新材料新结构在数控机床上的应用.doc

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1、新材料新结构在数控机床上的应用 姓名： 班级： 2013年04月02日目录一、新材料在数控机床上的应用3（一）概述3（二）新材料在数控机床上的应用31. 树脂混凝土32. 复合石蜡材料53. 新型陶瓷材料84. 其他新材料11二、新结构在数控机床上的应用13（一） 概述13（二） 新结构在数控机床上的应用131. 液压尾座132. 新型五坐标并联机构143. 槽轮机构17新材料新结构在数控机床中的应用一、新材料在数控机床上的应用 （一）概述随着现代工程技术和科学技术对材料性能要求的不断提高，新材料的研究和应用得到迅速发展，以复合材料为代表的新材料已经广泛地应用于国民经济各个领域。在机械工业中，

2、新材料的出现和应用使一些传统的加工工艺发生了重大变化。现代航空航天业等高新技术产业的发展对数控机床与装备的性能、精度、加工能力的要求日趋提高，带动和促进了数控机床与装备制造业的发展。 （二）新材料在数控机床上的应用1. 树脂混凝土由于航空航天工业产品零件具有耐高温、高强度、难加工、合金材料和复合材料多、复杂结构件多和工艺要求高等特点，要求机床加工设备朝大型（重型、超重型）、高速、精密、复合、智能化的趋势发展。如何充分地发挥新材料工艺性能等优势，把它应用于实际，成为新时期机床设计领域的重要课题。 包括碳素纤维、陶瓷和复合材料等新材料在机床结构中的应用，使机床结构轻量化、环保化，促进了机床加工设备

3、向高速、精密、复合、智能化方向发展。如机床的大尺寸支承件使用人造花岗石，或在钢板焊接的框架内填充混凝土，既可以节省金属资源，又可以增加抗振性和热稳定性；对一些受力条件复杂的零、部件，使用像碳素纤维等新材料，不仅可以使机床结构轻量化，而且可以提高寿命；对一些高硬度耐磨件，使用陶瓷等材料代替高硬度钢，既可以减轻重量，又可以节省贵重金属资源，还可以省去高硬度钢在加工过程中需多次进行的、耗时耗能的热处理工序。 例如，在欧美等国家机床产业中，新型材料树脂混凝土得到了很大的发展，特别是在高精度机床的床身应用方面，树脂混凝土正逐渐替代传统的铸铁。树脂混凝土是一种新兴结构材料，是一种由天然矿石（不同尺寸、不同

4、来源）和环氧树脂（作为粘合剂）为主的混合物，相对于传统的铸铁来说具有很大的优势。目前，越来越多的国际机床制造商开始设计使用树脂混凝土的机床，但对于中国市场来说，这个领域还是空白。与传统铸铁相比，树脂混凝土具有以下4 项优势： （1）低能耗。相对于铸铁来说，树脂混凝土能耗少，在制作过程中节省大约30% 的能量消耗。在面临电力、天然气、煤等能源短缺问题的今天，使用如树脂混凝土之类造价低廉并能回收的环保材料是最理想的选择，树脂混凝土垃圾和旧的床身可以作为建筑原料。 （2）吸振性好。如今，精密数控机床越来越受重视，在高速切削时，工件和机器部件移动得越来越快。提高转速、进给速度和增加零部件重量将会产生振

5、动，从而降低精度。树脂混凝土能消除振动，提高机床的精度。 （3）高度整合性。和900浇铸温度的铸铁相比较，树脂混凝45的浇铸温度是另一个优点。传统的方法是在床身浇铸完成以后再安装上其他的零部件，如今可以直接在铸件中铸入零部件，如管道、电缆、传感器、执行器和盛液体的内腔等。 （4）高精度。传统制造床身的方式是经过铣、磨加工以后再安装线性导轨。因为传统的铸件在脱模以后的精度较低，脱模后的树脂混凝土能达到较高的精度。此外，通过再次浇铸还可以达到更高的精度水平。 2. 复合石蜡材料数控机床加工的材料通常是钢材，其硬度较高，特别是在首件加工时，由于程序编制及对刀的错误，零件形状和尺寸往往不容易达到图样要

6、求，造成材料浪费。复合石蜡材料的硬度无法与钢材相比，韧性和抗冲击的能力无法与塑料对比，但其价格低廉、良好的可回收性是钢材和塑料无法比拟的，对保障数控加工产品的合格率，确保安全生产，降低生产和教学成本有着重要的意义。（1）复合石蜡材料的特点1）节约材料 复合石蜡材料利用后可以对材料进行再回收，反复使用，能源消耗低，回收过程不会对环境造成危害。作为钢材的替代品，用于零件的首件试生产和教学性训练，生产和使用成本都非常低，有着非常广泛的应用前景。2）节约刀具 钢材加工对刀具的磨损大，特别是初学者经常会发生刀具碰撞的事故，刀具损耗量很大。数控刀具的价格都非常高，发生碰撞后造成的损失也相当高。由于复合石蜡

7、材料硬度低，加工过程中对刀具的磨损几乎为零，发生刀具与零件碰撞时，材料碎裂，对刀具不会产生任何影响；同时刀具可以长期使用而不用修磨和更换，节约了大量的刀具费用。3）不使用切削液 复合石蜡材料硬度远低于钢材，加工过程不会产生热量，对刀具几乎没有磨损，所以不论是采取车削还是铣削方式，都不需要加注切削液，节约了切削液的费用。4）提高机床操作的安全性 数控加工的首件试生产和初学者的训练性加工，经常会发生刀具中国金属加工在线版权所有与零件碰撞，造成人身伤害，刀具和材料报废。采用复合石蜡作为加工材料，即使发生碰撞，只会使材料破碎，不会飞出伤人，有效保障了操作者的人身安全，同时避免发生碰撞对数控机床造成的精

8、度降低和损坏。5）应用范围复合石蜡材料可以在各类数控机床及普通机床上加工，坯件可以加工成圆柱体、长方体或特殊形状及尺寸，可以在机床上进行外轮廓面、内孔、螺纹、切槽及特殊型面等加工。（2）复合石蜡材料的性能1）可回收材料的选择可应用于机械加工中的回收材料，包括低熔点的金属材料如铜、铝等，非金属材料如塑料、尼龙和石蜡等。铜、铝的回收需要冶炼条件和设备，需要专门厂家集中冶炼，回收成本高。塑料、尼龙需要购置挤塑机，设备投入大，对设备的操作技术、维护等要求高，对环境也容易造成污染。石蜡的熔点低，回收再利用能源消耗少，对环境不会造成污染，是比较理想的材料。2）可回收材料的性能要求 应用于数控加工的可回收材

9、料，应当具有足够的硬度、韧性和抗拉强度，使用夹具装夹，变形不大，在高速旋转时不会发生断裂；对机床不产生腐蚀和磨损，不能堵塞润滑和冷却系统；零件加工完成，尺寸和表面粗糙度可以达到图样要求，不会发生形状及尺寸变化；对刀具的磨损和损耗小，当刀具与零件碰撞时，零件易折断，不会对机床精度造成危害，避免对操作者人身产生危害；回收及使用过程不产生有毒、有害气体，对环境和人体无危害，材料价格和回收成本低。3）复合石蜡材料的性能改善 石蜡熔点和强度低，容易加工但也容易破碎，无法满足夹具装夹、刀具切削的要求。通过在石蜡中加入添加物，提高其硬度、韧性和抗拉强度，改善力学性能。首先，提高材料软化和熔化温度。石蜡是无色

10、至白色结晶蜡状固体，无臭无味，相对密度0.820.90g/cm3,熔点低于45的石蜡称为软蜡。熔点在4560之间，25针入度低于20（0.1mm）的石蜡称为硬蜡。加入添加材料后石蜡的熔化温度可以达到70以上，在35以下的环境使用，材料不会发生明显的软化，可以满足机床装夹及加工要求。其次，提高材料的硬度和韧性。石蜡的硬度是采用针入度来确定的，无法与钢材等金属材料的力学性能作对比，采用金属材料的检测方式对其检测，由于硬度太低，无法检测出相关数据，因此对材料的检测我们主要采用了直观判断的方式进行检测：一是在车床上可以进行三爪自定心卡盘装夹、一夹一顶、两顶尖装夹；在铣床或加工中心上用夹具装夹，材料不会

11、发生明显变形和断裂。二是长度是直径3倍的材料在1.5m的高度掉落时，材料不发生断裂。三是刀具切削顺利，切屑不会粘附在刀具、工件和机床导轨上，零件加工表面平整，表面粗糙度值低。在石蜡中加入添加材料后，提高了石蜡的硬度，改善了石蜡黏性大、容易粘附的特点，通过调整配方，复合石蜡材料基本满足了上述三项检测要求。最后，提高材料再回收性能。石蜡坯件通常采用浇注方式，内部往往会出现空洞等缺陷，材料在反复使用过程中，会混入切屑、机油、水及灰尘等杂物，加工出来的坯件内部会出现夹层缺陷。为了解决手工制作材料坯件质量不稳定的问题，经过反复实验，研制出用于加工复合石蜡坯件的生产设备，解决坯件容易出现缺陷的难题。加工出

12、来的坯件外表面光滑，尺寸稳定，更换模具，可以生产出不同形状和尺寸要求的坯件，同时做到了规模化生产，以满足生产和教学需要。（3）复合石蜡材料在使用中的注意事项1）对每个批次复合石蜡材料均应进行性能检测，对内部有缺陷或性能降低的材料不能使用，应当加入相应的添加材料，重新处理后再使用。2）采用复合石蜡进行加工前，应当对机床进行清扫，将切屑、油污等擦拭干净，在导轨部分加注润滑油后再使用，防止材料中混入切屑等杂物，影响其使用的性能。加工过程中不用也不能使用切削液，防止材料中混入水分。完成加工后应当及时对机床进行清理，将切屑集中回收再利用，对机床加注润滑油，防止将石蜡凝结在机床导轨上。3）复合石蜡材料比钢

13、材硬度低，可以采用较大的进给量和背吃刀量，但为了验证数控程序，以及使初学者更好的掌握切削用量的选择，加工复合石蜡材料时，选择的进给量、背吃刀量、切削速度与钢材的切削用量应当一致。同一个程序在更换钢材进行加工时，应当保证同样可以加工出合格的零件。采用数控车床加工复合石蜡材料时，出于安全的考虑，切削速度可以选择钢材的2/3,主轴转速应当控制在800r/min以内。4）由于复合石蜡材料对刀具几乎没有磨损，对于初学者来说，必须要明确刀具在加工过程中是有一定磨损量，应当加强和积累刀具应用方面的实践经验，为使用钢材加工做好准备。5）用复合石蜡材料完成数控机床的首件试生产后，应当根据情况对程序、刀补修改，零

14、件合格后，才能进行正式生产。3. 新型陶瓷材料金属切削加工是工业生产中最基本、最广泛、最重水平直接关系到机械加工的效率、产品的质量和制造要的工艺，它直接影响工业生产的效率及成本消耗。金属切削刀具作为切削加工的基础装备之一，其发展的成本，对机械制造技术的发展速度起着关键性的作用。随着新刀具材料如陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼、涂层硬质合金等的相继出现，金属切削及刀具技术作为现代制造技术的基础工艺及装各也进入了以发展高速切削，开发新的切削工艺、加快刀具结构变革为特征的发展新阶段。陶瓷刀具具有非常高的耐磨性，它比硬质合金有更好的化学稳定性，可在高速条件下切削加工并待续较长的时间，比用硬质合金刀具平均提

15、高效率310 倍。它可以实现以车代磨、以铣代抛的高效“硬加工技术”以及“干切削技术”，提高零件加工表面质量。实现干式切削.对控制环境污染和降低制造成本有广阔的应用前景。可以预见，新型陶瓷刀具对切削加工朝着高速、高效、高精度方向发展将产生很大推动作用，它的推广应用将给金属切削加工工艺带来变革，改变传统的刀具材料和切削技术，节省工时、电力、机床占用台数和生产面积30%70%，节省战略性贵重金属，从而带来巨大的经济效益。（1） 新型陶瓷刀具的切削性能在切削过程中，判定刀具切削性能的优劣，往往从刀具切削部分的材料、儿何形状和刀具结构方面进行分析，而刀具材料的分析则以传统的硬质合金为主要的研究对象。随着

16、现代工业技术的不断发展，传统的硬质合金刀具很难胜任或根本无法实现对某些高强度、高硬度材料的加工，而陶瓷刀具由于具有很好的耐磨性、红硬性，适干加工高硬材料。即使在12001350的高温下仍能继续切削，且与金属亲和力小，切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤，加工表面粗糙度值小。它还可以进行高速切削，减少换刀次数和由于刀具磨损而引起的尺寸误差，大大提高生产率和产品质量，因而受到人们的重视。 根据国外有关资料报道，陶瓷刀具在工业发达国家的发展应用非常快，有的已达到刀具总构成比的10%以上。美国用热压陶瓷刀具加工冷硬铸铁(HRC66)和高温合金时，采用的切削用量很高( v=610m/min，ap=6mm，s=0

17、.5mm/r) 大大地提高了生产率。我国虽然在陶瓷刀具的研究水平上不比外国差，但实际应用发展较慢，据1994年以前的有关材料报道，当时，国内陶瓷刀具占总刀具的比例不超过1%，与国外大量应用于汽车工业及数控机床的情况正好相反，还主要用于加工水泵、轧辊等硬质合金刀具难以切削工件的粗加工，在精密加工中应用比较少。早在20世纪70年代的中后期，清华大学就成功研制厂氮化硅(Si3N4)陶瓷刀具，并在国际上最先实现了 用热压(Si3N4)陶瓷刀具，对多种难加工材料(淬硬钢、冷硬铸铁、热介石墨，玻璃钢等)进行多种工序(车、铣、螺纹车削、丝杆挑扣等)的加工应用，引起了国内外学术界的关注和兴趣，美国科学杂志和其

18、他国家的一些著名杂志都曾报道和肯定这一成果，如今，“清华方大”研制的复合氮化陶瓷刀具具有很高的硬度和强度，以及优良的耐磨性、红硬性和抗氧化性。其陶瓷刀片的室温硬度值达到HRA92.594 抗弯强度已达到7501000MPa ，即使在12001450 的切削温度下仍然可以进行切削。切削速度比硬质合金提高310 倍，切削耐用度提高1O100倍，切削效率提高310倍，可加工硬度高达HRC65的超硬材料，价格也比国外的便宜。清华方大的陶瓷刀片1991年曾获北京国际博览会金杯奖，其部分陶瓷刀片的牌号及性能列于上表。（2） 新型陶瓷刀具切削工件的优点陶瓷刀具有许多优点，虽然所适应的加工材料及切削速度范围要

19、比一般硬质合金刀具大得多，但是，随着被切削零件情况的变化，其切削性能也会出现较大的变化，因此，必须针对所切削零件的材料特性及结构情况来优选最佳的陶瓷刀片型号。目前，FD01陶瓷刀片已成为许多工厂粗加工各类高硬合金铸铁、冷硬铸铁的主要刀具，但是FD01陶瓷刀片在切削高硬合金钢材料时，由于出现长切屑导致前刀面月牙洼磨损，使其崩刃。同时因为FD01不导电，不能用电火花线切割刀片的形状，限制了使用范围。在增加了碳化物及其它成分以后出现的FD03复合Si3N4陶瓷刀片，强度虽稍有降低，但耐磨性增加，因而适用于高速切削。为了适应精加工淬硬钢件而研制的Al2O3-TiCN 金属陶瓷刀片FD22，已达到了新的

20、水平。用FD22金属陶瓷刀片切削40Cr淬硬钢时.耐用度大大优于其它陶瓷刀片。切削时间较长，磨锁较少。例如：使用FD22金属陶瓷刀具精车淬硬至HRC5863的86CrMoV7钢轧辊时，在v=60m/min、f=0.2mm/r和ap=0.8mm时，切削路程Lm15420m，加工表面粗糙度Ra1.6m下，完全满足以精车代粗磨的要求。因此，采用新型陶瓷刀具，能提高加工效率，大幅度节约加工工时及电力，可获得较大的经济效益，可节约大量贵重金属W、Co及Ti等。而且传统的硬质合金刀具的生产要消耗大量的地球上稀缺的战略金属W、Co、Ti等，而陶瓷刀具是以地壳中最丰富的元素硅(Si)等为原料，因此，陶瓷刀具具

21、有广阔的应用前景。（3） 新型陶瓷刀具的应用分析由于陶瓷刀具具有耐用性、高硬度、化学稳定性好的性能，因此，适用于干切削加工铸铁和悴火钢，以及适于现代高速切削工艺的要求。制造业是产生环境污染的主要根源，而利用现有刀具材料的优势探索干切削新工艺，是未来金属切削发展的趋势之一。近年来，特别是工业发达国家，非常重视干式切削，为了贯彻环保政第，更是大力研究、开发和实施这种新型加工方法。长期以来，应用切削液一直是提高刀具寿命和加工质量的重要工艺因素，但也导致了生态环境的恶化，而且也增加了制造成本。根据美国企业的统计，在冷却加工系统中，切削液占总成本的14%16%，刀具成本占2 %4%。因此，美国、德国、日

22、本等经济发达国家都非常重视干式加工的研究。据测，一般情况下，如减少切削液的使用可以节省10%15%的加工成本。欧洲的工业界在大批量生产中，约有1015%的切削加工已经采用了干式切削。因此，未来切削加工的发展方向是尽量少用切削液。干式切削刀具设计时，应该考虑刀具的几何角度、刀具材料、刀片涂层等，而陶瓷和金属陶瓷刀具具有耐热性、高温硬度、化学稳性好的特点，因此，适合于干式切削铸铁和淬硬钢。随着金属切削技术的发展，零件的毛坯制造精度的提高，实现零件的少无切削加工已是现代制造技术的一种发展趋势。采用陶瓷刀具可以实现以车代磨，减少工序，缩短工艺路线，提高生产率，特别是对一些滚动轴承内外环的加工效果更好。

23、陶瓷刀具在使用和刃磨时，应根据工件材料与加工方式的不同，通过实验，正确选择陶瓷刀具牌号及刀具的几何参数。一般选择较大的刀尖圆弧半径(r=1.22.0mm) ，较大的倒棱角度(2535);刀刃一般采用人造金刚石砂轮，在普通工具磨床上刃磨，砂轮粒度可选18 0240#，刀具刃口不能出现锯齿口，刃磨粗糙度不低于Ra=1.6m，用金刚石油石研磨膏修研，在高速大进给切削或冲击力大的粗加工时，机床要有足够的功率和刚性，刀具应修磨出负倒棱。陶瓷刀具切入被加工材料前要缓慢进给，防止初始崩刀。4. 其他新材料（1）新型功能材料新型功能材料是现代高新技术的先导和基础。新型功能材料主要包括稀土功能材料、高性能膜材料

24、、特种玻璃、功能陶瓷、半导体照明材料等。其中， 稀土功能材料主要包括稀土永磁体、稀土储氢材料、稀土超导材料、稀土激光材料、稀土发光材料等几大类， 在风电、汽车、液晶显示等诸多信息和能源高科技领域有着广泛的应用， 已成为发展新一代信息技术、节能环保、新能源、高端制造等战略性新兴产业的关键材料。（2）先进结构材料主要包括高品质特殊钢、新型合金材料、工程塑料等。高品质特殊钢包括耐高温、耐高压、耐腐蚀电站用钢、大型变压器用高磁感取向硅钢、抗腐蚀抗变形管线钢、节镍型高性能不锈钢、高标准轴承钢、齿轮钢、模具、高强度紧固件用特种钢、高强汽车板、机床滚珠丝杠和直线导轨专用钢材， 量具、刀具用特种钢和刀具用高速

25、钢、硬质合金和超硬刀具材料等新型合金材料以轻质、高强、大规格、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳的高性能铝合金、镁合金和钛合金为代表， 主要应用于航空航天、高速铁路、汽车零部件、轨道列车等领域。以聚酰亚胺（PI）为代表的工程塑料， 以其优异的电绝缘性、耐磨性、耐高温、抗辐射和物理机械性能， 在机械、电子电气、仪表、石油化工、计量等领域应用迅速增长， 并已成为全球火箭、宇航等尖端制造领域不可缺少的材料之一， 具有广阔的发展前景。（3）高性能纤维及其复合材料 高性能纤维复合材料是指用高性能纤维与高性能基体按性能设计要求， 用专门的工艺复合而成的一类新型工程材料， 主要包括高性能碳纤维复合材料、高性能芳纶纤维复

26、合材料、超高强聚乙烯纤维复合材料等。高性能纤维复合材料是发展国防军工、航空航天、新能源及高科技产业的重要基础原材料。从全球看， 以碳纤维复合材料为代表的先进复合材料在航空航天、汽车、轨道交通、电缆、风电领域等尖端领域得到了广泛的工程应用， 并已经成为国家战略性的结构材料。（4）共性基础材料纳米技术是一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术， 许多发达国家都投入了大量资金进行研究。纳米材料广泛应用于机械工业、环境保护、纺织、医药、家电、电子计算机和电子工业；超导材料在超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用； 目前高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用等方面取得了重要进展； 智

27、能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料， 将支撑未来高技术的发展， 使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失， 实现结构功能化、功能多样化。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破， 如英国宇航公司在导线传感器， 用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况； 在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果。二、新结构在数控机床上的应用（一） 概述 随着科技的发展，新结构在数控机床上的应用越来越多，机床的设计结构简单，工作可靠、实用，操作方便。提高了产品的表面加工质量，具有减小劳动强度，提高生产效率，同

28、时提高加工精度。（二） 新结构在数控机床上的应用1. 液压尾座1) 结构设计 数控车床顶针液压尾座及控制装置结构图如图所示，数控车床顶针液压尾座及控制装置包括：主轴箱(图中的1)、端面拨动顶针(图中的2)、工件(图中的3)、脚踏开关(图中的4)、床身(图中的5)、顶针及顶针筒体(图中的6)、顶针液压尾座座体(图中的7)、尾座锁紧螺母(图中的8)、尾座锁紧杆(图中的9)、液压油缸(图中的10)和液压泵及调压阀(图中的11)。具体特征为：床身上安装有导轨，导轨上装有可左、右移动的顶针液压尾座装置，液压泵及调压阀可安装于床身内或外的任何部位，液压油缸安装在顶针液压尾座座体后部，并与液压泵及调压阀相通

29、。顶针液压尾座座体安装在床身导轨上，顶针及顶针筒体安装在顶针液压尾座座体内，在液压油缸的作用下可在顶针液压尾座座体内移动，其移动距离大小由液压油缸的推杆行程决定。且此顶针液压尾座控制装置的液压油缸推杆行程选30mm40mm较合适，其顶紧力的大小根据工件大小由调压阀调整。脚踏开关安装在床身下部的地面上，通过电器控制液压泵及调压阀，方便操作。尾座锁紧螺母安装在顶针液压尾座座体内部，其作用是调节顶针液压尾座座体与床身导轨配合的松紧程度。尾座锁紧杆安装在顶针液压尾座座体后部，其作用是把液压尾座座体固定在床身导轨面上。2) 具体实施方式下面结合实例来具体说明数控车床顶针液压尾座及控制装置的使用。如数控车

30、床顶针液压尾座及控制装置结构图所示，数控车床顶针液压尾座及控制装置的具体使用过程如下。如图所示的工件(图中的3)两端台阶同轴度和表面粗糙度要求较高，只有两头顶车才能达到要求：首先松开尾座锁紧杆(图中的9)，调节尾座锁紧螺母(图中的8)，使顶针液压尾座座体(图中的7)与床身(图中的5)导轨面配合松紧均匀。 然后，根据工件长短调整顶针液压尾座座体在床身导轨面上的位置，拉紧尾座锁紧杆，使顶针液压尾座座体固定在床身的导轨面上。 接下来，根据工件大小及重量调整液压泵及调压阀(图中的11)的压力，使顶针及顶针筒体(图中的6)顶紧力的大小适中：顶得太紧易烧坏工件和顶针，顶得不紧，工件窜动，车削精度达不到要求

31、。 操作者可以再次用脚踏下脚踏开关(图中的4)，则顶针及顶针筒体后退，用手把工件的顶针孔装在端面拨动顶针上，把工件放平，脚移开脚踏开关，则顶针及顶针筒体前进，当顶紧力达到调压阀压力时，尾座停止前进并保持持续顶紧工件。工件端面通过端面拨动顶针的拨动与顶针一起转动，承受轴向和径向切削力，同时开始加工。 工件加工好之后，用手托住工件，用脚踏下脚踏开关，顶针及顶针筒体后退，把工件移开。如工件较重，也可用其他吊装工具安装工件。3) 效果按上述结构设计数控车床顶针液压尾座及控制装置，设计结构简单，工作可靠、实用，操作方便。而且避免了对产品的外观划伤，提高了产品的表面加工质量，具有减小劳动强度，提高生产效率

32、，同时提高加工精度。2. 新型五坐标并联机构 提出一种新型的五自由度并联机床，由于结构上的特殊设计，它比传统的并联机床具有更高的精度和刚度，更大的工作空间。主要介绍所提出的并联机床的机构学和运动学.1) 前言大多数机器人都是由旋转关节和移动关节的连续铰链串联构成的开链机构。它们具有大的工作空间及较好的操作特性，因此被广泛应用于喷涂、焊接、装配和危险环境等工作领域。不过，由于它们是串联机构，故而刚度低，精度低，并且在高速情况下动力学特性较差。因此，它们不能用于加工业中，比如铣削和磨削。并联机构和传统的串联机构相比，由于不是悬臂结构，因而刚度高，精度高，出力大，负载能力强。在1994年美国芝加哥国

33、际制造技术展览会(IMTS 94)上，美国两家公司Ingersoll和Gidings & Lewis在世界上第一次展出六条腿机床，引起了全世界的瞩目。虽然开发研制的并联机床很多，但很少在实际中应用，主要原因是精度、操作性和工作空间方面的限制。本文针对这一问题，提出一种新型五坐标并联机床，由于特殊的设计，它具有较高的刚度，较大的工作空间，较好的操作特性。 1.床身 2.立柱 3.刀具 4.工作台 5.基座 6.动平台 7.六边形 图1 机床的结构示意图2) 新型机床的机构介绍 图2 假想的串联机构在机床设计过程中，零部件的安排对于机床的结构、工作空间和操作性是非常重要的。本文提出的机床如图1所示

34、。它基本上由工作台，六边形，两个立柱和四个连杆组成。主轴电机安放在动平台上，它的不同点在于Y方向的驱动是由安放工件的工作台来驱动，由于四个进给运动是由安放在两立柱的四根丝杠带动滑块驱动连杆实现的，其结构特性保证了受力特性好，再加之六边形的约束，保证了刚度高，工作空间大。四个连杆加上工作台平移，保证该机床具有五个自由度。3) 运动学分析在过去，对于并联机床的运动学进行了广泛的研究，其方法主要有增加传感器方法和数值解法，其目的是求非线方程的根。一些文献提出了一种相对简单的方法，其主要思想是在动静平台之间引入一虚拟的等效的串联机构，假想的串联机构在运动学上和并联机构相等效并用来建立迭代算法，这是基于

35、假想的串联坐标Q，如图2所示。为了清楚地描述算法，我们定义了两种坐标。一个是输入坐标H=H1H2H4T是滑块位移，另一个是广义坐标Q=Q1Q2Q4T，是假想的串联机构，如图3所示。 图3 五坐标并联机床的模型3. 槽轮机构 通过对槽轮机构的工作原理和结构特点的分析，提出了减小外啮合槽轮机构冲击噪音的措施，并将该机构运用到加工中心鼓轮式刀库上，取得了很好的实际效果。1) 概述加工中心是指带有自动换刀装置的数控机床。自动换刀装置通常由刀库和换刀机械手两部分组成，也有将两部分集成在一起组成无机械手自动换刀装置。自动换刀装置的刀库用来贮存加工中心机床在加工过程中所需要的各种刀具。在自动换刀过程中，要求

36、刀库能够按照数控装置发出的选刀指令选出所需要的刀具，并准确地停在换刀位置上，以便于自动更换刀具。加工中心机床的刀库型式种类繁多，常见的有鼓轮式、链式、格子箱式等，其中鼓轮式刀库由于其结构简单，控制方便，在加工中心机床上获得了广泛的应用。鼓轮式刀库的回转驱动方式通常有两种，一种是由伺服电机通过减速装置进行驱动;另一种是采用普通电机经减速后通过外啮合槽轮机构进行驱动。前者结构简单，回转速度快，定位准确，但由于选用了伺服电机，电气控制复杂，制造成本高。后者采用机械方式分度定位，可靠性高，虽然定位精度较前者低，但完全能够满足加工中心机床的要求。由于选用了普通电机，电气控制简单，制造成本比前者低。在目前

37、生产的鼓轮式刀库的加工中心机床上很多采用槽轮机构来驱动刀库的分度回转运动。2) 槽轮机构的工作原理和结构特点槽轮机构(又称马尔他机构)能把主动轴的匀速连续运动转换为从动轴的周期性间歇运动，常用于各种分度转位机构中。槽轮机构有三种基本类型：外啮合槽轮机构、内啮合槽轮机构和球面槽轮机构。加工中心鼓轮式刀库采用外啮合槽轮机构。外啮合槽轮机构工作原理如图1所示，它由转臂(主动曲柄)1、槽轮2、滚子3和锁止盘4组成。图1 外啮合槽轮机构原理图外啮合槽轮机构的转臂回转轴线与槽轮回转轴线平行。通常转臂作等速回转，当转臂上的滚子进入槽中，就拔动槽轮作反向转位运动，当滚子从槽中脱出，槽轮即静止不动，并由锁止盘定

38、位。当只有一个滚子时，转臂转一周，槽轮作一次转停的步进运动。外啮合槽轮机构的结构特点如下：1) 滚子进入和脱出槽口的瞬时位置，转臂中心线与槽的中心线相垂直，使槽轮转位起、停瞬时的角速度0=0,避免了刚性冲击。2) 槽轮齿数z为318。3) 槽轮转位起、停时的角加速度0与槽数z有关，z越少，0越大，即有不同程度的柔性冲击。4) 锁止盘的定位精度低。充分度精度要求高时，必须附加定位装置。5) 结构简单，制造容易，工作可靠，机械效率高。3) 减小槽轮机构运动冲击的措施由于槽轮的角加速度变化较大，且在转位过程的前半阶段与后半阶段的角加速度方向不同，因此当槽与滚子之间存在间隙时，会产生冲击。为了减小冲击

39、应采取以下措施：1) 减小或消除滚子和槽之间的间隙。2) 消除销开始进入槽时的间隙，应使槽轮的实际外圆半径Ra略大于槽轮名义外圆半径R，取Ra=(R2+rA2)式中rA为滚子半径，见图2，以消除滚子开始进入槽时滚子与槽两侧顶端的间隙。图2 滚子开始进入槽时的示意图3) 使槽轮具有适当的转动惯量J2,使|J22|Mz,Mz为槽轮的负载转矩。4) 增加槽轮组件的回转阻尼。4) 应用实例图3为TH5640型立式加工中心鼓轮式刀库的结构简图。主要元件有：(1)刀库电机;(2)减速器;(3)支架;(4)曲柄;(5)刀柄;(6)槽轮;(7)鼓轮;(8)锁止盘;(9)滚子;(10)刀位检测开关;(11)滑动

40、轴承;(12)回转轴等。 图3 刀库结构简图该刀库可容纳18把刀具，即槽轮的齿数为18。刀库的回转选刀由刀库电机通过减速器带动曲柄回转，曲柄每回转一周，槽轮转过20,刀库鼓轮转过一个刀位，并由锁止盘定位。刀库上的刀位信号由两只开关联合发出，在刀库的一号刀位上安装一只挡铁，在支架上安装一只检测开关(图3中均未表示出来)，机床开机后，刀库自动回转寻找一号刀位(基准刀位)，当一号刀位上的挡铁触发支架上的检测开关后刀库停止回转，刀库的当前刀位为一号刀位，刀库处于初始状态。其余刀位信号由安装在曲柄上的挡铁触发刀位检测开关10进行累计计数，曲柄每回转一周即刀库转过一个刀位触发一次。通过控制刀库电机的旋转方向，实现刀库的双向选刀。为了减小刀库的选刀转位过程中的冲击噪音，在设计上采取了如下一些措施。 使槽轮的实际外圆半径略大于名义外圆半径。槽轮名义外圆半径R=150cos10=147.72,实际外圆半径 通过调整两只平面轴承的压紧力，适当增加槽轮组件的回转负载，同时选用铝合金材料制造刀库鼓轮，回转轴采用空心结构，减小槽轮组件的转动惯量。 回转轴的径向支承轴承为滑动轴承，并选用聚四氟乙烯作为轴承材料，使轴承的间隙为零，增加槽轮组件的回转阻尼。通过采取以上措施，在利用槽轮机构的优点的同时克服了其结构本身固有的缺点，取得了很好的实际效果。