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新材料在数控机床上的应用

新材料与新结构在数控机床上的应用

姓名：102宿舍

班级：11级卓越班

完成时间：2014.3.30

一、新材料在数控机床上的应用 (2)

（一）概述 (3)

（二）新材料在数控机床上的应用 (3)

1. 树脂混凝土 (3)

2. 复合石蜡材料 (4)

3. 新型陶瓷材料 (6)

4. 其他新材料 (7)

二、新结构在数控机床上的应用 (8)

（一）概述 (8)

（二）新结构在数控机床上的应用 (8)

1.液压尾座 (8)

2.新型五坐标并联机构 (11)

3.槽轮机构 (12)

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，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。

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，

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。石蜡是无色至白色结晶蜡状固体，无臭无味，相对密度0.82~0.90g/cm3,熔点低于45℃的石蜡称为软蜡。熔点在45~60℃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. 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高效率3～10 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。

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、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；③智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。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30mm～40mm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。

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，同时提高加工精度。

2.新型五坐标并联机构

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

并联机床的结构示意图

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ω0=0,避免了刚性冲击。

2) 槽轮齿数z为3～18。

3) 槽轮转位起、停时的角加速度ε0与槽数z有关，z越少，ε0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。