TK7250数控立式精镗床开发

 数 控 机 床 开 发 项 目
　  
 可行性报告
　  　  
　  一、项目的意义和必要性
　  （一）行业发展的需求
　  汽车工业作为国民经济的支柱产业和技术密集的高科技产业, 在近二十年来得到了飞速发展。随着我国汽车工业的发展和汽车保有量的急剧增加，汽车发动机生产及维修业也在汽车市场中占据了极其重要的地位。高质量、高效率的汽车发动机的生产及维修不仅能提高汽车运行的可靠性，而且能降低汽车的使用成本，是保障汽车工业健康发展的重要因素之一。
　  近年来随着大型汽车、轮船、机车的发展，特别是金融危机以来，国家加大基础设施的建设投资，大型发动机行业得到了较快的发展。这些行业提出大孔、深孔镗削机床的需求。目前国内要实现这些大孔、深孔缸套的加工，必须采用数控重型机床产品，如数控落地镗床等，单台价格基本上都在五百万元以上，如果采用进口机床产品，单台价格在1000万元以上，使得大孔径缸套（直径在￠300以上的）整个生产成本过高。
　  本项目开发的产品TK7250数控立式精镗床进行大孔径缸套加工，每个缸套的成本只在5000～10000元（￠250～￠500mm）之间，缸套成本只是进口同类缸体的六分之一；同时设备投入成本也不大（单台售价大约在45万元），也能完全满足缸套的加工精度和效率要求，性价比非常高。
　  （二）企业发展的需求
　  机械工业正面临前所未有的发展机遇，已进入由量变转向质变、产业加速升级的关键时期。对现有产品进行改造，由生产普通机床为主转向数控机床为主，已成为丽江机床有限公司能否生存和发展的问题。
　  公司是立式精镗床的专业生产厂家，以汽车发动机的修理、加工为主，公司多年来以生产传统型立、卧式精镗床为主，近几年来，公司以数控机床为发展方向，开发了针对汽车缸体及零部件精密孔加工行业TK7210、TK7220立式数控精镗床产品和针对小型零件精密孔加工（如汽车、摩托车连杆、箱体孔等）的TK7040、TK7140、TK7150数控卧式精镗床产品，产品由普通机床向数控机床转化，产品结构逐步向加工行业转化。
　  总之，项目承担与参与单位顺应市场及行业发展的需求，决定开发适用于大孔精密加工的TK7250数控立式精镗床产品（最大镗孔直径500mm，镗孔深度1000mm），是公司的重大战略举措，项目的实施使公司产品结构及生产能力将从小型机床向中型机床产品迈进。
　  通过该项目产品的开发并实现产业化，将云南丽江机床有限公司建设成为国内外具有特色优势的中、小型立卧式精镗床数控机床生产基地。推进云南丽江机床有限公司又好又快的发展，并成为丽江的工业的经济增长点，为出口创汇、节约外汇、增加利税作出贡献。
　  该产品的开发生产将逐步更新国内汽修行业传统的珩磨机产品，同时将扩大出口，并依靠价格优势在国际市场上与意大利同类产品形成竞争，占领一部分国际市场。可见该产品具有较强的竞争力，市场的前景良好。
　  二、相关技术领域国内外发展现状和趋势
　  近年来随看汽车、拖拉机、模具、军工等行业的迅猛发展，尤其是流水线生产技术的迅速推广应用，对普通立式精镗床在扩大工艺范围，提高加工精度，提高自动化水平，提高劳动生产率等方面而提出了愈来愈高的要求，使立式精镗床趋于从维修型向生产型发展，从普通型向数控型发展。
　  国内相关厂家的技术现状如下：
　  （1）芜湖重型机床股份有限公司
　  “TK55100型双立柱数控多头立式铣镗床”该产品采用双立柱导轨副采用镶钢滚动导轨，其它导轨副采用聚四氟乙烯贴塑导轨。配备美国辛辛那提.米拉克龙公司的A8505X数控系统，主轴采用交流伺服电机调速，进给系统采用交流伺服电机滚珠线杆副传动。主要用于中大规格的柴油机、内燃机缸体的镗铣加工等。工作台面积2800mm×1000mm，三坐标控制工作台纵向运动和铣、镗头垂直运动，铣头、镗头分别置于两个立柱上，工件一次装夹可连续自动加工多孔和平面，适应于内燃机行业机体多缸套孔加工的不同需要，定位精度0.012mm，重复定位精度士0.016mm；该厂TK6813×2型数控双面卧式铣镗床，具有双柱、 双卧轴和中央回转工作台，工件在一次装夹中可连续自动加工四个面，配上特殊铣头可加工顶面，实现五面加工，工作台尺寸2000mm×2500mm。
　  （2）南京第二机床厂
　  公司开发的T71B型立式精镗床一次性出口秘鲁300台，该机床主要用于镗削发动机缸体、柴油机和压缩机缸套以及其他各种精密镗孔零件，可更换三种规格的主轴镗头，镗削孔径33～165mm。
　  （3）湖南长沙大铭福机械设备有限公司 
　  公司生产的T7220C 立式精镗铣床主要用于精镗加工各种发动机的缸体孔和缸套孔，以及其它精密孔，同时可进行汽缸端面精铣，可实现镗、铣、钻、铰多功能加工。工作台纵横向移动机构；工件快速找中心机构；测刀装置；工作台纵向工进（铣削）；可设数颗装置，以提高工作速度和精度，或作小型座标镗使用（最大镗孔深度: 500mm；最大镗孔直径：Ф200mm）。
　  国外立式精镗床产品生产厂家主要在意大利，最大镗孔直径只能镗到￠350以下，而且其生产的产品只是非数控机床产品，主要应用在汽车缸体修理方面。
　  总之，国内目前使用的立式精镗床其镗孔直径一般是35～200 mm；最大镗孔深度为500mm。主要适用于中小型发动机缸体、柴油机和压缩机缸套的镗削加工。
　  三、项目组成员及分工
　  为了确保本项目顺利实施,公司成立了由技术部、生产部、营销部和财务部组成的项目实施领导小组, 由公司董事长担任组长，副组长由省级技术中心主任、市级中青年技术带头人、总工程师和公司总经理担任。项目实施领导小组办公室设在总工办公室，领导小组负责项目实施方案的制定、检查督促各项措施的实施情况和解决项目实施过程中出现的问题，项目产品研发由总工程师负责组织实施。
　  
　  四、项目现有工作基础和支撑条件
　  （一）现有工作基础
　  公司是立式精镗床的专业生产厂家，是汽车保修行业的骨干企业，在全国排名前两位。产品多次荣获省优、部优等称号，畅销全国，远销世界32个国家。在立式精镗床系列产品中，T716、T7220A曾荣获省优、部优称号，T7220B于2006年荣获云南省名牌产品称号，TK7210 数控立式精镗床荣获丽江市科学技术奖一等奖，并获三项实用新型专利。
　  经过多年来对立式精镗床产品的研发和生产，公司积累了一整套技术、工艺、生产、检测、试验的软硬件设备设施和资源。产品也形成了普通机床和数控机床两大系列产品。
　  TK7250 数控立式精镗床产品的研发，现已经完成了产品技术资料的收集和总体技术方案的初步设计。
　  （二）支撑条件
　  项目承担单位具有独立的研发机构，被认定为云南省第十批省级企业技术中心，共有专业技术人员41人。本项目研发采用“产、学、研”合作模式，项目组成员共有15人，其中，高职2人，中职11人。
　  项目承担单位技术中心研发设施齐全，采用计算机辅助设计并使用先进的二维、三维设计软件，内部开通了集域网及专线的宽带网。具有完备的产品质量保障体系，检测设备能满足机床产品的几何精度、工作精度检测和常规试验要求。
　  项目承担单位多年来一直与西工大、云南省机械研究设计院以及云南机电职业技术学院进行技术合作，搭建了很好的“产、学、研”合作模式。本项目的研发项目承担单位将加大与前述高校和科研院在电气控制、先进制造技术及测试技术方面进行合作。聘请这些单位有实践经验的专家、教授作为项目的技术顾问。
　  五、项目主要研究开发内容、技术关键及创新点
　  （一）项目主要研究开发内容
　  （1）产品概述
　  TK7250 数控立式精镗床由工作台总成、立柱总成、滑架总成、主轴总成和电气部分组成。工作台总成主要由基座、台座、工作台组成，工作台由伺服电机、滚珠丝杆带动可沿台座导轨移动实现纵向进给（X轴），台座可沿基座导轨移动实现横向进给（Y轴）。立柱固定在基座后部，前面有两条导轨供滑架上下移动，内腔装有平衡滑架主轴的重锤，后部装有电气箱。主轴安装在滑架上，通过变频电机带动可实现主轴镗削旋转运动。滑架总成安装在立柱导轨上，通过伺服电机、滚珠丝杆带动沿立柱导轨上下移动（Z轴），实现镗削时的进给运动。
　  产品可根据用户要求设计成三轴数控系统控制和PLC控制人机界面操作两种方式。X轴、Y轴、Z轴采用伺服电机驱动，可实现无级调速。主轴采用变频电机驱动，也可实现无级调速。工作台纵向行程可达1500mm，工作台面尺寸为500X1600，可实现大型缸体的装夹、铣面和纵横向的精确位移。主轴、立柱、滑架的设计要解决大孔、深孔镗削的刚性、抗振性和精度问题。电气上，除解决X、Y、Z轴数控系统控制、主轴变频调速控制外，重点解决镗孔后定向停刀和让刀，实现精密镗削时无退也痕的问题和大孔镗削低转速时，变频电机转矩达不到切削力要求的问题。
　  （2）项目主要研究内容
　  采用先进方法和手段对该项目进行研究，对机床的关键技术进行攻关，从理论、技术的高度、深度进行研究和分析。同时对产业化实施的加工工艺性进行研究。为适应市场，满足不同用户的需求，进行系列化、模块化和规模化的生产打下坚实的基础，研发出性价比高，市场竞争力强的产品。本项目研究的主要内容为：
　  1）整机结构及装配加工工艺的研究
　  该产品主要针对大型汽车、机车及轮船等大型发动机缸套孔加工及其它机械零部件大孔、深孔镗削。对整机立柱、滑架等关键大件的结构及加工工艺进行研究，保证整机刚性，减小振动，提高整机的稳定性；对产品的定向停刀和让刀结构进行研究，使被加工产品无退刀痕；整机设计数控系统与PLC控制方式的研究，满足不同用户的加工和使用需求。
　  2）主轴结构及加工工艺的研究
　  该产品主要用于大孔、深孔镗削，为此对主轴系统结构及加工工艺进行研究。提高主轴系统的刚性、动静态性能、精度。
　  3）电气系统的匹配研究
　  合理选择数控系统及各功能部件实现各种技术的合理优化集成。
　  （二）项目技术创新点
　  （1）机床整体方案的优化匹配设计
　  采用先进的设计理论、方法和手段（机床动力学、CAD、计算机仿真等），结合市场需求及工厂设计制造立式、卧式精镗床积累的丰富经验，对拟研发的产品提出多种数字化样机设计方案（多种方案的虚拟样机设计），再对多方案虚拟样机进行运动学分析、动力学分析、装配干涉检查等，经计算机仿真分析，比较其分析结果，从中选出较为满意的机床整体设计方案，再对其进行更为精确建模、各零部件之间的优化匹配分析，进一步修改完善优化机床整机的设计方案，以确保机床投产前的较高水平的设计质量。
　  （2）机床大件结构的优化设计
　  经对机床各大件多种结构的动力学分析及优化设计，通过计算机仿真分析比较后，优选出各大件的结构、筋条（板）优化布局；为保证整机的精度、静动态性能奠定了良好基础。
　  （3）自动定向停刀、让刀装置创新设计
　  
　  如图所示意，本产品主轴系统的旋转轴4通过电动机1由变频调速器6控制，旋转轴4由上设置一个检测点3，检测点3的位置与刀具5刀尖的方向对应，在检测点3的同一平面安装一个传感器2，变频调速器6和传感器2连接到数控系统7。这样当旋转轴4完成切削加工后，由数控系统7发出指令，由变频调速器6实现旋转轴4低速运转，由传感器2检测旋转轴4上检测点3的位置，然后发出指令由变频调速器6停止旋转轴4转动，使刀具5停止在X轴或Y轴方向，由数控系统7指令工作台伺服电机10将安放零件8的工作台9向刀具5的反方向移动一定距离，并旋转轴移动伺服电机11移动旋转轴4退出加工范围，从而实现让刀。
　  （4）主轴快速对中结构的创新设计
　  如图所示：主轴壳1固定在立镗滑架上，在主轴壳1内用轴承支承主轴 2，主轴2下端外圆上开一槽，在槽内安装有由圆柱销8固定的柱销7、下杠杆9，下杆10组成的下杠杆机构，测杆3用滚花螺钉4固定在测柱5上，测柱5用滚花螺钉6固定在柱销7上，下杠杆机构在槽内以圆柱销8为轴可以向内旋转，旋转时由下杠杆机构上的下杆10向上推动下推杆11向上运动。下推杆11安装在主轴1的中心通孔内，放在下杆10的顶面上，下推杆11在主轴中心通孔内可上下滑动，在立镗滑架传动轴12中心通孔内安装有上推杆13，上推杆13上有用销钉固定的上定位套14，使推杆在未装镗轴时不至下落，安装镗轴后下推杆11上端顶面紧贴于上推杆13的下端底面上，在传动轴12上端部固定有上定位套16，在上定位套14和上定位套16中间安装弹簧15，上推杆13能自行复位；在滑架上部由调整螺钉17、支座18、柱销19、上杠杆20组成上杠杆机构，调整螺钉17固定在上推杆13顶部，上杠杆20用柱销19固定在支架18上，并可以柱销19为中心旋转，在滑架前部安装有前推杆21，前推杆21上端顶面顶在上杠杆20的前端底面上，前推杆21由导向块22和表座26固定，在前推杆21上打两个销23和27，使其既不下落，也不能将其拔出，中间安装有垫片及弹簧24，使其能自行复位，前推杆21的下端底面紧贴于前杠杆29后部顶面，圆柱销28固定的前杠杆29，前杠杆29能以圆柱销28为轴旋转，前杠杆29在设计为前部重后部轻；指示器25安装在表座26上，指示器25的测头紧贴于前杠杆29的前端顶面。指示器25视待加工孔的精度来确定使用百分表或千分表。
　  为了使主轴2能够用手就可轻松地转动，更方便于对中的操作，在滑架传动轴12下端安装上离合器32，主轴2的上端安装下离合器33，在滑架上安装有手轮30和偏心轴31，传动轴12上的上离合器32可通过旋转手轮30及偏心轴31作上下滑移，实现与主轴2上的下离合器33的啮合和脱开上离合器32。
　  在使用时，将测柱5及测杆3等部件用滚花螺钉6固定在下杠杆9的柱销7上，通过滚花螺钉4调整测杆3，使其在直径方向尺寸与待测孔径大致相同，将镗轴移到孔内，转动主轴2，测量横截面上孔径的变动通过测杆3依次传到下杠杆机构、下推杆11、上推杆13、上杠杆机构、前推杆19、前杠杆27传递到指示器23上，依据待测工件孔前后左右的测量值移动工作台，可以方便、快速地达到工件孔与镗轴对中。在加工前将测柱等取下后既不影响加工，也不影响主轴的精度。由于本装置结构简单，工件小，可在不同轴径的主轴上使用，同时通过变换测杆的长度，可适用于不同孔径的孔。
　  
　  （5）制造工艺技术的创新
　  针对机床装配及各零部件机加工需求，编制了科学合理的机加工工艺规程。设计制造多种装配、加工专用的工夹具和检测工具，确保零部件的加工质量及整机装配质量，提高加工效率。
　  六、项目预期目标、考核指标，预期提交的成果
　  （一）项目预期目标
　  项目执行期内完成TK7250数控立式精镗床样机的研发，并通过产品的性能试验，完成样机的定型，构建年产150万台的生产能力基础条件；项目研发完成后公司加大市场开拓力度，并实现年产品150台产业化规模；使公司成为中、小型立卧式精镗床数控机床专业生产厂商。
　  （二）考核技术经济指标
　  （1）考核的技术指标
　  完成TK7250数控立式精镗床样机试制，并通过产品性能试验鉴定，完成样机的定型，构建年产150台生产能力的条件建设。样机主要技术如下：
　  序号 项目 单位 参数
　  1 最大镗孔直径 mm φ500
　  2 最大镗孔深度 mm 1000
　  3 主轴（滑架）行程 mm 1200
　  4 工作台纵向行程 mm 1500
　  5 工作台横向行程 mm 300
　  6 主轴转速（变频无级调速） m/min 50～1000
　  7 主轴进给移动速度 m/min 6～8000
　  8 主轴中心至滑架直立面距离 mm 500
　  9 精镗孔尺寸精度 IT7
　  10 圆度 mm 0.008
　  11 圆柱度 mm 0.02
　  12 镗孔粗糙度 um Ra1.6
　  13 定位精度 mm 0.02
　  14 重复定位精度 mm 0.01
　  （2）考核的经济指标
　  完成样机销售，售价40万元（配国产数控系统），或售价为45万元（配进口系统）。项目完成后，实现产业化生产，达到年产量150台，按配国产系统投产100台，配进口系统投产50台计算，年可新增产值6250万元，实现利润总和871.72万元，销售税金及附加370.21万元，所得税217.93万元，净利润653.79万元。
　  （三）预期提交的成果
　  完成相关技术