文献综述-车床功能部件开发——动力刀塔三维模型设计

毕业设计（论文）文献综述题目车床功能部件开发动力刀塔三维模型设计学院名称机电工程学院专业班级机械设计制造及其自动化机械092学生姓名1前言部分（阐明课题的研究背景和意义）如今，世界已进入了全球制造的时代，缩短产业链，专注于自身核心竞争力的提高已成为了世界制造企业的变革趋势。面对千差万别的制造业，如何以客户为中心，满足客户个性化的需求，为他们提供一个整体的最优化的解决方案是当今制造企业所面临的一个重要课题。现代制造业的发展，对机床除了要求重量轻、成本低、使用方便和具有良好的性能外，还要求机床具有高的加工性能。如在产品设计的过程中，工程技术人员在产品设计阶段能预测出产品性能，将对提高产品的质量起到很大的作用13。目前，国内的机械加工多采用普通机床、组合机床和数控机床。对于大多数零件的普通加工，可以用普通机床完成；对于一些复杂的且精度要求较高的零件，多采用数控加工中心；组合机床多用于多孔钻削、多平面的铣削2。传统的数控车床的加工能力十分有限，一次装夹，只能实现车削或端面钻孔操作。对于较复杂形状类零件的加工，需要在几种不同的加工机床间经过多次加工才能完成，因此就要经过多次的搬运、装夹、定位，这样不仅造成了加工周期的延长，降低了生产效率，而且由于多次装夹、定位，容易造成多次误差积累，也降低了加工精度，这些都违背了现代加工制造业所倡导的高效、高精度的要求。20世纪70年代出现的加工中心及80年代出现的柔性制造系统，主要强调制造设备的柔性，即对小批量多品种零件的适应能力，重点考虑零件加工的可能性，而很少顾及产品加工过程链的长短，没能很好解决工序分散的问题。随着数控机床性能的不断提高，机动加工时间越来越短，影响交货期的瓶颈主要在于机床辅助时间和工件在工序之间的滞留，减少工作地的数目也就意味着缩短生产周期。这时，以工序集约化的新型加工中心为先导的完整加工应运而生1。完整加工COMPLETEMACHINING是指在一台机床上能加工完一个零件的所有工序，有时也可能需要两台机床，所以也称为综合加工或复合加工1。它大大缩短了生产过程链，保证零件加工质量，极大地减少了加工过程中间辅助环节以及加工设备和工作地数量，提高了生产效率和设备利用率，降低了总体固定资产投资、生产运作成本和管理成本。工件越复杂，它相对传统工序分散的生产方法而言，优势就越明显。加工效率与精度是金属加工领域的永恒目标。工序集约化不仅提高了工艺的有效性，由于零件在整个加工过程中只有一次装夹，加工的精度更容易获得保证。近年来，完整加工有了很大进展，工序集约化突飞猛进，扩展到回转体零件，首先是在数控车床上增加铣削加工，然后从车铣复合加工到完整加工1。随着数控技术、计算机技术、机床技术以及加工工艺技术的不断发展，传统的加工理念已不能满足人们对加工速度、效率和精度的要求。在这样的背景下，便出现了复合加工技术。目前的复合加工技术主要表现为2种不同的类型，一种是以能量或运动方式为基础的不同加工方法的复合；另一种是以工序集中原则为基础的、以机械加工工艺为主的复合，车铣复合加工是近年来该领域发展最为迅速的加工方式之一3。复合加工技术发展促进了加工效率的不断提高。己经出现了各种机械加工方法组合的复合机床，能在一次装夹情况下，完成工件的大部甚至全部工序，减少安装定位误差，提高加工精度质量；减少工序装卸辅助时间和物流时间，提高生产效率成本、周期；减少了夹具及物流装备，降低成本及准备时间成本、周期。2主题部分（阐明课题的国内外发展现状和发展方向，以及对这些问题的评述）21复合机床复合机床（COMPLEXMACHINETOOLS），又称为复合加工机床，或多功能复合加工机床，是能够在一台主机上完成或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工的机床。复合机床一般都是数控机床或加工中心，即复合数控机床或复合加工中心。复合加工机床由于其能在一台设备上完成多种加工要求的优点，满足当今社会对于机床高速度、高精度、高效率、高柔性的要求，吸引了众多机床制造商研究和开发。复合加工机床具有的功能是随着时代的变化而变化的。80年代中后期，开始出现车铣中心、磨削中心等，使复合加工得到扩展而不再局限于镗、铣等工序，90年代后期进一步发展了车铣中心、铣车中心、车磨中心等，近年来又出现由激光、电火花和超声波等特种加工方法与切削、磨削加工等方法组合的复合加工机床，使复合加工技术成为推动机床结构和制造工艺发展的一个新热点。与传统的数控机床相比，复合加工机床的具有的突出优势主要表现在以下几个方面3。（1）提高工序集中度，缩短产品制造工艺链。复合加工机床可以实现一次装夹完成全部或者大部分加工工序，从而大大缩短了由于装夹改变导致的生产辅助时间，减少了工装卡具制造周期和等待时间，显著提高了生产效率。（2）减少装夹及定位次数，提高加工精度。装夹次数的减少避免了由于定位基准转化而导致的误差积累。同时，目前的复合加工设备大都具有在线检测的功能，可以实现制造过程关键数据的在位检测和精度控制，从而提高产品的加工精度。（3）减少占地面积，降低生产成本。虽然复合加工设备的单台价格比较高，但由于制造工艺链的缩短和产品所需设备的减少，以及工装夹具数量、车间占地面积和设备维护费用的减少，能够有效降低总体固定资产的投资，以及生产运作和管理的成本。22复合机床的国内外发展现状及发展方向在全球机床制造和金属加工领域，复合加工技术已成为主要的发展趋势，并且在高速加工技术的有力支撑下，复合加工技术正以其强大的加工能力被不断发展和应用。由于我国复合加工机床起步比较晚，最早研究的是车铣复合加工机床。首台复合加工机床出现2001年中国国际机床展上，是由沈阳机床股份有限公司与德国MAXMULLER公司合作生产的车铣复合中心。此后，复合加工机床不会仅停留在车削和铣削上，从淬火，磨削，压入到冷压成形，超声波加工，激光加工等不同工种将都可能组合到一台机床上，朝着一台复合型加工机床的方向发展19。目前，复合加工机床日趋多样化，世界上主要的复合加工机床大体可分为三类第一类是以车削为基础的复合加工机床，如车铣复合中心、小型五轴车铣复合中心、车铣复合加工单元等；第二类是以铣削为基础的复合加工机床，如五轴棒料加工中心；第三类为一磨削为基础的车磨复合加工机床，如车磨复合加工机和倒置式车磨复合中心。（1）以车削为基础的复合加工机床这类机床在卧式车削中心和立式车削中心的基础上集成了铣削、钻削和攻丝、镗削、磨削以及滚齿和插齿等工艺方法，成为卧式或立式车铣复合加工机床。具有代表性的有奥地利WFLMILLTUNTECHNOLOGIES公司的M65和M60G；日本MAZAK公司的100、200、300系列，QTN100MS、250MSY、350M系列；德国INDEX公司的TRAUBTNX65；DMG公司的TWIN65等多种卧式车铣复合加工机床6。奥地利WFLMILLTUNTECHNOLOGIES公司的M65卧式车铣复合加工机床具有一定的代表性。该机床总体采用传统卧式车床布局形式，床身采用高刚性的60斜式床身结构，导轨为特殊设计的大尺寸直线导轨，具有高刚性和优良的抗振性。床身左端为车削主轴箱，具备C轴功能。右端为尾座装置。斜式床身上部是车、铣、镗主轴装置，可沿纵向（Z轴）、横向（X轴）、径向（Y轴）进行直线运动和B轴的摆动回转运动。此外，B轴还可以25为单位分度，具有进行旋风车铣粗加工的能力。斜式床身的下部是一个在纵向和横向均可机动控制的中心支架，用于端面和镗内孔加工不能使用尾座装置时支撑工件。而M60G在此位置是一个双刀盘式的车削回转刀架，在纵（Z1）轴、横向（X1轴）均可参与联动加工。因而该机床具备X、Y、Z、B和C多轴插补联动功能。在无人干预的情况下，进行车削、钻孔、铣削、磨削、枪钻、内外齿加工、车铣、圆弧铣削等加工任务。该机床在主轴箱后面配备一个多达120把刀位的无磨损、免维护盘式刀库取代传统的链式刀库，可存放长达900MM、重达20KG的刀具。换刀位置位于机床左端主轴箱主轴的上方，为减少换刀时车铣主轴往返移动带来的非生产性时间浪费，换刀位置在全纵向行程内编程置于程序库内。机床车铣主轴的下方配置的第二个刀具支撑附件采用独特坚固的燕尾槽结构，可以安装深孔钻刀杆、WFL系列镗刀杆、整体钻头、内型腔加工动力刀具和特殊型面镗刀等远大于标准刀具尺寸的大型刀具。在机床右端主轴上方设有换刀台，可自动存取最多两把，长度可达1550MM、重达150KG的大型刀具。深孔镗刀杆和内型腔加工动力刀具可装载多种加工刀具，可直接由左端刀库取刀，并且可由一独立的机床滑门操作，无需中断加工。对工件内、外圆同时进行加工时，可以达到极高的同轴度，同时又能保证镗孔和铣削表面的位置精度6。（2）以铣削为基础的复合加工机床这类机床在卧式加工中心和立式加工中心的基础上集成了车削、钻削和攻丝、镗削、磨削以及滚齿和插齿等工艺方法成为卧式或立式铣车复合加工机床。如日本MAZAK公司的INTEGREXE800V/5、E1550VL0卧式铣车复合加工机床在五轴卧式加工中心的工作台增加回转车削功能，可以在一次装卡下对圆型盘类零件实现车、铣等工序的完全加工。INTEGREXE500HS立式铣车复合加工机床则在机床左右两端各设一个带卡盘的回转主轴右端卡盘可在轴向伸缩，可对长轴类零件进行顶卡加工，也可在左右两端同时进行对两个短轴类零件的车、铣等工序的加工工作6。（3）以磨削为基础的车磨复合加工机床车磨复合机床研究方面，国内外已经有很多相关研究和生产。瑞士MAGERLE公司的MGR型立式车磨复合加工机床，机床上方配有多个磨头和一个车刀架，可以对零件进行磨削和精车，实现了一次装夹，完成多种工艺加工；日本森精机制造所的IGV3NT型磨头可回转式立式磨床，可在一次装夹下对零件内外圆和端面进行加工；瑞士STUDER公司的S33型万能数控磨床，可以在一次装夹下实现多线螺纹加工和内外圆、端面加工。南京数控机床有限公司的N094型数控双端面车磨复合机床是用于汽车刹车盘的双端面车和双端面磨加工的专用机床。车磨复合加工提高了加工精度，减少了零件的装夹时间以及砂轮的更换时间，提高了加工效率14。（4）以不同加工类型为基础的复合加工机床将多种不同的加工类型集成在一起，例如激光淬火与磨削加工集成的复合加工类型；切削、磨削、研磨加工集成的复合加工机床；铣削与激光三维加工集成的复合加工机床等。未来的复合加工机床将结合数控技术、软件技术、信息技术、可靠性技术的发展向构件简约化、结构紧凑化、配置模块化和部件商品化方向发展。复合加工机床的性能也会根据用户的加工要求向多样化发展，有为适合于多品种、单件和小批量生产条件的全功能性复合加工机床，也有为适合于提高生产效率、较大批量生产条件的专用的功能适宜的复合加工机床。同时复合加工技术也在重型、大型机床上有着广泛的开发前景。复合加工是未来机床发展的重要方向6。23相关技术研发针对国内复合机床发展的特殊现状，通过在普通数控车床上添加功能部件，扩展数控车床的加工范围，提高该数控车床的加工能力，将数控车床改造为车铣复合加工机床，从而大大减少设备投资，是国内许多工厂的迫切需要。数控车床功能部件涵盖了众多方面，如数控系统、刀库、数控刀架和转台、摆头、主轴、电主轴、滚珠丝杠副和滚动导轨副、高速防护等20。其中动力刀塔功能部件的应用对于数控车床加工范围的扩展起到了关键性的作用，通过在动力刀塔上安装车刀、铣刀、钻头、砂轮等，可以将数控车床扩展为集车削、铣削、磨削、钻孔等多种功能于一体的复合加工机床。231多功能车床刀塔多功能刀塔（如图1）作为选配模块配置在数控车床上。以实现车、铣和钻的工序复合。多功能刀塔主要结构由立柱和动力头两部分组成。其中动力头部分可安装L到3把平行的刀具，如图1中组件L。动力头安装在燕尾槽动导轨如图1组件3上，燕尾槽动导轨与丝杠螺母连接，丝杠螺母与立柱中的滚珠丝杠装配，燕尾槽动导轨在立柱表面上下滑动，从而实现动力头的Y向运动，刀塔立柱如图1组件4安装在横溜板如图1组件9上，实现整个动力单元的纵向进给。立柱外部尺寸为198168205MM。托板和横溜板分别控制刀塔的Z向进给铣削和X向进给钻销立柱通过导轨与刀头体连接，刀头体在步进电机5的驱动下由安装在立柱中的滚珠丝杠驱动完成Y轴方向的运动22。1动力头2伺服电动机3燕尾槽动导轨4立柱5步进电机6钻头7铣刀18铣刀29横溜板图1动力刀塔布置图231A轴动力刀塔立式车铣复合加工中心是新一代复合加工机床的代表，该机型可以通过一次装夹完成车、铣、钻、镗等多个工序的加工。与传统的多工序多机床的加工方式相比，具有精度易于保证、占地面积小，生产灵活高效等诸多优点。VHT系列立式车铣复合加工中心采用西门子840D系统控制，机床由高刚性的整体底座、高刚性轻量化设计的立柱、直驱技术的双功能车铣回转工作台、摆头动力刀塔、自动换刀系统、恒温系统、液压系统、冷却系统、排屑系统、机内对刀系统、走线系统、安全防护系统等组成。机床共设置X、Y、Z三个坐标轴，A、C两个旋转轴。立柱位于底座上方，可沿机床Y轴移动；力矩电机直接驱动的双功能车铣回转工作台带C轴功能，不仅可以实现铣削插补分度定位功能，而且还可实现车削旋转功能，整体双功能车铣回转工作台可沿机床X轴移动；摆头动力刀塔自身带A轴功能，安装在动立柱的滑板上，铣头旋转锁紧时可实现车削功能，摆头动力刀塔整体可沿机床Z轴上下移动。整体结构如图2所示9。1Y轴直线导轨2立柱3A轴刀架滑板装置4A轴车铣刀塔5中空滚珠丝杠副6机内螺旋排屑装置7回转工作台8X轴转台底座9底座图2立式车铣复合加工中心的总体结构图摆动动力刀塔（A轴），如图3所示，是车铣复合加工中心的核心部件，由A轴工作台和刀具主轴两部分组成，其工作特点是主轴铣削时动态旋转，车削时不转。车削时卸荷齿形联轴节将固定到旋转壳体上，消除主轴轴承负载，提供防铰定位精度，并吸收切削力。刀具则由碟簧夹紧，液压释放，通过液压系统压力差值监视刀具夹紧情况。在换刀时利用压缩空气清洁主轴锥面，并采用迷宫式密封结构防止主轴受到污染。同时该刀具主轴上有外冷却和内冷却两个冷却液出口，分别可实现刀具的外冷却和内冷却9。图3摆头动力刀塔（A轴）A轴动力刀塔主要由驱动单元和点主轴单元两大部分组成，如图4所示。1角度测量系统2转动轴3传动齿轮4传动皮带5伺服马达6赫式三片齿7电主轴（A）驱动单元结构示意图1换刀时清洁用的排风口2HSK或CAPTO3拉刀机构4刀具法兰与主轴紧密贴合面5心轴前端轴承6赫式三片齿7心轴8壳体9中心冷却液输送管10抓刀信号传感器11液压打刀缸12蝶形弹片13主轴转子与定子14外部冷却液连接口B电主轴结构示意图图4A轴动力刀塔结构示意图图5A所示的的驱动单元结构主要用于机床A轴的连续旋转和角度定位。由传动装置、内置编码器、变速齿轮箱、液压A轴夹紧松开装置和装有滚针轴承的回转装置等组成。此类结构的A轴刀塔与传统蜗轮蜗杆传动的刀塔相比具有结构更加简单，易于加工和装配的优点，提高了生产效率，降低了产品成本。图5B所示的电主轴结构，主要由内置式电主轴（主轴定子和转子）、HSK或CAPTOC6松拉刀装置、心轴锁紧及松开装置（通过液压控制的赫式三片齿）、环形外部冷却装置、中心出水装置及各位位置开关等部分组成。内置式电主轴驱动电机采用西门子IFE0934WH11，可以满足绝大多数的铣削加工需要。主轴刀柄形式为HSK63A或CAPTOC6选项，相对于以往使用的单面定位的BT刀柄，双面定位的双面定位的HSK及CAPTO主轴刀柄形式可以很好的解决10000RPM以上高速回转时主轴锥形口因离心力变形而引起的刀具振动问题；特别在使用车刀进行重切削的时候，CAPTOC6系列的刀柄接近于零误差的角向定位，完全避免了车刀因重复装取而引起的角向定位误差，实现高精度车削加工。拉刀系统通过蝶形弹片和释放液压来完成抓刀，换刀时，压缩空气通过心轴清洁主轴锥度内孔，由于电主轴前端使用迷宫方式密封，可以实现自动换刀。当进行车削加工时，电主轴被牙盘锁紧，心轴的前端轴承不受力，加工所受的力被电主轴壳体吸收。当进行铣削时，电主轴松开，进行高速铣削21。A轴摆头动力刀塔较之A/C,B/C摆头具有更好的可靠性并节约空间，而其特有的变速齿轮传动机构较之传统的蜗轮蜗杆传动机构有着良好的加工性、散热性和经济性；该技术提供了一种完善的加工解决方法，一次装夹便可实现多个表面或复杂形面的加工，因而大大简化了装夹和刀具系统的复杂性，同时减少夹具及非生产时间。由于主轴可以在一定范围内实现任意角度的回转定位，从而大大提高了机床的工艺范围。A轴技术使得动力回转轴的加工更加具有柔性，它可以对工件从任意角度进行面铣和端铣的雕刻式加工。其静轴加工能力，使得复杂零件的车削加工也更高效和经济。此技术的应用，将车削和铣削功能集成到一台高性能机床之中。233转塔动力刀架数控转塔动力刀架是精密数控车削中心的核心功能部件。国际上的数控回转动力刀架分为两个设计趋势（1）带刀库的自动换刀装置；（2）转塔式刀架。两种方案针对的加工对象有所不同前者结构尺寸较大，适合搭载在立式铣床上，对大尺寸工件进行加工；后者结构尺寸比较小，适合搭载于数控车床上，完成小尺寸零件的加工17。数控刀架作为数控车床的动作执行部件，其基本结构包括驱动装置，分度装置，预定位装置，松开、刹紧装置，进定位装置，发信装置，装刀装置。为满足不同工件的加工要求，数控刀架分为4、6、8、10、12工位，形式为立式和卧式16。数控刀架换刀动作16系统发出指令齿盘松开刀架旋转分度到达目的工位并发出信号预定位齿盘锁紧精定位系统确认后进行切削。转塔刀架的总装图（A）和机械结构简图（B），如图5所示。（A）1刀盘2动力传动部分3精确分度机构4液压控制系统5粗分度结构6动力刀具离合结构（B）图5转塔刀架总装图和机械结构简图234新型精密动力刀塔台湾六鑫公司是刀塔专业制造厂商，主要产品为各种精密动力刀塔。新系列刀塔之刀盘旋转与分割皆采用专用型伺服马达驱动，具有卓越特出的位精度与快速换刀特性。此外，重复精度更可达0003MM。拥有精密定位与优异重复精度的六鑫动力刀塔，在性能方面可媲美欧美知名品牌，其以优惠的价格帮助客户节省机器成本。换刀速度是六鑫动力刀塔的设计重点，换刀速度快速、顺畅、稳定，即使在高速换刀情况下，也绝不会产生乱刀问题。彻底凸显六鑫动力刀塔在快速换刀的卓越性能。此外，动力刀座规格符合DIN69880与DIN5480标准。图6台湾六鑫公司的新型精密动力刀塔3总结部分（将全文主题进行扼要总结，提出自己的见解并对进一步的发展方向做出预测）31机床业未来的发展趋势目前，在世界机床制造和机械加工领域，复合加工技术是处于领先地位的技术。所谓复合加工技术，即是在一台设备上完成车、铣、钻、攻丝、铰孔、扩孔等多种加工要求。其主要优点是能够减少加工时间，减少辅助时间，以提高生产率，车铣复合加工就是这一技术的典型代表。实现复合加工，有许多可行方案，其中，数控车床与数控车削中心的一个重要组成部分就是数控转塔刀架。数控转塔刀架是实现复合加工的核心功能部件，不仅可以像普通刀架装配多把普通车刀，并且能够同时提供动力驱动动力刀具，完成铣、钻、攻丝、铰孔等加工。复合机床是当前世界机床技术发展的潮流。复合加工在保持工序集中和消除（或减少）工件重新安装定位的总的发展趋势中，使更多的不同加工过程复合在一台机床上，从而达到减少机床和夹具，免去工序间的搬运和储存，提高工件加工精度，缩短加工周期和节约作业面积的目的，为使用者带来效益。这不仅能够满足用户在减少占地面积，减少零件传送和库存，保证加工精度等方面的需求，而且也适应了现代社会的节能减排要求。目前越来越多的复杂零件采用复合机床进行综合加工，复合机床成为各国机床制造商开发的热门产品。32小结当今世界数控机床正向高速、精密、复合、智能、环保、方向发展，而功能部件在数控机床发展中起到了及其重要的作用，其性能已成为整机性能的决定因素。数控车床功能部件涵盖了众多方面，如数控系统、刀库、数控刀架和转台、摆头、主轴、电主轴、滚珠丝杠副和滚动导轨副、高速防护等。其中动力刀塔功能部件的应用对于数控车床加工范围的扩展起到了关键性的作用。本次毕业设计，我需要通过设计开发出一种功能部件，将其添加到普通数控车床上，在保留原有普通数控车床功能的基础上，对其进行功能扩展，提高其加工能力，从而实现在普通数控车床上对复杂形状类零件进行多工序复合化加工的目的。在设计开发出的动力刀头上安装车刀、铣刀、钻头、砂轮等,可以将普通数控车床扩展为集车削、铣削、钻孔、磨削等多种功能于一体的复合加工机床,尤其是可以实现侧向的钻孔和铣削加工，再配合以数控系统，可以实现多轴连动，能够对一些曲面进行加工，从而大大扩展了普通数控车床的加工范围,提高了其加工能力。4参考文献1张曙从车铣复合到完整加工J新技术新工艺,2004,8252王晓员车铣多功能机床总体设计J机械工程师,2007,562623吴宝海,严亚南,罗明,张定华车铣复合加工的关键技术与应用前景J航空制造技术,2010,1942454贺小宇,齐明思,张峰CJK6032A数控机床导轨的绿色设计J机械管理开发，2006,065盛伯浩我国数控机床现状与技术发展策略J制造技术与机床,2006,0217216周军复合加工机床发展的重要方向J机电新产品导报,2005,0128297张广伟在经济性车床上拓展车、铣复合加工技术J机械制造,2007,4552065678刘鸿雁,黄玉美,高峰,史文浩,杨新刚多轴联动复合加工数控机床的创新开发D西安理工大学学报,2008,32732779高莹,赵宏安,董建军V