，效率高，是电主轴无法比拟的。因此，两种结构并存，工艺性能各异，却给用户提供了更多的选2。高速铣削给落地式铣镗床带来了结构上的变化，主轴箱居中的结构较为普遍，其刚性高，适合高速运行。滑枕驱动结构采用线性导轨，直线电机驱动，这种结构是高速切削所必需的，国外厂家在落地式铣镗床上都已采用，国内同类产品还不多见，仅在中小规格机床上采用线性导轨。高速加工还对环境、安全提出了更高的要求，这又产生了宜人化生产的概念，各厂家都非常重视机床高速运行状态下，对人的安全保护与可操作性，将操作台、立柱实行全封闭式结构，既安全又美观。近几年来，国内外卧式镗铣床和落地铣镗床的技术发展非常快,其特点是产品结构不断更新，新技术应用层出不穷，工艺性能复合化，速度、效率不断提高，突出精细化制造。 重型机床的发展将呈现两大趋势。一方面是技术上以加工中心或大型柔性加工单元、大型组合式复合加工机床为发展方向，其中，卧式镗铣床将逐步由高速加工中心和柔性加工单元所替代;落地式铣镗床以发展大型组合式复合加工中心为主，即由两台或更多主机组合成复合加工机床，以适应大型加工零件的单件小批量生产，工艺复杂，辅助时间和加工周期长的特点，往往由一台机床很难完成所有加工工序，而由两台组合加工中心就完全可以实现。如：两台数控龙门镗铣床组成复合加工中心，并共用床身及导轨，分别配一个矩形工作台和一个回转工作台(分度)，可进行镗、铣加工;一台落地式铣镗床与一台数控单柱立车组成大型复合加工中心，共用床身导轨，配一个落地平台和一个回转台，可完成车、镗、铣、钻等加工，回转台可分度。还有两台大型落地铣镗床共用床身导轨等多种组合形式。这样即节约了占地面积，降低成本，也提高了加工效率。另一发展趋势是追求精细化制造，提高装备制造的工艺含量，体现机床的安全、环保及人性化的特点3。综上所述，当代卧式镗铣床与落地式铣镗床技术发展非常快，主要体现在设计理念的更新和机床运行速度及制造工艺水平有很大的提高，另一方面是机床结构变化大，新技术的应用层出不穷。卧式镗铣床的结构向高速电主轴方向发展，落地式铣镗床向滑枕式(无镗轴)结构方向发展，功能附件呈高速、多轴联动、结构型式多样化的发展态势，这将是今后一个时期技术发展的新趋势4。本文将对铣镗主轴箱的结构进行分析研究并得出方案，在分析主轴箱的同时也会对其加工过程中的高效切削技术进行一定的讨论。1.2高效切削工艺设计的研究现状 高速切削技术是在机床结构及材料、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC控制系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关的硬件与软件技术均得到充分发展的基础上综合而成的。德国Darmstadt工业大学PTW所以舒尔茨教授为核心的科研小组和日本京都大学工学研究科以垣野教授为核心的课题组均已研制出商品化的高速切削机床，在德国和日本的企业界，都分别享有较高的声誉。 舒尔茨教授在德国政府强有力的资助下，联合18家企业，共同攻关，从1984年到1989年，完成高速切削机床各相关硬件与软件的开发，研究水平超过了当时居领先地位的美国。1993年，直线电机的出现拉开了高速进给的序幕，从而也使高速切削技术走向成熟应用阶段。目前，PTW所研制的高速机床已在德国许多企业里应用。高速立式铣削加工中心是该所特色产品，实用化的主轴转速为60,000r/min，最快进给速度X、Y、Z轴均为60m/min，加速度为2.5g，重复定位精度1m。PTW所在研制高速切削机床的同时，还在高速切削工艺方面进行深入研究，在有色轻金属、复合材料、铸铁及模具钢等高速切削机理研究方面形成系统理论，以加工效率、加工精度和加工零件表面完整性为目标，对高速切削工艺进行优化，对指导高速切削生产起到很大作用。研究内容有各种材料高速切削过程中切屑形成机理，刀具材料及切削参数优化，面向高速切削过程的CAD/CAM系统开发，刀夹系统安全性设计，刀具结构设计及动平衡，刀具空间位姿及走刀路径控制，少量气束喷雾冷却技术等。该所高速切削研究成果已应用于汽车发动机、飞机框架构件及涡轮叶片的制造5。垣野教授联合9家企业，于1996年研制出日本第一台商品化卧式高速切削加工中心，该加工中心主轴转速30000r/min，最大进给速度80m/min，加速度为2g，重复定位精度1m。同时也致力于高速切削工艺研究，主要内容包括高速切削工艺数据库，高速切削刀具磨损破损机理，切屑控制，高速切削过程CAD/CAM系统开发及质量控制等，从而加速高速切削技术产业化进程。目前，垣野研究室研究成果在日本企业界甚至在国际上均产生重大影响。高速切削是建立在制造技术全面发展的基础上的，一方面是数控机床的主机结构和数控系统具备了更高的刚性、更快的运动速度和精度，另一方面是各种刀具材料性能显著改善，以及新型刀具材料和涂层工艺的开发和推广应用，性能更耐磨、更可靠，价格相对低廉的刀具材料成为发展高速切削的可靠保证。 1.3 论文的研究内容铣镗机床的发展将呈现两大趋势。一方面是技术上以加工中心或大型柔性加工单元、大型组合式复合加工机床为发展方向，其中，卧式镗铣床将逐步由高速加工中心和柔性加工单元所替代；落地式铣镗床以发展大型组合式复合加工中心为主，即由两台或更多主机组合成复合加工机床，以适应大型加工零件的单件小批量生产，工艺复杂，辅助时间和加工周期长的特点，往往由一台机床很难完成所有加工工序，而由两台组合加工中心就完全可以实现。如：两台数控龙门镗铣床组成复合加工中心，并共用床身及导轨，分别配一个矩形工作台和一个回转工作台（分度），可进行镗、铣加工；一台落地式铣镗床与一台数控单柱立车组成大型复合加工中心，共用床身导轨，配一个落地平台和一个回转台，可完成车、镗、铣、钻等加工，回转台可分度。还有两台大型落地铣镗床共用床身导轨等多种组合型式。这样即节约了占地面积，降低成本，也提高了加工效率。另一发展趋势是追求精细化制造，提高装备制造的工艺含量，体现机床的安全、环保及人性化的特点。综上所述，镗铣加工技术工艺发展非常快，主要体现在设计理念的更新和机床运行速度及制造工艺水平有很大的提高，另一方面是机床结构变化大，新技术的应用层出不穷。主要表现在高速、高精、高效、智能化、环保等方面，机床床的结构向高速电主轴方向发展，功能附件呈高速、多轴联动、结构型式多样化的发展态势。而高速切削有一个特点，就当切削速度上升到一定程度时由于材料软化等原因随着切削速度增加切削力反而下降，同时由于切屑带走了大部分热量甚至工件温升也会减小。不过受刀具材料性能限制后一现象目前只用PCD刀具加工铝合金软质材料才能观察到。高速切削还适用于硬切削、干切削重切削，提高切削效率有效手段。第2章 铣镗主轴箱的结构分析2.1铣镗主轴箱材料特性近几年来，国内外卧式镗铣床和落地铣镗床的技术发展非常快,其特点是产品结构不断更新，新技术应用层出不穷，工艺性能复合化，速度、效率不断提高，突出精细化制造。 卧式镗铣床的发展以其注入加速度概念而倍受关注，为高速运行作技术支撑的传动元件电主轴、直线电机、线性导轨等得到广泛应用，将机床的运行速度推向了新的高度。而主轴可更换式卧式镗铣加工中心的创新设计解决了电主轴与镗杆移动伸缩式结构各存利弊的不足，具有复合加工与一机两用的功效，也是卧式镗铣床的一大技术创新。 落地式铣镗床的发展以其新的设计理念引领现代加工的潮流，以高速加工为理念的无镗轴滑枕式、多种铣头交换使用的结构型式尽显风采，大有替代传统铣削加工的趋势。以两坐标摆角铣头为代表的各种铣头附件成为实现高速、高效复合加工的主要手段，其工艺性能更广，功率更大，刚性更强，是落地铣镗床发展的一大突破。 卧式镗铣床的主要关键部件是主轴箱，安装在立柱侧面，也有少数厂家采用双立柱的热对称结构,将主轴箱置于立柱中间，这种结构最大特点是刚性、平衡性、散热性能好，为主轴箱高速运行提供了可靠保证。但是，双立柱结构不便于维护保养，是当今采用的厂家不多的原因。主轴箱移动多通过电机驱动滚珠丝杆进行传动，是主轴驱动核心传动装置，多采用静压轴承支承，由伺服电机驱动滚珠丝杆进行驱动。由于主轴转速越来越高，主轴升温快，现在，已有很多厂家将采用油雾冷却以替代油冷却，更有效地控制主轴升温，使其精度得到有效保证。 主轴系统主要有两种结构型式，一种是传统的镗杆伸缩式结构，具有镗深孔及大功率切削的特点；另一种是现代高速电主轴结构，具有转速高，运行速度快，高效、高精的优点。 高速电主轴在卧式镗铣床上的应用越来越多，除了主轴速度和精度大幅提高外，还简化了主轴箱内部结构，缩短了制造周期，尤其是能进行高速切削，电主轴转速最高可大10000r/min以上。不足之处在于功率受到限制，其制造成本较高，尤其是不能进行深孔加工。而镗杆伸缩式结构其速度有限，精度虽不如电主轴结构，但可进行深孔加工，且功率大，可进行满负荷加工，效率高，是电主轴无法比拟的。因此，两种结构并存，工艺性能各异，却给用户提供了更多的选择。 现在，又开发了一种可更换式主轴系统，具有一机两用的功效，用户根据不同的加工对象选择使用，即电主轴和镗杆可相互更换使用。这种结构兼顾了两种结构的不足，还大大降低了成本。是当今卧式镗铣床的一大创举。电主轴的优点在于高速切削和快速进给，大大提高了机床的精度和效率。 卧式镗铣床运行速度越来越高，快速移动速度达到2530m/min，镗杆最高转速6000r/min。而卧式加工中心的速度更高，快速移动高达50m/min，加速度5m/s2，位置精度0.0080.01mm，重复定位精度0.0040.005mm。 由于落地式铣镗床以加工大型零件为主，铣削工艺范围广，尤其是大功率、强力切削是落地铣镗床的一大加工优势，这也是落地铣镗床的传统工艺概念。而当代落地铣镗床的技术发展，正在改变传统的工艺概念与加工方法，高速加工的工艺概念正在替代传统的重切削概念，以高速、高精、高效带来加工工艺方法的改变，从而也促进了落地式铣镗床结构性改变和技术水平的提高。 当今，落地式铣镗床发展的最大特点是向高速铣削发展，均为滑枕式（无镗轴）结构，并配备各种不同工艺性能的铣头附件。该结构的优点是滑枕的截面大，刚性好，行程长，移动速度快，便于安装各种功能附件，主要是高速镗、铣头、两坐标双摆角铣头等，将落地铣镗床的工艺性能及加工范围达到极致，大大提高了加工速度与效率。 传统的铣削是通过镗杆进行加工，而现代铣削加工，多由各种功能附件通过滑枕完成，已有替代传统加工的趋势，其优点不仅是铣削的速度、效率高，更主要是可进行多面体和曲面的加工，这是传统加工方法无法完成的。因此，现在，很多厂家都竞相开发生产滑枕式（无镗轴）高速加工中心，在于它的经济性，技术优势很明显，还能大大提高机床的工艺水平和工艺范围。同时，又提高了加工精度和加工效率。当然，需要各种不同型式的高精密铣头附件作技术保障，对其要求也很高。 高速铣削给落地式铣镗床带来了结构上的变化，主轴箱居中的结构较为普遍，其刚性高，适合高速运行。滑枕驱动结构采用线性导轨，直线电机驱动，这种结构是高速切削所必需的，国外厂家在落地式铣镗床上都已采用，国内同类产品还不多见，仅在中小规格机床上采用线性导轨。高速加工还对环境、安全提出了更高的要求，这又产生了宜人化生产的概念，各厂家都非常重视机床高速运行状态下，对人的安全保护与可操作性，将操作台、立柱实行全封闭式结构，既安全又美观4。 传统的卧式镗铣床主要适合各种机械零件的加工，尤其是机械传动箱体以及各种曲面体零件。由于各种装备技术水平的提高，对机械结构要求越来越简化，所需传动部件更少，特别是作为传动箱体的零件会越来越少，机械传动多采取直接驱动，且传动件的精度要求非常高，这对卧式镗铣床的工艺性能提出了更高要求。因此，作为传统的镗轴式结构的加工对象呈减少的趋势，将以无镗轴式电主轴所替代，即以高速加工中心完成各种零件的加工。卧式镗铣床向高速加工中心发展，一方面工艺适应性更强，另一方面也提高了性能水平和加工精度，在提高了加工工艺范围的同时，需要各种功能附件作工艺保障，既能镗铣，又能钻孔、攻丝，装上数控摆角铣头附件，还能加工各种曲面体零件。配备交换式工作台组成柔性加工单元，可对零件进行批量加工。 落地式铣镗床主要加工各种型面的大型、超大型零件，其工艺特点是配有大型落地式平台（工作台尺寸不受限），可加工超长、超宽的零件。同时，还可配备回转式工作台，即能作回转分度，还可作径向直线运动，通过分度完成对零件的多序加工，大大提高了工艺范围。现在，意大利Pama（帕玛）公司生产的落地式铣镗床专门配备了倾斜式可调角度的工作台，进一步拓宽了加工范围。而大功率、高效切削是落地式铣镗床的一大加工优势，高速、高精的技术要求越来越影响着落地式铣镗床的技术发展，是提高落地式铣镗床工艺水平的重要手段。因此，落地式铣镗床正在改变单一的大功率、高效切削，而更多地融入高速、高精的工艺技术内涵。现在，滑枕式结构成已为高速铣镗加工的主要结构型式，滑枕截面大，刚性高，高速运行稳定性好，便于装卡各种铣头附件以实现高速加工。 2.2 关键面孔结构的特性主轴箱属箱体类零件，其结构特点是由薄壁围成空腔，用于支撑、连接和承载，包容其他类型的零件，保持各部件间相对位置和相对运动关系。一般加工中心主轴箱由头部、主体与安装部三部分组成。加强筋的基本型式，分为横隔板、垂直纵向加强筋、垂直横向加强筋、对角筋、十字筋、T形筋及三角筋等。一般横隔板的厚度比支架长度小得多。对无底座的框架，横隔板的数目及其厚度对抵抗垂直载荷的能力不大，其弯曲刚度取决于两侧侧板，如图2-1所示。但横隔板数目和壁厚对承受侧向载荷时的弯曲刚度有关，框架的变形随着隔板数目n的增加而减小，如图2-2所示。当横隔板框架带有底面面板时，随横隔板数目的增加，惯性矩增大。此时要提高底座的弯曲刚度，与其加大面板的厚度，不如增加隔板数目、缩短隔板间距更为有效。. 图 2-1 主轴箱剖视1 图 2-2 主轴箱剖视2 图 2-3 主轴箱剖视3 图 2-4 主轴箱剖视4 图 2-5 主轴箱剖视5 图 2-6 主轴箱剖视6 十字筋就是在矩形断面的两侧对称地布置纵向筋板，如图2-4所示。通过模拟简支梁的弯曲刚度与强度分析，其值主要受m与n两个参数的影响，即随m与n的增加，弯曲刚度不断增加。但m与n的增加，对强度有不同程度的影响，所以应合理选择m与n。研究发现，当m=0.05，n=0.167时，十字筋简支梁的刚度比无筋时增加10倍，应力较低，重量增加不多，是首选的十字筋，如图2-5所示。把十字筋梁的结论推广到框格结构中横隔板上，有类似的效果，即取横隔板的壁厚为筋格高的0.05倍时，弯曲刚度和强度的综合性能较好。十字筋对弯曲刚度有提高作用，但对扭转刚度的提高作用更大。如图2-6所示的对角筋结构，对刚度的提高更大，能显著地提高弯曲与扭转刚度2个指标。因此，从综合刚度的提高效果来看，对角筋比十字筋好，十字筋比横隔板好。另外，箱体应尽可能地采用闭式结构，任何带加强筋的开式结构改为闭式结构后，其弯曲刚度平均提高68%，扭转刚度也有很大提高。而此时采用增设加强筋来提高的话，很难达到封闭结构的扭转刚度。因此从提高刚度上看，应尽可能地采用闭式箱体结构，并从实际刚度要求的侧重角度来选择合理的加强筋型式。内部筋的作用并不与筋的数量成正比，重要的是加强筋的型式与布置。主轴箱主体结构最好采用X形对角筋，十字筋次之。受载的板壁，孔对扭转刚度的影响比较大，对弯曲刚度的影响比较小。带孔箱形的扭转刚度比无孔结构低约50%100%。首先考虑孔形对刚度的影响，棱形孔的应力集中现象最小，对刚度的影响也最小，其次是圆孔，然后是正方形，最差的是矩形孔，尤其是边长比a/b较大的矩形孔。其次考虑孔尺寸对刚度的影响，随着孔径的增加，刚度持续下降，当孔径与板壁边长之比大于0.4时，弯曲刚度与扭转刚度就会显著下降。尤其是沿中性轴方向孔的长度越长，对扭转刚度的影响更大。最后考虑孔的位置对刚度的影响，当孔的位置偏离弯曲中性轴越远，即越靠近结构的边缘时，对弯曲刚度的影响越大。箱体开孔的面积小于板壁面积的10%时，不会显著地降低箱体的刚度。当孔的面积大于10%时，随着孔的面积加大，刚度急剧降低。孔的面积达到30%左右时，扭转刚度下降到只有无孔结构的20%10%。箱体孔位于侧壁(在弯曲平面内)时，对箱体抗弯刚度的影响比顶壁孔大。因此，孔的位置尽可能不放在受载大的部位。2.3 主轴箱技术参数HT300是基本为珠光体类型的铸铁。强度高，耐磨性好，白口倾向大。用于机械制造中的重要铸件，如床身导轨、车床、冲击及受力较大的床身、主轴箱、齿轮等；还用作高压油缸、泵体、阀体等以及墩模、冷冲模和需经表面淬火的零件。其各性能特征如下表：表 2-1 化学成分（%）元素CMnSiPS试料2.710.711.750.0550.11 表 2-2 物理性能 密度（kg/m）7.3x 熔点（）1130 项目室温100 200300400500弹性模量E（MPa） 143 141 137 135 133 128切变模量G（MPa） 56.6 55.9 54.9 54.2 52.6 50.6泊松比u0.27 0.26 0.26 0.25 0.270.27热导率（W/m.K） - 47.0 46.6 43.6 41.2 38.4比热容c（J/kg.K）-523536565578571线膨胀系数（1/K） - 11.22 11.80 12.45 12.90 13.16 热处理规范：去应力退火530-550，4-6h；200出炉。金相组织：铁素体+片状石墨+珠光体。 表2-3 常规力学性能表热处理(J)HB(MPa)去应力退火530-550,4-6h；200出炉29135355724229GB9 -439-88不小于300 拉压疲劳性能（热处理：去应力退火530-550，4-6h；200出炉）具有指定存活率的疲劳极限（表2-4）具有指定能够存活率的疲劳寿命（表2-5）。表2-4 具有指定存活率的疲劳极限试样形状指定存活率下的疲劳极限（MPa），制定寿命50%90%95%99%99.9%圆柱形133（s=5.01）127125122118表2-5 具有指定存活率的疲劳寿命（圆柱形试样） 应力疲劳寿命Pa（x）存活率（%）17816615314019.711.26.8058.325.712.5186.663.024.3667.4167.849.937.1141-14.5775 - - 备注 =+. 表2-6 不同薄厚壁灰铸铁件的力学性能级用途举例（摘自 GB/T 9439-19880） 牌号铸件壁厚/mm抗拉强度b/MPa硬度（HBS）用途举例 HT1002.5-1010-2020-3013010090110-16693-14087-131低负荷不重要件或薄件，如盖罩、手轮、重锤等 HT1502.5-1010-2020-30175145130137-205119-179110-166承受中等负荷的铸件，如机床支架、带轮、轴承座、法兰等 HT2002.5-1010-2020-30220195170157-236148-222134-200承受中等负荷的重要件，如气缸、齿轮、底架、飞轮齿条等HT2502.5-1010-2020-30270240220175-262164-247157-236载荷较大、要求较高的重要铸件。如气缸、机体、床身、齿轮等HT30010-2020-30290250182-272168-251承受高负荷，耐磨和高气密性的重要件，如重型机床、压力机床身、活塞环、液压件、凸轮等 HT35010-2020-30340290199-298182-2722.4 本章小结根据实物照片以及参考工具书，应用UG三维设计软件画出镗铣主轴箱的主要结构，并对其结构和材料进行了分析。箱体多采用垂直纵向加强筋、垂直横向加强筋、对角筋和十字筋的结构，因为这样的结构强度高、散热好；箱体材料采用的是HT300铸造。经过本章的设计过程，熟悉了查阅参考书的方法，重温了UG三维设计软件的使用方法，学到了许多平时在书本上学不到的知识。第3章 铣镗主轴箱高效切削工艺设计3.1 高效切削工艺设计优势 在高速切削加工中，机床、夹具、刀具、数控系统和相关软件等只是必要装备，加工工艺的方法及参数设置等才是直接影响加工质量和效率的重要因素。合理的高速切削工艺将使得昂贵的高速切削机床充分发挥高质高效的作用。这些因素需要经验的积累及反复实践和总结，才能真正发挥高速切削加工的优势。通过实验对高速铣削加工工艺和传统工艺方法加工模具的经济性进行比较，证明了高速铣削加工在模具制造应用中是能够取得较好经济效益的。 在目前工业生产中，模具制造是最关键环节，缩短模具加工周期，提高模具制造质量，是人们长期努力的目标。高速切削便是是解决这些矛盾的重要途径之一。安全、高效和高质量是高速切削的主要目标。高速加工按目的分为两种情况：一是以实现单位时间最大材料去除量为目标的高速加工，多用于粗加工；二是以实现单位时间最大加工表面积为目标的高速加工，多用于精加工。精加工时由于加工余量较均匀，使用高速铣削可达到很高的走刀速度，切削出更多的表面积。对于小的零件，粗加工和精加工都可采用高速铣削加工。在粗加工后的半成品工件上，如何用半精加工的方法获得加工余量均匀的半成品毛坯，为精加工采用高速铣削创造条件；另外，在粗加工和半精加工时，如何选用刀具和合理设置切削参数，采用何种先进的走刀方法等，这些都是高速铣削加工工艺设计时要慎重考虑的问题。对于一个高速铣削加工任务来说，不能孤立地考虑一个方面，要把粗加工、半精加工和精加工作为一个整体对象来考虑，设计一个合理可行的加工方案，在安全的基础上，达到高效率和高质量的要求，充分发挥高速切削的优势，这就是高速铣削工艺设计的原则8。 作为先进制造技术之一的高速切削技术是机械制造业发展的必然趋势。高速切削技术是在切削原理上对常规切削的重大创新，在切削工艺的安排、切削用量的选择以及刀具选用和切削参数的设置等方面有较大的特殊性。普通的切削工艺及传统的刀具材料不能满足高速切削技术要求，选择不当，会加剧刀具磨损，根本达不到高速加工的目的。高速切削工艺是成功进行高速切削加工的关键技术。在高速切削加工中，必须对切削工艺参数进行选择和优化3。 高速切削加工的速度为常规切速的510倍左右。在基本保持刀具每齿进给量不变的情况下，为了保证工件的加工精度、表面质量和刀具的耐用度，则进给量也要相应地提高510倍左右，可达到60m/min以上，有的甚至高达120m/min。故，高速切削加工通常是采用高转速、大进给和小切深的切削加工工艺参数。并以此为基础选择刀具与优化切削路径。3.2 影响高效切削工艺的主要因素 高速切削加工的主要影响因素有工具机的高速主轴;高速进给系统CNC控制技术; 切削刀具及CAM等,探讨如下: 主轴的转速;功率;动平衡;刚性;锥孔形式及热变位等对高速切削加工都有相当程度的影响,在高速主轴方面的技术发展已经超过高速切削的应用发展,不过国内高速主轴尚属萌牙阶段,须奋起直追。 提高切削进给速度以提高加工效率是必需的,但高速进给系统必须高刚性,快加速度及高定位精度,才能满足高速切削加工。 在影响高速切削加工需选择传输速度快,CPU运算速度快,预读单节及NURBS功能适当的高阶CNC控制器,才能发挥高速切削加工之效能。 在配合高速切削加工的发展, 刀具厂商也积极开发新的耐高温耐磨耗的刀具材料如PCD(多结晶钻石)l;CBN等,不同的被切削材料及不同的切削速度可选用不同材料的切削刀具,以获得最佳效益。刀具的品质取决于刀具的材料(基材)、几何形状和涂层。如果刀具的基材选择不当，即使是选用世界上最好的设计和涂层也发挥不出其功效。基材质量最显著的指标就是晶粒度。一般而言，晶粒度越小的刀具越适合用于高速加工场合。对于高速加工，推荐使用0.5m或更小的晶粒度。 即便是晶粒度相当也还会存在一些其他的因素影响刀具的品质，这些因素就是硬度和横向断裂强度。对于给定的基材，硬度和横向断裂强度会受到钴含量的影响。以往为提高硬质合金的韧性，通常是增加Co的含量，所会出的代价则是硬度的降低。现在，这种情况可通过细化晶粒得到补偿，并使硬质合金的抗弯强度得到提高，已达到并超过普通HSS钢的抗弯强度，从而使超细颗粒硬质合金受到青睐。人们正在逐渐改变P类硬质合金适切钢，而K类硬质合金只适合加工铸铁和铝等有色金属的选材习惯。细晶粒硬质合金的另一优点是刀具的刃口锋利，尤其适用于高速切削粘而韧的材料2。 硬质合金刀具材料的发展主要是对细晶粒(10.5)和超细晶粒(0.5)硬质合金材料及整体硬质合金刀具的开发，使硬质合金的抗弯强度得到大大提高，可替代高速钢制造小规格钻头、立铣刀和丝锥等量大面广的通用刀具，其切削速度和刀具寿命也远远超过了高速钢。每把用于高速加工的刀具都有三个重要特性：精度、刚度和使用寿命。在模具工业中，模具制造商们如果不想在钳工工序上花费大量时间，就要高度重视每一把球头铣刀的精度。对腔体进行钳工修复需要大量的返工时间，很容易就会把盈利变成亏损。因此，模具制造商们要清楚地认识到：买一把高精度的刀具要多付一些钱，但与钳工的额外工作时间及报废的刀具装置相比，这项投入根本就算不得什么。 高速切削模式下，对于加工的要求使得刀具及其耐受径向、轴向力的能力变得十分重要。传统端铣刀，其芯部直径厚度大约为整个刀具直径的50%，芯部直径与沟槽的齿槽深度成正比。在碳钢的标准铣削操作中，这一设计应用良好，但在对D2和H13之类模具钢进行高速加工时，这种设计的刚性就不够了。锻模/铸模加工所用的端铣刀必须采用浅一些的齿槽，以支持更厚的芯部直径。高速切削方式要求切削深度不超过刀具直径的10%，与传统加工方式相比所需的容屑空间小得多，所以可以牺牲齿槽深度将芯部直径加厚。高速切削与传加工方式相比产生的热量较少，但是切口的温度也更恒定。因此，需要更先进的 PVD涂层来支持刀刃。在大多数加工应用场合，像TiN、TiCN以及单层的TiAlN 这样的标准涂层已经能满足应用。但在高速加工方式下，要想达到令人满意的刀具寿命，涂层和刀具必须满足更高的要求。 与硬质合金基材相似，刀具的不同涂层在肉眼看来往往没什么区别，但在显微镜下则大不相同，仅是TiAlN的变种就多不胜数。和硬质合金基材相似，决定涂层之间区别的还有工艺。事实上，工艺已受到人们越来越多的重视，有些涂层的专业生产厂家甚至还为其工艺申报了专利，以防止竞争对手的仿制。从加工的角度来看，试验已经证明高速加工场合下多层涂层最为理想。多层涂层的每一层中都融入了其它专利成分，防止涂层中的