摘 要
组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。它具有设计、制造周期短，成本低，自动化程度高，劳动强度低，生产效率高等特点。因为工序集中，可多刀、多工位、多轴同时加工，组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。
本次设计的内容是针对硬盘壳体的顶面的铣削与钻孔与两侧钻孔的组合机床。包括对硬盘壳体的工艺分析，工序的设计，机床的总体方案的设计，通用部件（十字滑台、电主轴、电机）的选取与设计，主轴的设计等内容。针对主轴的设计，做了校核，最后设计出针对硬盘壳体加工的小型化钻铣组合机床。此外还做了一个CATIA的DMU仿真，更客观的表现出钻铣机床的运动过程。
关键词：组合机床 钻铣机床 通用部件 小型机床
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ABSTRACT
Combination machine is the semi-automatic or automatic machine based on common components, supported by the workpieces specific shape and design of dedicated processing technology and fixture parts. It’s characteristics designed cycle short, manufacturing cycle short, low cost, a high degree of automation, labor, low-intensity, high production efficiency. Because of the process focused, more knives, multi-position, multi-axis at the same time processing, machine tool have advantages of both low-cost and high efficiency .It is used in the production of the large number widely and for the composition of automated production lines.
The content is designed for the shell of hard-disk, milling and drilling the top surface of the disk and drilling on both sides of the combination of machine tools. Including the hard shell of the process analysis, process design, machine tool's overall program design, general components (cross slipway, spindle, motor) the selection and design, the design of the spindle and so on. For the spindle design, a check is made. And the drilling and milling machine tools is designed to producing the shell of the hard-disk. At last a DMU(CATIA) simulation is be made, and it is more objective to show the movement of drilling and milling.
Keywords: combination machine; drilling and milling machine; common
components; micro-machine tools
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目 录
摘 要.............................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................................. II 第1章 绪 论 ............................................................................................................... 1 1.1引言 ...................................................................................................................... 1 1.2国内外发展现状 .................................................................................................. 2 1.3组合机床的发展趋向 .......................................................................................... 4 1.4 课题的研究意义与方法 ..................................................................................... 5 第2章 硬盘壳体的加工工艺 ..................................................................................... 6 2.1加工工艺分析 ...................................................................................................... 6 2.2夹具设计 .............................................................................................................. 7 2.3本章小结 .............................................................................................................. 9 第3章 机床的总体设计 ........................................................................................... 10 3.1 机床系类型谱的制订 ....................................................................................... 10 3.2机床的方案设计 ................................................................................................ 10 3.2.1机床的工艺分析 .......................................................................................... 11 3.2.2运动功能的配置： ...................................................................................... 11 3.3 机床的总体结构方案设计： ........................................................................... 12 3.3.1组合机床的分类与基本配置型式 .............................................................. 12 3.3.2组合机床设计方法： .................................................................................. 13 3.3.3组合机床的工艺范围与加工精度 .............................................................. 14 3.3.4机床的组成 .................................................................................................. 15 3.4本章小结 ............................................................................................................ 18 第4章 结构设计与计算 ........................................................................................... 19 4.1主轴部件设计 .................................................................................................... 19 4.1.1电主轴简介： .............................................................................................. 19 4.1.2电主轴的特点 .............................................................................................. 19 4.2 轴的结构设计 ................................................................................................... 20 4.3轴承的选型 ........................................................................................................ 23 4.3.1轴承的配置 .................................................................................................. 23 4.3.2轴承的选型 .................................................................................................. 23 4.4本章小结 ............................................................................................................ 24 第5章 系统虚拟样机设计与仿真 ........................................................................... 25 5.1虚拟样机技术概述 ............................................................................................ 25 5.2基于DMU模块的模型建立与运动仿真 ......................................................... 27 5.3 本章小结 ........................................................................................................... 32 总 结............................................................................................................................ 33 参考文献 ..................................................................................................................... 34
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致 谢............................................................................................................................ 35
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第1章 绪 论
1.1引言
在当今社会中，电脑成为了人们日常生活中必不可缺的一个工具。而在各种电脑中，作为存储设备的硬盘就愈发显得重要。电脑作为其载体，在当今世界上担当了很重要的角色，各行各业都已经开始了信息化，小到我们日常的电脑运用，大到各种尖端科技领域，都已经离不开电脑了，也离不开硬盘，没有了硬盘，电脑实现数据的存储。
最初的硬盘有IBM生产，体积庞大。经过几十年的发展，硬盘壳体的形状也发生了很大的变化。现如今的硬盘壳体有如下的类型：
图1-1硬盘的类型
本次设计的钻铣机床，主要就是针对硬盘壳体的加工而言。硬盘壳体毛坯加工是由锻造而成。在壳体上的一些小平面和小孔，则由钻铣组合机床完成。
组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。它一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。下图所示为一些组合机床的图例
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图1-2 组合机床
图1-3 多工位组合机床
最早的组合机床于1911年在美国制成，用于加工汽车零件。1953年，美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商，确定了组合机床通用部件标准化的原则。初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了提高不同制造厂的通用部件的互换性，便于用户使用和维修。1973年，国际标准化组织（ISO）公布了第一批组合机床通用部件标准。1975年，中国第一机械工业部颁布了中国的第一批组合机床通用部件标准。
二十世纪70年代以来，随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的发展，组合机床的加工精度也有所提高。铣削平面的平面度可达0.05毫米／1000毫米，表面粗糙度可低达2.5～0.63微米；镗孔精度可达IT7～6级，孔距精度可达0.03～0.02微米。
专用机床是随着汽车工业的兴起而发展起来的。在专用机床中某些部件因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。
1.2国内外发展现状
组合机床与其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛
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应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。组合机床一般用于加工箱体类与其他特殊形状类的零件。加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹、成形面以与加工外圆和端面等。有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工。
组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台式组合机床等；随着技术的不断进步，一种新型的组合机床——柔性组合机床越来越受到人们的青睐，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器（PLC）、数字控制（NC）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机（清洗机、装配机、综合测量机、试验机、输送线）等在组合机床行业中所占份额也越来越大。
由于组合机床与其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉与到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。我国组合机床与组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后，国内所需的一些高水平组合机床与自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺，研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，满足用户需求，真正成为刚柔兼备的自动化装备。
从2002年年底第21届日本国际机床博览会上获悉，在来自世界10多个国家和地区的500多家机床制造商和团体展示的最先进机床设备中，超高速和超高精度加工技术装备与复合、多功能、多轴化控制设备等深受欢迎。据专家分析，机床装备的高速和超高速加工技术的关键是提高机床的主轴转速和进给速度。该届博览会上展出的加工中心，主轴转速10000～20000r/min，最高进给速度可达20～60m/min；复合、多功能、多轴化控制装备的前景亦被看好。在零部件一体化程度不断提高、数量减少的同时，加工的形状却日益复杂。多轴化控制的机床装备适合加工形状复杂的工件。另外，产品周期的缩短也要求加工机床能够随时调整和适应新的变化，满足各种各样产品的加工需求。 然而更关键的是现代通信技术在机床装备中的应用，信息通信技术的引进使得现代机床的自动化程度进一步提高，操作者可以通过网络或手机对机床的程序进行远
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程修改，对运转状况进行监控并积累有关数据；通过网络对远程的设备进行维修和检查、提供售后服务等。
在组合机床中，钻铣组合机床并不多见。由于钻、铣机床的结构类似，因此现如今，市场上多出现的是钻铣机，即是由一个主轴，刀具的更换实现钻铣功能。如下图所示 ：
图1-4 钻铣机
1.3组合机床的发展趋向
就现在世界机床行业的发展来看，美国、德国、日本是机械制造强国，世界上绝大部分高端的机床均来自这几个国家，像美国的HASS，德国的DMG、TRUMPF，日本的MAZAK、TOYOTA等。
就研究课题，小型钻铣机床来说，现如今，国内外也已经有了初步的发展，一般有以下特点：
机身小巧而功能强大，有足够的刚度，加工噪音小，速度快，占地面积小，但具有钻、铣等功能，既可以大批大量，也可以小批量生产。
系统简洁，内置功能实用。采用数控系统，操作简单，自动化加工。 系统的兼容性强，可自动识别多种编程语言。系统可自动识别G指令、HPGL等常用的编程语言，而且编程简单扼要。
程序文件输入方便，方式多样。有多种联机方式，可采用U口连接，也可以有电脑中直接读加工文件。
组合机床未来的发展将更多的采用调速电动机和滚珠丝杠等传动，以简化结构、缩短生产节拍；采用数字控制系统和主轴箱、卡具自动更换系统，以提高工艺可调性；以与纳入柔性制造系统等。具体概括以下几点：
1、发展适应中、小批量生产的组合机床；
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2、采用新型刀具； 3、发展自动检测技术； 4、提高通用部件的水平； 5、扩大工艺范围。
1.4 课题的研究意义与方法
本课题主要研究的就是钻铣功能的组合，实现了这一目的也就为钻铣组合机床填补了这一空白。
在传统的硬盘壳体加工中，需要将钻、铣工序分开加工，增加中间运输时间，工件安装时间，导致生产效率低；但是，由钻铣组合机床加工的硬盘壳体，能够有效的降低加工时间，实现硬盘壳体的快速加工，提高生产效率，增加市场竞争力。
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第2章 硬盘壳体的加工工艺
2.1加工工艺分析
要进行工艺分析必须首先明确零件的图样。对零件的图样进行分析。本课题中，硬盘壳体的三维模型如下图所示：
图2-1 硬盘壳体的三维模型
工艺规程是用以指导生产的纲领性文件，是在总结工人和工程技术人员实践经验的基础上，依据科学理论和必要的工艺试验制定的。对一个零件的加工，工艺规程的设置是非常重要的，其中包括工艺路线的拟定。工艺路线的拟定一般要经过做以下几个方面的工作：
选择定位基准。其中包括精基准的选择，粗基准的选择；精基准的选择需要遵循以下原则：基准重合原则、统一基准原则、互为基准原则、自为基准原则，这四个选择精基准的原则，有时可能不能同时满足，应根据实际条件决定取舍。粗基准选用同样要循序一些原则，原则如下：保证零件加工表面相对于不加工表面具有一定的位置度精度；合理分配加工余量；便于装夹；在同一尺寸方向上粗基准一般不得重复使用。
零件表面加工方法的选择。机械零件的结构形状虽然多种多样，但都是由一些最基本的几何表面（外圆、孔、平面等）组成的，机器零件的加工过程实际就是获得这些几何表面的加工质量的过程。
针对硬盘壳体的加工，加工路线的拟定有很多方法。综合一些方法，
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并加以分析，硬盘壳体的加工主要的工艺就是平面的铣削、钻孔这两大类。传统的加工工艺是先加工基准，加工下底面作为工艺基准。之后在铣床上加工上表面，然后将硬盘壳体放到钻床上进行孔的加工。粗精加工分开进行。而在本课题所研究的钻铣组合机床中，基准的选择上与传统加工相同，之后铣平面工序与钻孔工序在一次装夹过程中完成，大大的提高了加工效率。硬盘壳体的加工工序图如下所示：
图2-1 硬盘壳体加工工序
在图2-2中，以底面为基准，加工上表面与侧面的孔，硬盘的定位采用一孔、一面、一销定位。“一孔”指的是，在硬盘壳体的中间圆孔用短销定位，可以实现两个自由度的限制；“一面”指的是硬盘的底面靠紧夹具体得一个面，可实现限制3个自由度，再叫上“一销”，即实现约束一个自由度。从而实现了“六点定位”，没有过约束的情况。所谓的“六点定位原理”即指选用与加工件相适应的六个支承点来限制工件在空间的六个自由度。
2.2夹具设计
针对一个零件而设计夹具，称为专用夹具。在本课题中，硬盘的夹具设计就是专用夹具。专用夹具的设计步骤为：
(1).设计前的准备工作：明确工件的年生产纲领；熟悉工件的零件图和工序图；了解工艺规程中本工序的加工内容，机床、刀具、切削用量、
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工步的安排、工时定额与同时加工零件数。
(2).总体方案的确定：定位方案；夹紧方案；夹具的总体形式。 (3).绘制夹具的装配图：总装配图应按国家标准尽可能1:1绘制，这样图样具有良好的直观性。主视图应按操作实际位置布置，三视图要能完整清楚地表示出夹具的工作原理和结构。
(4).绘制夹具零件图：对装配图中的非标准零件均应绘制零件图，视图尽可能与装配图上的位置一致，尺寸、形状、位置、配合、加工表面的粗糙度等要标注完整。
硬盘的加工工艺，属于壳体加工工艺的范畴，传统的硬盘壳体，都是将锻造后的毛坯单独在铣床上加工平面，然后在钻床上加工孔，本课题则为了实现硬盘壳体加工的产业化，针对硬盘壳体的铣平面和钻孔，而专门设计机床。
在设计的机床上加工的工艺有，顶面的铣削与钻孔，以与侧面的钻孔。工艺分析：
硬盘的材料为铝制，组合机床都为专用机床，硬盘壳体的加工属于大批大量生产。课题所设计的机床，主要实现的功能就是钻削，铣削。钻铣有一个共同点，就是在加工过程中，主运动都是刀具的回转运动，由此在设计过程中，可以互相印证，采用最佳结构，也达到简化机床，降低机床成本的目的。
硬盘壳体在加工过程中，还存在夹紧定位的问题，通过分析零件，零件适宜采用一孔、一面、一销定位，在夹紧过程中，为了实现快速装夹，设计了专用夹具。以气缸为动力源，夹紧。如下图所示：
图2-3 夹具的三维
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在图2-3中，硬盘壳体装夹在箱体的上表面，通过短圆柱、上表面、圆柱销实现六点定位。硬盘壳体的夹紧过程如下：首先六点定位之后，通过控制气缸中的进出气流，造成活塞两端的压强不均，使活塞杆向下滑动，活塞杆与连杆属于刚性连接，活塞杆的运动，带动两根圆柱的向下运动，即压板也向下运动，压紧硬盘壳体，从而实现了硬盘壳体的夹紧；硬盘壳体的放松则是一个相反的运动过程。
2.3本章小结
在本章中，主要提到了硬盘壳体的工艺分析，工序设计，通过对比用本次设计的钻铣机床加工的硬盘与传统的硬盘壳体加工工序的不同，具有的优点。同时还设计硬盘的专用夹具，实现了硬盘壳体的快速装夹，提高生产效率。
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第3章 机床的总体设计
机床的总体设计是机床设计中的关键环节，它对机床所能达到的技术性能与经济性能起着决定性的作用。它主要包括有：机床系类型谱的制订；机床的方案设计；机床主要参数的设计。
3.1 机床系类型谱的制订
为满足国民经济不同部门对机床的要求，机床分成若干种类型，如通常所说的车、铣、刨、磨、钻、镗等11大类通用机床。每一类型又分为大小不同的几种规格。参考《现代实用机床设计手册》，本课题所研究的为组合机床，组合机床与其自动线的型号是产品的代号，有汉语拼音字母与阿拉伯数字组成，型号中有固定含义的汉语拼音字母按其相对应的汉字自已读音。没有固定含义的汉语拼音字母（如重大改进序号），则按汉语拼音字母读音。组合机床与其自动线型号的表示方法如下：
重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重 图3-1 组合机床与其自动化型号
组合机床型号的制订如上示，可根据上图制订机床型号。
3.2机床的方案设计
机床的方案设计是机床总体设计中的重要部分，主要包括以下内容： (1).机床工艺方案的设计，即要决定机床的加工工艺方法、工件在机床上的加工工艺过程，确定合理的切削用量，研究工件在机床上的装夹方法等；
(2).机床的运动和传动方案设计，研究机床表面成形运动的分配方案，
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决定机床的总体布局结构与各部件结构之间的联系方式，在此基础上决定机床的传动形式；
(3).决定机床结构的承载结构形式，设计机床的总体布局； (4).设计机床的操作与控制方案等。
由此可见机床的方案设计在机床设计中具有十分重要的地位。 3.2.1机床的工艺分析
所谓的工艺分析就是要研究机床加工对象的加工方法，确定切削用量，进一步进行机床的方案设计和运动参数和动力参数的确定。本课题的小型钻铣机床是针对硬盘壳体的加工所设计的组合机床，工艺分析如下：
钻削工序：在钻削工艺中，针对硬盘壳体，选用铣削的切削用量。根据查《现代实用机床设计手册》表1-3-8，钻削速度20-50m/min, 每转的进给量为0.03-0.20mm/r。
铣削工序：铣削的粗铣，选用的切削用量为，背吃刀量铣削速度
apc取值范围为
=2-5mm，
c=300-700m/min，进给速度f=0.10-0.40mm/齿。 精铣的切削
a用量为：背吃刀量p=0.1-1mm，铣削速度c=500-1500m/min，进给速度
f=0.05-0.30mm/齿。
3.2.2运动功能的配置：
根据工艺范围分析和所确定的加工方法，进行运动功能设置。运动功能的分配方法有两类：
(1).分析式设计方法 参考现有的同类型机床的运动功能，经过研究分析，提出所设计机床的运动功能设置方案，然后通过仿真分析其方案的可行性和优劣；
(2).解析式设计方法 采用创成式原理，采用解析法求出满足加工工艺范围和加工方法所要求的机床运动功能设置的所有可能方案，然后通过仿真分析评价其方案的可行性与优劣。
同时在分配机床运动功能时，一般要注意一下几点：
(1).移动部件的重量应尽量轻 在其他条件相同的情况下，移动部件（包括刀具和工件）的重量越小，所需电机功率与传动件尺寸也越小；
(2).应有利于提高加工精度；
(3).应有利于提高机床刚度，缩小占地面积。
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在本课题中，机床运功功能的分配涉与到硬盘壳体的钻铣工序，需要在三个工位进行，根据多方调研以与组合机床的一些特点，机床的床身采用龙门式结构。两个侧面进行钻削，顶面进行铣削与钻削。
顶面的钻铣削，需要三个平动自由度，即X、Y、Z三个自由度，侧面的的钻削，也需要三个平动的自由度，由于三个孔在一个平面内，故通过配置一个工件的平动，简化顶面的钻铣削与侧面的钻削，由此的机床的运动功能配置为：顶面两个平动自由度，侧面两个平动自由度，均可以通过选用十字滑台实现，再加上工件的一个平动自由度，如此组合可以实现硬盘壳体的加工。
图3-2机床的运动原理图
机床的运动原理图如上，依照上述原理图，我们可进行下述的机床的总体结构方案设计。
3.3 机床的总体结构方案设计：
3.3.1组合机床的分类与基本配置型式
组合机床有大型组合机床和小型组合机床两大类，它们不仅在体积和功率上有大小之别，而且在结构和配置型式等方面也有很大差异。根据设计题目的要求，这里主要介绍大型组合机床的配置形式。
大型组合机床的配置型式可分为三大类： 一、具有固定式夹具的单工位组合机床
这类组合机床夹具和工作台都固定不动，动力滑台实现进给运动，滑台上的动力箱实现切削主运动。这类机床的配置型式有以下几种：
1、卧式组合机床（动力箱水平安装）；
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2、立式组合机床（动力箱垂直安装）； 3、倾斜式组合机床（动力箱倾斜安装）；
4、复合式组合机床（动力箱具有上述两种以上安装状态）。 二、具有移动式夹具的（多工位）组合机床
这类组合机床的夹具安装在直线移动工作台或回转运动工作台上，并按照一定的节拍做间歇移动或转动，使工位得到转换。这类机床的配置型式常见的有以下四种：
1、具有移动工作台的组合机床； 2、具有回转工作台的组合机床； 3、鼓轮式组合机床； 4、中央立柱式组合机床。 三、转塔主轴箱式组合机床
转塔主轴箱式组合机床分为两类：单轴转塔动力头式组合机床和多轴转塔动力头式组合机床。这类机床的配置型式有：
1、转塔式主轴箱只实现切削运动，被加工零件安装在滑台上，由滑台实现进给运动。
2、转塔式主轴箱安装在滑台上，转塔式主轴箱既实现切削主运动又实现进给运动。
3.3.2组合机床设计方法：
(1).优化设计：是指在满足用户需求功能的条件下使产品的结构最合理，用料消耗最少，成本最低，工作性能最好。采用的方法是以数学最优化原理为基础，在满足各种约束条件的前提下合理选择设计变量数值，以获得在一定意义上最佳方案和设计方法，一般采用计算机处理。
(2).可靠性设计：是指产品或系统在规定的时间，按给定的条件，使产品或系统运行处于“完满的状态”，即无故障或故障率低，失效率低，可靠性高。一般采用的方法是：明确可靠性要求，确立可靠性指标，进行可靠性分配，减轻部件、系统的负荷，安全、谨慎的使用，进行应力分析使零部件的变动应力最小，简化结构使达到组合化、标准化、利用成熟技术，适当的冗余设计（安全因数、保鲜期等），利用预测方法（可靠性、维修性、故障），进行可靠性试验、审查设计。
(3).设计决策方法：是指在设计、计算、评价选择的过程中，正确使用决策方法，以求问题的解决合理性和系统的最优化。采用的方法有，直接决策法，确定性和非确定性决策，风险决策法，决策树，培欣决策，试验决策，多目标决策法等。
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(4).三化设计（系列、通用、标准化）：是指着眼于开发通用，多功能，高性能的产品来满足各种用户需求。主要采用的方法就是开发在系列产品内部零、部件设计的通用化，把单个产品设计改变为系列产品设计，提高产品标准化的程度。
(5).成组技术：是指在多品种生产中统一、标准化零件的结构（尺寸、材料要素等），减少零件、部件的数量，扩大增加重复使用已有的设计成果，减少设计人员的重复劳动，以与工艺设计、制造的重复劳动，缩短生产周期，降低成本。采用的方法是利用相似性原理，对多品种生产的零件，部件进行简化，统一化，标准化，建立设计，工艺指导资料，规范，形成数据库、图形库。为组织成组生产、社会化协作、柔性自动化打下基础。
(6).模块化设计：以通用、标准的组件、部件为模块，通过组合，积木化，组成功能不同的多品种产品，满足用户的需求，最大限度的缩短设计周期，降低成本。采用的方法使，以功能分解为基础，以标准化的结合面，具有独立功能，能独立组织生产和质量控制的模块，组合为用户需求的产品，是模块通用化，扩大模块的使用改变传统以产品为单位的设计制造系统。
(7).面向制造（和装配）的设计：在保证产品的功能和性能的前提下，考虑从毛坯、加工提高生产率，安全性，质量的稳定性，低成本，减轻劳动强度，改善制造环境。采用的方法是，采用可塑性加工材料，减少零件的种类，减少复杂零件，减少加工面，尤其是复杂的加工面。孔系直径一个方面变化，孔端尽可能不加工，使用通用机床、刀具，防止细长、薄壁件，考虑刀具的进、退，明确的加工基面，减少手工劳动，遵守已有的各种标准。
3.3.3组合机床的工艺范围与加工精度
组合机床可完成的工艺有铣平面、刮平面、车端面、钻孔、扩孔、镗孔、铰孔、攻丝、倒角、钻深孔、且槽等。随着综合自动化技术的发展，组合机床可完成的工艺范围也在不断扩大，除了上述工艺外，还可完成车外圆、车锥面车弧面、车削内外螺纹、滚压孔、拉削内外圆柱面和平面、磨削、抛光、珩磨，甚至还可进行冲压、焊接、热处理、装配、自动测量和检查等。
现阶段在组合机床上加工大平面的平面度已达到1m长上0.4~0.8m；孔径精度达到H5~H6；孔的圆
度和圆柱度达到0.0015~0.055mm;定位销孔的中心距精度达到0.013mm；0.02~0.04mm.粗糙度达到
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一般孔位精度达到0.02~0.025mm；单向镗孔的同轴度达到0.005~0.01mm；双向镗孔的同轴度达到0.015~0.02mm；一些特种加工工艺的精度，度可达到0.015~0.02mm，缸盖阀座与导管孔的同轴度达到0.0075~0.01mm。
3.3.4机床的组成
机床的整体结构一般都包括有几个部分，主轴系统，进给系统，冷却系统，控制系统，机架等部分。结构图如下：
主轴系统滑台进给系统冷却系统PC控制
图3-3机床组成
在图3-3中，主轴系统实现刀具的回转运动，刀具的装夹，使工件与刀具产生相对运动，实现对工件的切削；滑台进给系统，可实现刀具的进给运动，即X、Y、C方向的平动，达到切削出适合尺寸的零件；冷却系统实现刀具，工件的冷却，防止因散热问题导致机床或工件出现损伤；作为一个数控机床，PC控制是必不可少的，主轴系统、滑台进给系统、冷却系统都受到PC控制，实现加工合理有序的进行。
根据调研、分析，针对硬盘壳体的主要加工对象，机床的整体结构设置如图3-4所示：
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图3-4机床的整体结构
在图3-4中，机床的整体框架结构采用龙门式结构，配置有三个十字滑台，三个电主轴，一个装用夹具，一个单向滑台。先从夹具来说，作为一个专用机床，配置装用夹具是必不可少的。夹具采用的夹紧方式为气动夹紧，实现硬盘壳体的快速装夹，夹具固定在工作台上，通过单向滑台，实现一个平动自由度，如配合龙门架上十字滑台的两个平动自由度，即可实现三个方向的平动，十字滑台上配置有电主轴，在辅以铣刀和钻头，即可实现硬盘壳体上表面的平面铣削与钻削；如配合左右两侧立柱上的滑台与电主轴即可实现两个两侧孔的加工。
滑台的选用：考虑到需要实现两个方向的自由度，确定为选用十字滑台，通过多方调研，可以选用的十字滑台有很多种类，最终考虑到机床精密、小型化的要求，力求在满足功能要求，强度要求等的前提下，选用了滚珠丝杠副的十字滑台，导轨型号GGB16BA（图3-5），滚珠丝杠则选用THK生产的BNT 1404-3.6（图3-6），导程为4。
图3-5 滚珠导轨
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图3-6 滚珠丝杠
驱动滑台的运动器选用步进电机，电机的型号75BYG4501，电机与滑台之间通过弹性联轴器连接，弹性联轴器的型号为TL1 GB43232002。之间的连接关系如图3-7所示：
图3-7 滑台与电机
电主轴选型：电主轴的体积小，结构紧凑，并能实现且刀具高速运动 ，是小型化机床的首选。通过多方调研，由于加工的硬盘壳体所需功率小，切削力也小，故选用小型号的电主轴即可，如下图：
图3-5 电主轴 17 / 39
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其中电主轴外径A为80mm,L3为160mm。
3.4本章小结
本章主要介绍了钻铣机床的的方案设计与总体结构设计，并且对组合机床的通用部件进行了选型，做出了三维模型，是整个机床设计中，非常重要的一步，为后续工作做准备工作。
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第4章 结构设计与计算
在结构与设计方面，主要是对机床的部件进行详细地设计，比如主轴部件，滑台进给部件，冷却系统，控制系统。由于某些方面的原因，只论述对主轴部件设计的过程。
4.1主轴部件设计
4.1.1电主轴简介：
近年来,随着高速加工技术的迅猛发展和广泛应用,各工业部门,特别是宇航和航天、汽车和模具加工等行业,对高速度、高精度数控机床的需求迅猛增长。传统的滚动轴承主轴结构难以满足数控机床的高转速、高精度的要求。美国、德国、日本、瑞士、意大利等工业发达国家,都在高速数控机床上广泛采用电主轴结构。
4.1.2电主轴的特点
机床主轴是机床的重要部件,传统机床主轴是通过中间的传动装置(如皮带、齿轮等)带动主轴旋转进行工作。电主轴又称内置式电机主轴单元(Build-in Motor-spindle),就是将高速电机置于机床主轴部件内部,通过交流变频控制系统,使主轴获得所需的工作速度和扭矩,实现电机、主轴的一体化功能。电主轴与驱动系统是一种技术含量很高的机电一体化产品,涉与机械、电机、驱动与控制、支承、润滑、材料热处理与振动等诸多领域,是一套相对独立、完整的功能部件。
它具有以下特点:
(1).结构紧凑,机械效率高,噪声低,热振动小,精度高。 (2).运行平稳,没有冲击,使主轴轴承寿命得到延长。 (3).易于实现高速化,动态精度和静态精度稳定性更好。
(4).可在额定转速范围内实现无级变速,以适应各种工况和负载变化的要求。
(5).利用电机矢量控制技术,不仅可以满足强力切削时大扭矩的要求,还可以实现准确的C轴定位与传动功能,适应对C轴功能有较高要求的车
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削、镗削等加工与其它数控机床的需要。
电主轴技术是因高速切削技术(HSC)的需要应运而生的。高速切削技术与传统切削加工相比具有:加工时间短,约只有原来的1/4;加工表面质量高,不用再进行象打磨等表面处理工序;零件重复性好;零件变形小,基本不产生热量,可以加工很薄的零件;高速机床的投资可以很快收回,可以缩短交货期,减小车间占地面积与工人数量等优势。
4.2 轴的结构设计
轴的结构应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上零件应便于装卸、调整和固定，尽量减小应力集中，受力合理，有良好的工艺性。
轴的结构和形状取决于下面几个因素： 轴的毛坯种类：
轴上作用力的大小与其分布情况；
轴上零件的位置、配合性质与其联接固定的方法； 轴承的类型、尺寸和位置；
轴的加工方法、装配方法以与其他特殊要求。
可见影响轴的结构与尺寸的因素很多，设计轴时要全面综合的考虑各种因素。
对轴的结构进行设计主要是确定轴的结构形状和尺寸。一般在进行结构设计时的已知条件有：机器的装配简图，轴的转速，传递的功率，轴上零件的主要参数和尺寸等。
1、选择轴的材料
根据题目要求，选择轴的材料为45钢，调质处理。
由《机械设计手册》表6-1-1查得b590Mpa，s295Mpa，
1255Mpa，1140Mpa
2、按轴所受扭矩初估轴的最小直径
功率与转速的选定。加工的硬盘壳体，属于小型的零件加工，切削力不大，采用恒功率设计。额定功率为1.2kw，转速24000r/min 。
根据 （4-1）
故 d114p1.21140.93cm9.3mm nj24000通过计算，轴的最小直径为10mmm。
轴上主要零件有：轴承、定子。定子与的配合选用过盈配合。 3、轴的结构设计
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根据题目要求，拟选择的设计方案如下图：
图4-1 轴的结构示意图
4、计算支承反力、力矩、扭矩
由于两个轴承属于背靠背结构，简化为一个支撑点，轴端连接铣刀，有铣削力，计算简图如下：
M1F图4.2 轴的计算简图
M2
根据 （4-2）
P1.29.55103477500N•m477.5N•mm n24000轴端连接铣刀，铣刀所受的切削力，可以等同于轴所受的切削力，故M19549查《机械加工工艺师手册》表30-19，刀具选择立铣刀，根据切削力的经验公式有：
.950.801.101.1FCFKFa0adzapf0e （4-3）
其中：
查表30-20，由于硬盘壳体材料为铝，故切削系数CF=167； 查表30-21，修正系数KF=1
查表30-24，YT15硬质合金端铣刀的切削用量与功率，选择铣刀直径为d0=2mm。齿数为中z=3，af=0.02mm，aw=1.6mm，ap=0.3mm
故
.950.801.101.1FCFKFa0adzapf0e16710.30.950.020.8021.101.631.16.5N
查表30-17铣削的功率计算公式为：
.751.10.8p42.4103kpd00.3aea0fapzn0.751.10.8p42.4103kpd00.3aea0aznfp0 （4-4）
42.41031231.60.020.750.31.13240000.81.15kw
注：查表30-18，Kp=1
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根据式（4-1）
M29549P1.159.551030.457N•m457N•mmn24000
铣削力在用于校核轴的过程中，等效于一个力ft与一个转矩m3，转矩M1，M2，M3平衡，由于转矩的平衡，受力简图如下：
FFAFB160图4-3 主轴的受力简图
55
根据上图，列出力的平衡方程为：
FAFBF; （4-5）
（4-6）
FA160F550通过计算，求解力的平衡方程得到：
FA2.23N;FB4.27N
5、扭转和弯曲强度校核
根据《材料力学》得抗弯截面系数W0.1d30.1103100mm3 抗扭截面系数WT0.2d30.2103200mm3 扭矩图如下：
TM1477.5N•mmAB
图4-4 主轴的扭矩图
弯矩图如下：
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M357.5N•mmABC
图4-5 主轴的弯矩图 由此可以看出，B截面是危险截面，只需对B截面进行弯扭校核就可以了。
根据第三强度理论，强度满足要求的条件为，
（4-7）
1则，WM2T21357.52477.525.97MPa100
由于
[]295MPa，
很显然，弯扭校核满足强度要求。
4.3轴承的选型
4.3.1轴承的配置
轴承的配置种类有很多，在电主轴中，依据转速和外载荷的不同,角接触球轴承在电主轴中的基本配置形式为2套“并联式背靠背DB”、“并联式面对面DF”和“串联式DT”3种 。
并联式背靠背配型适用于承受单独的或联合的径向和轴向载荷,能承受双向的轴向载荷,还可承受倾覆力矩,提供较高的系统刚度,2套轴承的接触角允许不同。并联式面对面配型与背靠背相比可承受的倾覆力矩较小,提供的系统刚度较低。其优点在于对轴承座的同轴度误差敏感性低。串联式配型仅允许承受一个方向的轴向载荷,2套轴承的接触角应完全相等。
4.3.2轴承的选型
电主轴的轴承应满足高速运动的要求，具有较高的回转精度和较低的温升，同时具有尽可能高的轴向和径向精度 、足够的承载能力。目前，在高速主轴单元中，采用较多的角接触球轴承，陶瓷轴承，磁悬浮轴承，液体静压轴承等，在本课题中，功率较小，切削力也较小，选用滚动轴
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承即可。通过以上比较与实际工况，选择并联式背靠背DB配置形式，并
且为便于选型，角接触球轴承的15。
查《现代实用机床设计手册》表3-9-13 选定两套轴承的轴承型号为7000C与7001C 型号。轴承的定位采用“一端固定，一端游隙”方案。
4.4本章小结
本章主要介绍了电主轴的特点，主轴的计算与校核，轴承的选择。通过第四章的设计与计算，主轴部件的结构很清楚明了的设计出来。
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第5章 系统虚拟样机设计与仿真
5.1虚拟样机技术概述
虚拟样机技术（又称电子样机技术)是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术(指在某一单一系统中零部件的CAD和FEA技术)揉和在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，从而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术[18]。
随着工业和经济的发展，制造业的竞争日趋激烈。工业产品的生产越来越向着多品种、小批量化发展，同时，对产品质量、生产时间提出了越来越高的要求。提高产品质量；降低产品成本；增加产品的科技含量、缩短研制、生产周期；灵活地应对市场的变化成了制造业竞争者们追求的目标和生存的途径。
在传统的设计和制造过程中，一般的过程是首先概念设计而后方案论证，然后进行产品设计，在设计完成后，为了验证设计，通常要进行产品的试制。当通过试验发现设计缺陷时，再次修改设计并再次进行产品试制，通过反复地设计——试制——设计过程，才能达到目标要求。这一过程是冗长的，设计周期无法缩短，就不可能对市场进行灵活应对，同时，样机试制也增加了产品的成本，特别当用户对产品的需求产生小批化、个性化的要求时，将对企业造成重大的损失。
虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能与其相关问题的角度出发，解决传统设计和制造过程中的缺点的新技术。在虚拟样机技术中，设计人员直接利用计算机辅助设计(CAD)系统提供的零部件的物理信息和几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机，使用系统仿真软件在各种虚拟环境中模拟系统的运动，并对其在各种情况下的运动和受力情况进行分析，观察并实验各组成部件相互运动情况，并在计算机上反复地修改设计缺陷，仿真不同的设计方案，对整个系统不断地进行改进，直到获得最优的设计方案后，再进行物理样机的试制。这样，能够缩短研发周期，尽量降低成本，避免不必要的损失。
虚拟样机工程系统的体系结构一般有以下结构组成:协同设计支撑平台、产品模型、虚拟样机(VP)和虚拟现实(VR)可视化环境四部分组成。
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其系统结构如图5.1。建立一个系统相关的模型，用户接口作为一个核心的组成部分，通过它可以有效地控制模型，还可以从哪里得到系统的一些重要信息。对于一个具体的应用实例来说，由于具体的应用目的不同，其系统结构可能有一些差别。
图5-1 虚拟样机工程的系统结构
虚拟样机技术的核心是机械系统运动学、动力学和控制理论，同时紧密结合了三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，另外也与计算机硬件、软件技术的发展程度密切相关，计算机硬件的性能对虚拟样机的分析计算、仿真的结果有着极大的影响和制约。
设计虚拟样机的过程实际上就是各种先进技术相互支持、相互融合的过程。首先是进行机械设计:设计的原始数据来自设计要求。当方案制定之后，设计师开始构造复杂的几何形状和工程关系。在进行产品设计的早期阶段，能够建立一些方程和规则，体现一些最重要的工程数据，使零件在设计准则下可自动修改。在完整、安全的网络环境下，设计小组成员不必操心数据的完整性，他们能够共享数据，并能主动控制修改和更新。零件最终的形状和尺寸来自各个方面的综台考虑，如装配、应力、加工等。在制定设计文件时，工程技术人员要决定如何描述最后的零件和装配，生成图纸时设计尺寸要转换成工艺尺寸以体现加工、检测的要求。这张图纸和其他技术文件(如应力分析、振动、热分析等)构成了设计的最主要部分。
最后是对最终的设计产品进行仿真。它包含了一系列步骤，从力学分析、建模、施加负载和约束，到预测其在真实工况下的反应，仿真的
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真正用意不是得到几个数据，而是评估产品的性能和优化产品的结构，进而指导设计、改进设计。根据设计尺寸并利用仿真软件，便可以在计算机上构造产品的电子(虚拟)样机，为最终投产做好准备[20]。 三维实体建模（在CATIA环境下）模拟装配添加约束创建运动副仿真模型，运动仿真结果是否与概念产品一致是否结束 图5-2 虚拟样机进行仿真的逻辑流程图 虚拟样机的逻辑流程如上图所示，从产品需求分析到评估测试，通过使用相关产品开发工具，在虚拟环境中，构造产品的虚拟样机。
CATIA V5的虚拟样机功能由专门的模块完成，从产品的造型、上下关联的并行设计环境、产品的功能分析、产品浏览和干涉检查、信息交流、产品可维护性分析、产品易用性分析、支持虚拟实现技术的实时仿真、多
CATIA支持与产品结构管理等各方面提供了完整的虚拟样机功能，能够完成与物理样机同样的分析和模拟功能，从面减少制作物理样机的费用，并能进行更多的设计方案验证。
5.2基于DMU模块的模型建立与运动仿真
CATIA电子样机技术DMU中共有7个模块，每一个模块都有其特殊的功能，如下图所示：
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数字模型DMU(Digital Mock-Up)浏览器Navigator空间分析Space Analysis运动分析Kinematics装配分析Fitting二维查看器 DMU优化器 公差预览 图5-3 CATIA中DMU组成模块
下面对几个常用的模块功能进行简述:
1)DMU Navigator：设计人员可以通过最优化的观察、漫游和交流功能实现高级协同的DMU检查，打包。并且可以进行下列操作:操纵组件；显示组件；执行高级组建管理；创建照相和动画；文件注释；执行基本测量等功能。
2)DMU Space Analysis：电子样机分析模块是CAD一支独立的分支，它提供了电子样机DMU的检验环境。
3)DMU Kinematics：通过调用系统提供的大量的运动约束连接方式或者通过自动转换装配约束条件而产生运动约束连接，继而实现电子样机的运动仿真。
4)DMU Fitting：可以记录装配时的装配路径，分析组装零件时移动零件所需求的动态空间，检查零件干涉情况，并可自动找出零件的装配路径。
在本节中，本文运用软件CATIA V5R17做出了整个系统的三维实体模型，并将各个零件在CATIA V5R17中进行虚拟装配，得到钻铣机床整体结构的虚拟样机。
图5-4 钻铣机床的虚拟样机
通过对小型钻铣机床的运动分析，本文将该机床的运动可以分主轴的运动、滑台的移动（即进给运动）、工作台的移动。由于主轴主要做旋转运动，所以，
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在仿真过程中，轴与主轴架之间为转动副，并且主轴架为固定件；通过对滑台的分析可知，滑台是由丝杠的转动带动溜板箱的平动，此过程相当于螺纹转动，因此，在仿真过程中，丝杠和溜板箱之间是螺纹副；同理，工作台的移动也是螺纹副。本文将以主轴部件的运动仿真为例，具体操作如下：
（1）、主轴部件的模型的建立
图5-5 主轴部件
（2）、添加旋转副
图5-6 旋转副
（3）、添加固定
在仿真过程中，必须有一个固定件，在此机架作为固定件。
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图5-7 固定
(4)、添加刚度副
由于运动过程中，除了轴转动，其余的零件均为相对固定，因此，在仿真过程中，要添加刚度副，使这些零件相对固定，以完成所期望的动作。
此时，自由度为0，因此，该机制可以仿真。 （5）仿真
图5-8 建立仿真
（6）编辑模拟
编辑运动轨迹点，模拟部件的运动。
图5-9 建立模拟
对主轴部件，进给部件进行模拟之后，需将这些运动连成一个连贯的运动。CATIA软件中DMU Fitting模块可以记录装配时的装配路径，并且可以对运动仿真所做的模拟进行序列排序。具体操作如下：
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（1）、生成模拟
图5-10 模拟
（2）、编辑序列
图5-11 运动序列
（3）、生成重放 将序列1生成重放
图5-12 生成重放
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（4）、生成视频
图5-13 生成视频
5.3 本章小结
本章介绍了虚拟样机，并对本课题设计的钻铣组合机床进行运动仿真，更直观的显示了机床各个部件的运动过程。到此，本次毕业设计的全部内容已经结束。
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总 结
2011年的3月，我开始了我的毕业设计工作，时至今日，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。遇到困难，我会觉得无从下手，不知从何写起；当困难解决了，我会觉得豁然开朗，思路打开了；当论文经过一次次的修改后，基本成形的时候，我觉得很有成就感。在这次设计中，主要成果可归纳为以下几点：
1、了解了组合机床的组成、特点、分类，基本类型等相关知识。 2、绘制了零件的加工工序图，零件的加工工序图是根据零件图绘制的，在绘制过程中综合运用了机械制造、机械设计与金属工艺学等方面的知识。
3、设计对硬盘壳体的专用夹具，结合夹具的设计，工件定位、夹紧的要求，如何实现快速定位等。
4、选用了3个十字滑台与一个滑台，并对其进行了三维建模和装配图的绘制，确定型号、大小、性能参数等，在选择过程中综合考虑了机床各个部位的尺寸要求与联系，做到了既满足工作要求又最大限度的实现了经济化设计。
5、在主轴部件的设计中，选用了电主轴，确定其型号、性能参数等，并对其进行了弯扭强度的校核。综合考虑其与机床其他各个部位的配合等因素，实现在满足要求的前提下的成本最低。
6、最后，对机床的运动进行了DMU仿真，很客观的显示了机床各个部件之间的运动关系。
由于时间有限和本人能力的限制，这次设计中也存在了一些不足，有待于进一步完善和改进。
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致 谢
本次毕业设计是在许金凯老师的悉心指导下完成的。许老师给予了我认真耐心的指导和帮助，在分析方案、设计计算、图纸绘制、说明书组织等方面都给予了细心的指导和启发，使本次设计得以顺利完成，在此谨向许老师致以衷心的感谢。
导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处事的道理。
论文的顺利完成也得到许多同学的帮助，再次向所有关心和帮助我的同学和朋友表示由衷的感谢，没有他们，我很难完成这一切。
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