1、重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文）附件 附件B：開題報告B PAGE 8 附件B：論文題目：高速干切滾齒機床身結構設計1、課題研究目的及意義1.1 課題的研究意義人類社會發(fā)展面臨著三個大問題：資源、人口和環(huán)境。在社會經濟發(fā)展過程中，資源的開發(fā)和利用必須考慮到人口增長的長期需要和自然資源與生態(tài)環(huán)境的承載能力，必須有利于環(huán)境保護。眾所周知，工業(yè)污染的過量排放嚴重威脅著生態(tài)環(huán)境。無可厚非，制造業(yè)是社會經濟發(fā)展的支柱產業(yè)，給人類帶來了極大的物質和精神文明，但是作為工業(yè)的基礎，制造業(yè)直接影響了生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展，是資源耗費的主要方面。有鑒于此，如何使制造業(yè)減少資源消耗和盡可能少地產生環(huán)境污染是當前制造業(yè)面

2、臨的重大課題。切削加工是制造生產過程中的重要組成部分，傳統(tǒng)的切削加工使用切削液冷卻、潤滑、清洗工件，同時降低工件表面切削應力和改善工件表面質量，但切削液的使用增加了制造成本，同時也會造成環(huán)境污染。在保證加工質量的前提下，不使用或者盡量少用切削液是當前研究切削加工的主要問題1。20世紀80年代以來，高速切削(HSC)加工作為一種先進的切削技術得到了日益廣泛的應用。高速加工采用遠高于常規(guī)加工的切削速度和進給速度，不僅可提高加工效率縮短加工工時，同時還可獲得很高的加工精度。高速切削因具有降低切削力，工件熱變形小等特點，為實現干切削提供了有利條件2。20世紀90年代中期，繼高速加工取得重大突破并不斷應

3、用于制造加工中，工業(yè)發(fā)達國家開始把干加工作為切學工藝研究和開發(fā)的重點。經過四到五年的時間，干切削加工已在工業(yè)生產中得到成功應用，不用切削液或采用微量切削液的切削加工技術已經進入到推廣應用階段。干切加工作為綠色制造戰(zhàn)略實施的具體體現，目前已經成為工程領域的研究熱點之一1。齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動。齒輪傳動以其傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大等優(yōu)點而被廣泛用于各種機械設備和儀器儀表中3。齒輪加工方法4很多，按加工中有無切削，可分為無切削加工和有切削加工兩大類。無切削加工包括熱軋齒輪、冷軋齒輪、精鍛、粉末冶金等新工藝。無切

4、削加工具有生產率高，材料消耗少、成本低等一系列的優(yōu)點，目前已推廣使用，但因其加工精度較低，工藝不夠穩(wěn)定，特別是生產批量小時難以采用，這些缺點限制了它的使用。齒輪的有切削加工具有良好的加工精度，是齒輪的主要加工方法，按其加工原理可分為成形法和展成法兩種。滾齒加工4是采用展成法應用齒輪嚙合的原理來進行加工的，用這種方法加工出來的齒形輪廓是刀具切削刃運動軌跡的包絡線。只要模數和齒形角相同，即使齒數不同的齒輪，都可以用同一把刀具來加工。展成法的加工精度和生產率都較高，刀具通用性好，所以在生產中應用十分廣泛。滾齒加工過程是連續(xù)的，不會有插齒和刨削齒那樣的空行程，故其生產效率高，屬于量大面廣的機械加工；滾

5、齒加工的操作和調整十分簡便，不僅可以加工直齒輪，而且可以加工螺旋角不同的各種斜齒，因而其加工通用性好；滾齒加工易于保證被加工齒輪有較精確的齒距，這一特點使其特別適合于加工要求調節(jié)累計誤差小的各種齒輪。滾齒可直接加工89級精度齒輪，也可用作7級以上齒輪的粗加工及半精加工。滾齒可以獲得較高的運動精度，但因滾齒時齒面是由滾刀的刀齒包絡而成，參加切削的刀齒數有限，因而齒面的表面粗糙度較大。為了提高滾齒的加工精度和齒面質量，宜將粗精滾齒分開。由于滾齒具有上述突出的優(yōu)點，因此它是最常用的齒輪加工方法，據統(tǒng)計，目前世界上生產的齒輪中，75%左右是滾齒加工的。高速干切滾齒是滾齒加工工藝的一種先進工藝技術，具有

6、高速干式切削加工高效環(huán)保、且在達到一定生產規(guī)模情況下加工成本低的特點。在當前利用綠色制造技術實現我國制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展成為必然趨勢的背景下，采用有利于環(huán)保的齒輪加工技術高速干切滾齒技術，對先進制造技術體系及金屬切削理論的完善和我國機械制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義5。高速干切滾齒機6作為典型的機械制造裝備，在齒輪制造行業(yè)占有重要地位。滾齒機床身作為重要的結構大件，支撐著工件、主軸箱、尾架等關鍵零部件，承受著切削力、摩擦力、重力等靜態(tài)力和動態(tài)力的作用。床身結構7的合理性和性能的好壞直接影響著機床的制造成本、各部件之間的相對位置精度和各運動部件相對運動軌跡的準確性，從而影響著工件的加工質量；關系到機

7、床所用刀具的耐用度；同時也關系到機床是否能安全可靠的工作以及整機的使用壽命。了解機床床身的結構特征，進行合理優(yōu)化的結構設計，將避免機床在使用中的不必要損失，提高使用壽命，使它滿足機床對加工質量和加工精度的要求。綜上所述，為了適應日益高漲的環(huán)保要求和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，面向綠色制造的高速干切滾齒加工無疑是齒輪加工的良好選擇，而滾齒機床身結構關系到滾齒機的使用壽命、滾齒機的穩(wěn)定性、滾齒機的生產成本，更制約著滾齒機的加工質量。從這個方面來說，對高速干切滾齒機的床身結構進行合理、優(yōu)化的設計非常必要。因此，本課題將結合具體型號高速干切滾齒機進行床身結構設計及三維建模，完成床身有限元分析及動力學分析。1.2

8、國內外研究現狀1.2.1 干切技術國內外研究現狀1干切削技術是上世紀九十年代為適應全球日益高漲的環(huán)保要求和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略而發(fā)展起來的一項綠色切削加工技術，1995年干切削的科學意義被正式確立，干切削技術開始在各國工業(yè)界和學術界引起廣泛的關注。目前歐美、日本等工業(yè)發(fā)達國家非常重視干切削的研究，干切削技術已經成功應用到了生產領域，并且取得了良好的經濟效益。干切削加工是一種理想的綠色制造工藝方法，據統(tǒng)計，現在已有20%左右的德國企業(yè)采用干切削技術，德國在干切削技術的研究和應用方面處于國際領先地位。日本在干切削方面也進行了大量研究，已開發(fā)成功幾種不使用切削液的干式加工中心，在其中的一種機床上，裝有液氮

9、冷卻的干切削系統(tǒng)從空氣中提取高純度氮氣，在常溫下以56個大氣壓的壓力將液氮送往切削區(qū)順利實現干切削。美國研發(fā)的“紅月牙”（Red Crescent）鑄鐵干切技術，切除率可達49cm3/min，生產效率提高了2倍多。此外，其它工業(yè)發(fā)達國家如英國、加拿大等也進行了干切削加工技術的研究，有些發(fā)展中國家也十分重視干切削技術的研究，通過各種途徑積極鼓勵和支持制造業(yè)展開相關工作。我國干切削技術的研究也已起步，一些高校對干切削技術進行了研究和探討，如重慶大學、哈爾濱工業(yè)大學、山東大學、廣東工業(yè)大學、合肥工業(yè)大學等在干切削的刀具設計、刀具材料、刀具涂層、加工方式等方面進行了比較系統(tǒng)的研究。成都工具研究所、清華

10、大學等單位對超硬刀具材料(如陶瓷、立方氮化硼、金剛石等)及刀具涂層技術進行了系統(tǒng)的研究并取得不少的研究成果，北京機床研究所開發(fā)成功的KT系列加工中心能夠實現高速干切削。目前，我國陶瓷刀具已形成了一定的生產能力，這些為干切削技術的研究與應用提供了初步的技術基礎。但總的來說，我國在干切削理論研究方面和國外還存在較大的差距，在工業(yè)中的應用規(guī)模更小，有待于加快研究與推廣應用。1.2.2 干切滾齒機的國內外研究現狀與濕式切削相比，高速干式切削滾齒機由于切削速度高，并可以完全不使用切削液，不但極大地提高了機床的生產效率、降低了工件的加工成本，而且更有利于保護環(huán)境、節(jié)約自然資源。隨著世界范圍內環(huán)境保護意識的

11、日益提高和對低加工成本的追求，高速干式滾齒機將成為齒輪制造商新購加工設備的新寵，高速干式滾齒機成為了滾齒機發(fā)展的趨勢。1835年，英國惠特沃思獲得蝸輪滾齒機專利；1858年，席勒取得圓柱齒輪滾齒機專利；以后經多次改進，至1897年德國普福特制成帶差動機構滾齒機，才圓滿解決了加工斜齒輪問題。由于在齒輪加工機床上采用干切削工藝效果非常明顯，因此，該領域內的干切技術研究和發(fā)展也是最快的。國外最具實力的滾齒機制造商主要有5：德國的利波海爾、美國的格里森集團公司、日本的三菱重工、堅藤、清和公司和意大利的SU公司。從機床特征上看，這些公司目前生產的滾齒機都是全數控式的，中小規(guī)格滾齒機都在朝著高速方向發(fā)展，

12、所有高效機床均采用了全密封護罩、油霧分離器及磁力排屑器的方式，部分地解決環(huán)保問題。在干式切削滾齒方面，德國利波海爾公司早在10幾年前就開始研究高速干式切削滾齒機，日本三菱重工則是最早將高速干式切削滾齒機商品化的制造商。三菱公司推出的世界上第一臺干滾切系統(tǒng)，其切削速度是傳統(tǒng)滾切速度的2倍，達到了200m/min。配合該公司專門設計的涂有專用涂層的MACH7高速鋼滾刀，在加工汽車末級傳動齒輪、大型載重齒輪、汽車小齒輪及行星齒輪時均取得了較理想的效果，使生產成本降低40%；美國Gleason公司用硬質合金滾刀在Phoenix機床上用干切削方法加工錐齒輪，滾刀轉速可達3000r/min，與傳統(tǒng)的高速鋼

13、刀具相比，切削時間降低50%，而且表面粗糙度顯著降低，幾何精度大為提高3。近幾年，國際上各大滾齒機制造商都在集中精力開發(fā)高速干式切削滾齒機8。目前，德國利波海爾公司的LC80 系列滾齒機，美國格里森集團公司的GP130系列滾齒機，日本三菱重工公司的GN10系列滾齒機等均可以采用高速干式切削加工。其中，美國格里森集團公司的GP130系列滾齒機可以達到不用切削液、液壓油和潤滑油。三菱重工在GE系列干式切削滾齒機中追加并推出了最大加工直徑為250mm的GE25A，這種滾齒機帶有倒角裝置，GE25A在提高主軸與載物臺轉軸剛性的同時降低了發(fā)熱，并且提高了滾刀架的熱容量。由于能夠在高速條件下穩(wěn)定加工，因此

14、使老式濕式加工需要90秒的切削時間減少了一半，刨除工具費以外，經營成本可減少30%。由于控制斃和油壓裝置等外部裝置都實現了模塊化，更容易適應生產線編制及布局變更。此外，還縮短了滾刀架正面到滾刀中心的距離，并且采用了圖形畫面，由此提高了可操作性9。長期以來，由于缺乏整體設計與制造能力，國內的高精尖加工裝備依賴進口的現象非常嚴重，不僅浪費了大量的外匯，而且使國內裝備制造業(yè)的發(fā)展受制于國外。同時，出于國家戰(zhàn)略或商業(yè)利益考慮，國外企業(yè)憑借技術和資本優(yōu)勢，對高檔專用設備、高技術設備采取了產品禁運、技術封鎖的政策，加強自主研發(fā)力度是打破這一局面的唯一選擇3。十二五期間，我國機床產業(yè)發(fā)展將出現重大的趨勢性變

15、化。國內消費需求的不斷增長，為機床制造業(yè)展開了一個廣闊市場，提供了發(fā)展機遇同時也提出了挑戰(zhàn)。節(jié)能環(huán)保已受人們的廣泛重視，走低碳環(huán)保之路成為機床產業(yè)發(fā)展規(guī)劃重點，兼并優(yōu)化重組成為機床企業(yè)提高核心競爭力的手段。就目前來看，國內的滾齒機擁有量高達4萬余臺3，在這些機床中，很大部分是20世紀6070年代的產品，急需更新?lián)Q代。20世紀80年代以后國內生產的滾齒機的技術含量有所提高，其主要特征是機床的數控化。在滾齒機設計技術方面，主要經歷了兩個研究階段：從傳統(tǒng)機械式滾齒機通過數控改造發(fā)展為23軸(直線運動軸)實用型數控高效滾齒機；全新的六軸四聯(lián)動數控高速滾齒機的開發(fā)。以前，滾齒機加工(鋼件)全部采用濕式滾

16、齒方式，當滾刀線速度大于70m/min后，加工中會產生大量油霧，對環(huán)境和操作人員造成了較大的危害。目前，滾齒機制造商重慶機床廠和南京第二機床有限責任公司生產的系列數控高效滾齒機均采用了國際上流行的處理方式：用全密封護罩加油霧分離器將油和霧分開，將不含油的霧排向車間，冷凝后的油回到機床內循環(huán)使用，夾著油污的鐵屑則通過磁力排屑器將鐵屑和大部分油污分離。這一方式部分解決了滾齒加工的環(huán)保問題，取得了良好的社會和經濟效益5。面對經濟全球化的機遇和挑戰(zhàn)，國內也開始了高速干切滾齒機的研發(fā)工作，并取得了一定的進展。標志性的產品是重慶機床廠研制成功的既能干切又能濕切的YKS3112六軸四聯(lián)動數控高速滾齒機。與國

17、外類似滾齒機相比，僅就高速而言，YKS3112離高速干切滾齒機尚有一定的距離3。2008年以來，齒輪行業(yè)興起了一股干切熱潮，各種干切的消息層出不窮，有在非常簡易的國產機床上使用涂層高速鋼刀具進行干切的，也有在天津機床上使用涂層高速鋼刀具進行干切的，一汽底盤也在奧利康C系列機床上使用硬質合金涂層刀具進行過數次弧齒錐齒輪干切，株洲齒輪有限責任公司在引進的鳳凰600HC機床于2008年4月到位后進行過許多次的干、濕切試驗，部分產品已進行了批量生產10。重慶機床集團設計的YS3116CNC7七軸四聯(lián)動數控高速干切自動滾齒機1112，可實現七軸數字控制及四軸聯(lián)動自動干式切削，不需要切削油，實現了綠色環(huán)保

18、加工，加工效率是濕式切削的23倍，單件成本僅為傳統(tǒng)滾齒加工的60，其加工精度可達到GB10095的六級精度，該產品完全能夠滿足汽車、摩托車行業(yè)大批量、高精度的齒輪加工要求，達到當今國際先進水平，屬國內首創(chuàng)，擁有全部知識產權。2010年8月，重慶機床集團又推出了新一代七軸四聯(lián)動高速干切滾齒機YE3120CNC713，它具有結構緊湊、加工效率高、可靠性和節(jié)能環(huán)保性能突出，以及高性價比等特點。該機床最大加工直徑210mm，最大加工模數4mm，主軸最高轉速達2000r/min，加工精度達到GB/T10095.1-2008的6-6-7級，可加工各種直、斜齒輪、雙聯(lián)或多聯(lián)齒輪、小錐度齒、鼓形齒、花鍵、蝸輪

19、、鏈輪等，特別適用于汽車、摩托車、流體機械、起重機械等行業(yè)的大批量齒輪加工。2、課題任務、重點研究內容、實現途徑2.1 課題任務通過本畢業(yè)設計，訓練學生了解高速干切滾齒機與傳統(tǒng)滾齒機的區(qū)別，熟悉高速干切滾齒機的工作原理及其實現的關鍵技術，掌握高速干切滾齒機的床身結構設計的特點，系統(tǒng)地掌握機床床身設計流程及學會利用工程建模軟件對機床關鍵零部件進行三維建模及仿真分析。2.2 重點研究內容整個畢業(yè)設計過程中，采用老師指導和學生自學相結合的方式，大量開展討論和交流，并進行企業(yè)實地調研，基本原理和理論結合實踐的方式進行本次畢業(yè)設計。主要研究內容如下：(1)通過文獻檢索和閱讀消化，熟悉高速干切滾齒機的特點

20、，掌握高速干切滾齒機的工作原理；(2)掌握高速干切滾齒機的關鍵技術，掌握高速干切滾齒機床身設計流程；(3)結合某型號高速干切滾齒機進行機床床身設計，并進行床身有限元分析及動力學分析。設計（論文）的主要技術指標：(1)掌握高速干切滾齒機床身結構設計特點；(2)結合某型號高速干切滾齒機進行床身結構設計及三維建模；(3)完成床身有限元分析及動力學分析。2.3 實現途徑本課題所在單位擁有較好的人力物力基礎，擁有多種計算機軟、硬件及儀器設備，同時課題組與國內最大的齒輪加工裝備生產商重慶機床集團有著戰(zhàn)略合作關系，使本課題可以理論聯(lián)系實際。本課題通過在充分利用重慶大學數字資源檢索文獻并總結提高，結合企業(yè)實地

21、調研的方式開展。參考文獻1 劉志峰等. 干切削加工技術及應用M. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005.2 包軒庭. 高速干切削技術的研究現狀與發(fā)展趨勢J. 常熟理工學院學報(自然科學版), 2007, 21(8): 71-74.3 黃強. 干式滾齒及其機床的單元技術研究與實踐J. 機械設計,2008, 25(4): 8-11.4 劉英, 袁績乾. 機械設計制造技術基礎M. 北京：機械工業(yè)出版社, 2008.5 李先廣. 面向綠色制造的高速干式切削滾齒機設計與評價技術研究D. 重慶大學碩士學位論文, 2003.6 Liu Runai, Lv ming. Research On Key Technologies Of Direct-Drive Gear