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TK7250數控立式精鏜床開發

 數 控 機 床 開 發 項 目
　  
 可行性報告
　  　  
　  一、項目的意義和必要性
　  （一）行業發展的需求
　  汽車工業作為國民經濟的支柱產業和技術密集的高科技產業, 在近二十年來得到了飛速發展。隨著我國汽車工業的發展和汽車保有量的急劇增加，汽車發動機生產及維修業也在汽車市場中占據了極其重要的地位。高質量、高效率的汽車發動機的生產及維修不僅能提高汽車運行的可靠性，而且能降低汽車的使用成本，是保障汽車工業健康發展的重要因素之一。
　  近年來隨著大型汽車、輪船、機車的發展，特別是金融危機以來，國家加大基礎設施的建設投資，大型發動機行業得到了較快的發展。這些行業提出大孔、深孔鏜削機床的需求。目前國內要實現這些大孔、深孔缸套的加工，必須采用數控重型機床產品，如數控落地鏜床等，單臺價格基本上都在五百萬元以上，如果采用進口機床產品，單臺價格在1000萬元以上，使得大孔徑缸套（直徑在￠300以上的）整個生產成本過高。
　  本項目開發的產品TK7250數控立式精鏜床進行大孔徑缸套加工，每個缸套的成本只在5000～10000元（￠250～￠500mm）之間，缸套成本只是進口同類缸體的六分之一；同時設備投入成本也不大（單臺售價大約在45萬元），也能完全滿足缸套的加工精度和效率要求，性價比非常高。
　  （二）企業發展的需求
　  機械工業正面臨前所未有的發展機遇，已進入由量變轉向質變、產業加速升級的關鍵時期。對現有產品進行改造，由生產普通機床為主轉向數控機床為主，已成為麗江機床有限公司能否生存和發展的問題。
　  公司是立式精鏜床的專業生產廠家，以汽車發動機的修理、加工為主，公司多年來以生產傳統型立、臥式精鏜床為主，近幾年來，公司以數控機床為發展方向，開發了針對汽車缸體及零部件精密孔加工行業TK7210、TK7220立式數控精鏜床產品和針對小型零件精密孔加工（如汽車、摩托車連桿、箱體孔等）的TK7040、TK7140、TK7150數控臥式精鏜床產品，產品由普通機床向數控機床轉化，產品結構逐步向加工行業轉化。
　  總之，項目承擔與參與單位順應市場及行業發展的需求，決定開發適用于大孔精密加工的TK7250數控立式精鏜床產品（最大鏜孔直徑500mm，鏜孔深度1000mm），是公司的重大戰略舉措，項目的實施使公司產品結構及生產能力將從小型機床向中型機床產品邁進。
　  通過該項目產品的開發并實現產業化，將云南麗江機床有限公司建設成為國內外具有特色優勢的中、小型立臥式精鏜床數控機床生產基地。推進云南麗江機床有限公司又好又快的發展，并成為麗江的工業的經濟增長點，為出口創匯、節約外匯、增加利稅作出貢獻。
　  該產品的開發生產將逐步更新國內汽修行業傳統的珩磨機產品，同時將擴大出口，并依靠價格優勢在國際市場上與意大利同類產品形成競爭，占領一部分國際市場。可見該產品具有較強的競爭力，市場的前景良好。
　  二、相關技術領域國內外發展現狀和趨勢
　  近年來隨看汽車、拖拉機、模具、軍工等行業的迅猛發展，尤其是流水線生產技術的迅速推廣應用，對普通立式精鏜床在擴大工藝范圍，提高加工精度，提高自動化水平，提高勞動生產率等方面而提出了愈來愈高的要求，使立式精鏜床趨于從維修型向生產型發展，從普通型向數控型發展。
　  國內相關廠家的技術現狀如下：
　  （1）蕪湖重型機床股份有限公司
　  “TK55100型雙立柱數控多頭立式銑鏜床”該產品采用雙立柱導軌副采用鑲鋼滾動導軌，其它導軌副采用聚四氟乙烯貼塑導軌。配備美國辛辛那提.米拉克龍公司的A8505X數控系統，主軸采用交流伺服電機調速，進給系統采用交流伺服電機滾珠線桿副傳動。主要用于中大規格的柴油機、內燃機缸體的鏜銑加工等。工作臺面積2800mm×1000mm，三坐標控制工作臺縱向運動和銑、鏜頭垂直運動，銑頭、鏜頭分別置于兩個立柱上，工件一次裝夾可連續自動加工多孔和平面，適應于內燃機行業機體多缸套孔加工的不同需要，定位精度0.012mm，重復定位精度士0.016mm；該廠TK6813×2型數控雙面臥式銑鏜床，具有雙柱、 雙臥軸和中央回轉工作臺，工件在一次裝夾中可連續自動加工四個面，配上特殊銑頭可加工頂面，實現五面加工，工作臺尺寸2000mm×2500mm。
　  （2）南京第二機床廠
　  公司開發的T71B型立式精鏜床一次性出口秘魯300臺，該機床主要用于鏜削發動機缸體、柴油機和壓縮機缸套以及其他各種精密鏜孔零件，可更換三種規格的主軸鏜頭，鏜削孔徑33～165mm。
　  （3）湖南長沙大銘福機械設備有限公司 
　  公司生產的T7220C 立式精鏜銑床主要用于精鏜加工各種發動機的缸體孔和缸套孔，以及其它精密孔，同時可進行汽缸端面精銑，可實現鏜、銑、鉆、鉸多功能加工。工作臺縱橫向移動機構；工件快速找中心機構；測刀裝置；工作臺縱向工進（銑削）；可設數顆裝置，以提高工作速度和精度，或作小型座標鏜使用（最大鏜孔深度: 500mm；最大鏜孔直徑：Ф200mm）。
　  國外立式精鏜床產品生產廠家主要在意大利，最大鏜孔直徑只能鏜到￠350以下，而且其生產的產品只是非數控機床產品，主要應用在汽車缸體修理方面。
　  總之，國內目前使用的立式精鏜床其鏜孔直徑一般是35～200 mm；最大鏜孔深度為500mm。主要適用于中小型發動機缸體、柴油機和壓縮機缸套的鏜削加工。
　  三、項目組成員及分工
　  為了確保本項目順利實施,公司成立了由技術部、生產部、營銷部和財務部組成的項目實施領導小組, 由公司董事長擔任組長，副組長由省級技術中心主任、市級中青年技術帶頭人、總工程師和公司總經理擔任。項目實施領導小組辦公室設在總工辦公室，領導小組負責項目實施方案的制定、檢查督促各項措施的實施情況和解決項目實施過程中出現的問題，項目產品研發由總工程師負責組織實施。
　  
　  四、項目現有工作基礎和支撐條件
　  （一）現有工作基礎
　  公司是立式精鏜床的專業生產廠家，是汽車保修行業的骨干企業，在全國排名前兩位。產品多次榮獲省優、部優等稱號，暢銷全國，遠銷世界32個國家。在立式精鏜床系列產品中，T716、T7220A曾榮獲省優、部優稱號，T7220B于2006年榮獲云南省名牌產品稱號，TK7210 數控立式精鏜床榮獲麗江市科學技術獎一等獎，并獲三項實用新型專利。
　  經過多年來對立式精鏜床產品的研發和生產，公司積累了一整套技術、工藝、生產、檢測、試驗的軟硬件設備設施和資源。產品也形成了普通機床和數控機床兩大系列產品。
　  TK7250 數控立式精鏜床產品的研發，現已經完成了產品技術資料的收集和總體技術方案的初步設計。
　  （二）支撐條件
　  項目承擔單位具有獨立的研發機構，被認定為云南省第十批省級企業技術中心，共有專業技術人員41人。本項目研發采用“產、學、研”合作模式，項目組成員共有15人，其中，高職2人，中職11人。
　  項目承擔單位技術中心研發設施齊全，采用計算機輔助設計并使用先進的二維、三維設計軟件，內部開通了集域網及專線的寬帶網。具有完備的產品質量保障體系，檢測設備能滿足機床產品的幾何精度、工作精度檢測和常規試驗要求。
　  項目承擔單位多年來一直與西工大、云南省機械研究設計院以及云南機電職業技術學院進行技術合作，搭建了很好的“產、學、研”合作模式。本項目的研發項目承擔單位將加大與前述高校和科研院在電氣控制、先進制造技術及測試技術方面進行合作。聘請這些單位有實踐經驗的專家、教授作為項目的技術顧問。
　  五、項目主要研究開發內容、技術關鍵及創新點
　  （一）項目主要研究開發內容
　  （1）產品概述
　  TK7250 數控立式精鏜床由工作臺總成、立柱總成、滑架總成、主軸總成和電氣部分組成。工作臺總成主要由基座、臺座、工作臺組成，工作臺由伺服電機、滾珠絲桿帶動可沿臺座導軌移動實現縱向進給（X軸），臺座可沿基座導軌移動實現橫向進給（Y軸）。立柱固定在基座后部，前面有兩條導軌供滑架上下移動，內腔裝有平衡滑架主軸的重錘，后部裝有電氣箱。主軸安裝在滑架上，通過變頻電機帶動可實現主軸鏜削旋轉運動。滑架總成安裝在立柱導軌上，通過伺服電機、滾珠絲桿帶動沿立柱導軌上下移動（Z軸），實現鏜削時的進給運動。
　  產品可根據用戶要求設計成三軸數控系統控制和PLC控制人機界面操作兩種方式。X軸、Y軸、Z軸采用伺服電機驅動，可實現無級調速。主軸采用變頻電機驅動，也可實現無級調速。工作臺縱向行程可達1500mm，工作臺面尺寸為500X1600，可實現大型缸體的裝夾、銑面和縱橫向的精確位移。主軸、立柱、滑架的設計要解決大孔、深孔鏜削的剛性、抗振性和精度問題。電氣上，除解決X、Y、Z軸數控系統控制、主軸變頻調速控制外，重點解決鏜孔后定向停刀和讓刀，實現精密鏜削時無退也痕的問題和大孔鏜削低轉速時，變頻電機轉矩達不到切削力要求的問題。
　  （2）項目主要研究內容
　  采用先進方法和手段對該項目進行研究，對機床的關鍵技術進行攻關，從理論、技術的高度、深度進行研究和分析。同時對產業化實施的加工工藝性進行研究。為適應市場，滿足不同用戶的需求，進行系列化、模塊化和規模化的生產打下堅實的基礎，研發出性價比高，市場競爭力強的產品。本項目研究的主要內容為：
　  1）整機結構及裝配加工工藝的研究
　  該產品主要針對大型汽車、機車及輪船等大型發動機缸套孔加工及其它機械零部件大孔、深孔鏜削。對整機立柱、滑架等關鍵大件的結構及加工工藝進行研究，保證整機剛性，減小振動，提高整機的穩定性；對產品的定向停刀和讓刀結構進行研究，使被加工產品無退刀痕；整機設計數控系統與PLC控制方式的研究，滿足不同用戶的加工和使用需求。
　  2）主軸結構及加工工藝的研究
　  該產品主要用于大孔、深孔鏜削，為此對主軸系統結構及加工工藝進行研究。提高主軸系統的剛性、動靜態性能、精度。
　  3）電氣系統的匹配研究
　  合理選擇數控系統及各功能部件實現各種技術的合理優化集成。
　  （二）項目技術創新點
　  （1）機床整體方案的優化匹配設計
　  采用先進的設計理論、方法和手段（機床動力學、CAD、計算機仿真等），結合市場需求及工廠設計制造立式、臥式精鏜床積累的豐富經驗，對擬研發的產品提出多種數字化樣機設計方案（多種方案的虛擬樣機設計），再對多方案虛擬樣機進行運動學分析、動力學分析、裝配干涉檢查等，經計算機仿真分析，比較其分析結果，從中選出較為滿意的機床整體設計方案，再對其進行更為精確建模、各零部件之間的優化匹配分析，進一步修改完善優化機床整機的設計方案，以確保機床投產前的較高水平的設計質量。
　  （2）機床大件結構的優化設計
　  經對機床各大件多種結構的動力學分析及優化設計，通過計算機仿真分析比較后，優選出各大件的結構、筋條（板）優化布局；為保證整機的精度、靜動態性能奠定了良好基礎。
　  （3）自動定向停刀、讓刀裝置創新設計
　  
　  如圖所示意，本產品主軸系統的旋轉軸4通過電動機1由變頻調速器6控制，旋轉軸4由上設置一個檢測點3，檢測點3的位置與刀具5刀尖的方向對應，在檢測點3的同一平面安裝一個傳感器2，變頻調速器6和傳感器2連接到數控系統7。這樣當旋轉軸4完成切削加工后，由數控系統7發出指令，由變頻調速器6實現旋轉軸4低速運轉，由傳感器2檢測旋轉軸4上檢測點3的位置，然后發出指令由變頻調速器6停止旋轉軸4轉動，使刀具5停止在X軸或Y軸方向，由數控系統7指令工作臺伺服電機10將安放零件8的工作臺9向刀具5的反方向移動一定距離，并旋轉軸移動伺服電機11移動旋轉軸4退出加工范圍，從而實現讓刀。
　  （4）主軸快速對中結構的創新設計
　  如圖所示：主軸殼1固定在立鏜滑架上，在主軸殼1內用軸承支承主軸 2，主軸2下端外圓上開一槽，在槽內安裝有由圓柱銷8固定的柱銷7、下杠桿9，下桿10組成的下杠桿機構，測桿3用滾花螺釘4固定在測柱5上，測柱5用滾花螺釘6固定在柱銷7上，下杠桿機構在槽內以圓柱銷8為軸可以向內旋轉，旋轉時由下杠桿機構上的下桿10向上推動下推桿11向上運動。下推桿11安裝在主軸1的中心通孔內，放在下桿10的頂面上，下推桿11在主軸中心通孔內可上下滑動，在立鏜滑架傳動軸12中心通孔內安裝有上推桿13，上推桿13上有用銷釘固定的上定位套14，使推桿在未裝鏜軸時不至下落，安裝鏜軸后下推桿11上端頂面緊貼于上推桿13的下端底面上，在傳動軸12上端部固定有上定位套16，在上定位套14和上定位套16中間安裝彈簧15，上推桿13能自行復位；在滑架上部由調整螺釘17、支座18、柱銷19、上杠桿20組成上杠桿機構，調整螺釘17固定在上推桿13頂部，上杠桿20用柱銷19固定在支架18上，并可以柱銷19為中心旋轉，在滑架前部安裝有前推桿21，前推桿21上端頂面頂在上杠桿20的前端底面上，前推桿21由導向塊22和表座26固定，在前推桿21上打兩個銷23和27，使其既不下落，也不能將其拔出，中間安裝有墊片及彈簧24，使其能自行復位，前推桿21的下端底面緊貼于前杠桿29后部頂面，圓柱銷28固定的前杠桿29，前杠桿29能以圓柱銷28為軸旋轉，前杠桿29在設計為前部重后部輕；指示器25安裝在表座26上，指示器25的測頭緊貼于前杠桿29的前端頂面。指示器25視待加工孔的精度來確定使用百分表或千分表。
　  為了使主軸2能夠用手就可輕松地轉動，更方便于對中的操作，在滑架傳動軸12下端安裝上離合器32，主軸2的上端安裝下離合器33，在滑架上安裝有手輪30和偏心軸31，傳動軸12上的上離合器32可通過旋轉手輪30及偏心軸31作上下滑移，實現與主軸2上的下離合器33的嚙合和脫開上離合器32。
　  在使用時，將測柱5及測桿3等部件用滾花螺釘6固定在下杠桿9的柱銷7上，通過滾花螺釘4調整測桿3，使其在直徑方向尺寸與待測孔徑大致相同，將鏜軸移到孔內，轉動主軸2，測量橫截面上孔徑的變動通過測桿3依次傳到下杠桿機構、下推桿11、上推桿13、上杠桿機構、前推桿19、前杠桿27傳遞到指示器23上，依據待測工件孔前后左右的測量值移動工作臺，可以方便、快速地達到工件孔與鏜軸對中。在加工前將測柱等取下后既不影響加工，也不影響主軸的精度。由于本裝置結構簡單，工件小，可在不同軸徑的主軸上使用，同時通過變換測桿的長度，可適用于不同孔徑的孔。
　  
　  （5）制造工藝技術的創新
　  針對機床裝配及各零部件機加工需求，編制了科學合理的機加工工藝規程。設計制造多種裝配、加工專用的工夾具和檢測工具，確保零部件的加工質量及整機裝配質量，提高加工效率。
　  六、項目預期目標、考核指標，預期提交的成果
　  （一）項目預期目標
　  項目執行期內完成TK7250數控立式精鏜床樣機的研發，并通過產品的性能試驗，完成樣機的定型，構建年產150萬臺的生產能力基礎條件；項目研發完成后公司加大市場開拓力度，并實現年產品150臺產業化規模；使公司成為中、小型立臥式精鏜床數控機床專業生產廠商。
　  （二）考核技術經濟指標
　  （1）考核的技術指標
　  完成TK7250數控立式精鏜床樣機試制，并通過產品性能試驗鑒定，完成樣機的定型，構建年產150臺生產能力的條件建設。樣機主要技術如下：
　  序號 項目 單位 參數
　  1 最大鏜孔直徑 mm φ500
　  2 最大鏜孔深度 mm 1000
　  3 主軸（滑架）行程 mm 1200
　  4 工作臺縱向行程 mm 1500
　  5 工作臺橫向行程 mm 300
　  6 主軸轉速（變頻無級調速） m/min 50～1000
　  7 主軸進給移動速度 m/min 6～8000
　  8 主軸中心至滑架直立面距離 mm 500
　  9 精鏜孔尺寸精度 IT7
　  10 圓度 mm 0.008
　  11 圓柱度 mm 0.02
　  12 鏜孔粗糙度 um Ra1.6
　  13 定位精度 mm 0.02
　  14 重復定位精度 mm 0.01
　  （2）考核的經濟指標
　  完成樣機銷售，售價40萬元（配國產數控系統），或售價為45萬元（配進口系統）。項目完成后，實現產業化生產，達到年產量150臺，按配國產系統投產100臺，配進口系統投產50臺計算，年可新增產值6250萬元，實現利潤總和871.72萬元，銷售稅金及附加370.21萬元，所得稅217.93萬元，凈利潤653.79萬元。
　  （三）預期提交的成果
　  完成相關技術