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132010届本科生毕业设计（论文）
开题报告
课题名称 支架φ20钻削专机设计
专 业 机械设计制造及其自动化
专业方向 机械制造工艺及设备
班 级
学 号
学生姓名
指导教师
教研室 现代制造技术
上海应用技术学院
机械与自动化工程学院
2010年03月10日
目录
本次设计主要包括两大部分。第一部分为专用夹具的设计，其中包括工件的定位方式、定位元件的选择、定位误差的计算、夹紧方式的确定、夹紧力的确定、夹紧机构的选择及夹具动力系统、导向装置的确定、夹具体的设计和夹具体在机床上的定位方式。第二部分为支架φ20钻削专机的设计，其中包括机床的基本尺寸的选择、电机的选择、传动系统的设计和钻头的选择、机床的进给机构设计。
1.2 选题背景
工艺综合课程设计是机械类专业的一门主干专业基础课，内容覆盖金属切削原理和刀具、机械加工方法及设备、互换性与测量技术、机械制造工艺学及工艺装备等，因而也是一门实践性和综合性很强的课程，必须通过实践性教学环节才能使我们对该课程的基础理论有更深刻的理解，也只有通过实践才能培养我们理论联系实际的能力和独立工作能力。因此，工艺综合课程设计应运而生，也成为机械类专业的一门重要实践课程。
1.3 课题研究的意义
工艺综合课程设计旨在继承前期先修基础课程的基础上，让我们完成一次机械零件的机械加工工艺规程和典型夹具设计的锻炼，其目的如下。
在结束了机械制造基础等前期课程的学习后，通过本次设计使我们所学到的知识得到巩固和加深。培养我们全面综合地应用所学知识去分析和解决机械制造中的问题的能力。
通过设计提高我们的自学能力，使我们熟悉机械制造中的有关手册、图表和技术资料，特别是熟悉机械加工工艺规程设计和夹具设计方面的资料，并学会结合生产实际正确使用这些资料。
通过设计使我们树立正确的设计理念，懂得合理的设计应该是技术上先进的，经济上合理的，并且在生产实践中是可行的。
通过编写设计说明书，提高我们的技术文件整理、写作及组织编排能力，为我们将来撰写专业技术及科研论文打下基础。
1954年英国首次研制出垛式支架，紧接着法国研制的节式支架代替了木支架和金属摩擦支架，开辟了采煤工作面支护设备的技术革命。60年代前苏联研制并改进的OMKT型掩护式支架(具有四连杆机构)，解决了支架端距变化的问题，开辟了支架设计的新时代；70年代主要是“立即支护”方式；1980年前西德赫母夏特公司开发出G550- 22/60掩护式支架，最大高度为6m。为提高深产能力，降低生产成本，20世纪70年代中期，英国煤炭局首先提出研制电液控制支架。最先将电液控制支架用于长壁工作面的是澳大利亚的科里曼尔煤矿，该工作面由74架英国原道锑公司研制的四柱垛式支架组成，于1981年投产。1983年底英国原道锑公司又为美国坎塞尔煤矿制造了两按钮式微机控制支架，1984年投产。1995年底英国原道锑公司又研制出全工作面集中电液控制系统。威斯特伐利亚—贝考瑞特公司研制出更为先进的P-M3和P-M4电液控制系统。现在电液控制系统已经发展到综采全套设备可视化集成控制阶段。
80年代以来，世界主要采煤国家一直围绕减面提产、减人提效、降低成本，为实现矿井集中生产而努力。他们积极开发和应用新技术，致力于高性能、高可靠性的新一代重型支架的研制。新型支架普遍具有微型电机或电磁铁驱动的电液控制阀，推移千斤顶装有位移传感器，采煤机装有红外线传感装置，立柱缸径超过400mm，为减少割煤时间，一般采用0.8～lm的截深，支架还采用屈服强度800～1000MPa的钢板，既有较高的强度、硬度和韧性，又具有良好的冷焊性能。随着长壁工作面长度的不断增加，为适应快速移架的需要，国外还广泛采用高压大流量乳化液泵站，其额定压力为40～50MPa，额定流量400～500L/min，可实现工作面成组或成排快速移架，达到6～8s/架。
我国目前具有支架设计能力的单位主要有4家，即北京开采所、北京煤机厂、郑州煤机及沈阳煤研所。北京开采所近几年占到全国支架设计任务量的50%左右，该所设计的新架型占的比例更高些。北京开采所是支架的技术归口单位，支架的标准、设计规范都出自该所。北京开采所支架设计水平代表了国内支架设计水平，目前已实现了支架设计CAD三维设计，并开发出了具有国际先进水平的支架模拟仿真系统和支架参数优化设计软件系统。尽管我国支架设计水平与国外有一定的差距，但这一差距正在逐渐缩小。
以前国内绝大部分支架所用板材均采用350MPa的16Mn钢板，焊接性能好，但强度低，支架较重。为了降低支架重量，国内从20世纪90年代中期开始研究高强度板的焊接工艺，经过几年的努力，现在对1000MPa级以下钢板的焊接工艺进行了系统的研究。第二是立柱千斤顶，2004年郑煤机制造Φ360mm的立柱已在晋城大采高支架上成功应用。目前我国几个主要支架生产厂家已具备生产中Φ400mm立柱的能力，两柱掩护式支架工作阻力可以达到l0000kN。
我国目前支架的检验采用MT312-2000技术标准，用以取代MT312-1992，该新标准在制定过程中不仅参照了欧洲标准，还结合了现阶段支架在我国的使用情况。新标准从2001年8月份开始实行强制执行。新标准在试验次数上较老标准有大幅度提高，顶梁偏载加载时，四连杆机构的扭矩比老标准增加70%，另外对两柱支架还增加了水平加载工况。
目前我国支架控制系统有两种型式，即手动控制和电液控制，其中绝大部分还是手动控制系统，只有神华、晋城等少数矿区进口的支架采用电控制系统。手动系统的流量一般为200～400L/min，移架速度最快可达11s/架。我国从上世纪90年代中期开始研制电液控制系统，虽然做了大量的工作，但效果并不理想，阀的冲击的和稳定性等问题没有得到解决，因此没有完全实现在井下的推广和应用。最近几年我国的天玛公司与德国合作，引进德国玛坷公司的PM3技术已成功在充州、开滦矿区的支架上应用，并取得了较好的效果。
目前国产支架与世界上先进国家的差距主要表现在支架的整体可靠性、材料结构、控制系统和元件等几个方面。
(1) 可靠性的差距
我国目前的大部分支架的可靠性与国外差距比较大。例如神华进口的支架，工作面的开机率达到90%以上，年产达到10MT，支架大修周期为产煤15MT以上。而我国目前综采工作面开机率平均为50%左右。支架大修周期平均产煤量在4～5MT左右。但最近我国自主开发的ZFS6800/18/35放顶煤支架年产煤量已达到8MT。
(2) 控制系统方面
目前世界上一些发达国家支架的控制系统已广泛采用电液控制系统，例如美国、澳大利亚、德国已普遍采用。电液控制系统技术在这些国家中已经非常成熟，支架的移架速度非常快，可达8s/架，可以跟上采煤机13m/min的速度。我国目前支架采用电液控制系统的数量很少，绝大部分为手动。目前我国共有17套支架采用电液控制系统，绝大部分为进口设备，其中神华神东公司9套，晋城、铁法各2套全部为引进设备，开滦2套为国内天玛公司生产的。在控制系统方面我国与国外的差距较大。我国目前绝大部分支架仍采用手动控制，移架速度一般为15～20s/架，可以跟上采煤机6～7m/s的速度。手动控制与电液控制相比，工人劳动强度大，自动化程度低，速度慢、支护效果差。
(3) 元件方面
我国元件的研发速度远远滞后于支架发展的需要。支架的可靠性主要依赖于元件的可靠性，支架在煤矿生产中应用是否成功，关键在干元件的技术性能是否达到要求。国外目前多采用大流量安全阀、液控单向阀、截止阀、初撑力保持阀及立柱快速回液阀，对元件的结构形式、几何尺寸、材料选择、热处理方法和表面处理等各方面进行了深入的研究与开发，研制出一批密封性能好、灵敏度高、进排液能力大、抗冲击载荷强的各类元件，以适应支架工作性能的要求。而我国对此类元件研发较为滞后，目前仍沿用上个世纪80年代的产品，没有形成元件通用化、系列化、标准化。
国产与进口控制阀的差距也是很明显的，主要表现在操纵阀和安全阀。目前我国支架上用的操纵阀的流量为200～400L/min，与国外相差不大，但寿命和可靠性方面相差较大。德国的操纵阀寿命可达5万次，而我国的只有5000次。安全阀与国外无论是流量还是寿命差距都很大。国外安全阀流量可达1000L/min，寿命是我国的4～5倍。此外，目前我国支架上的立柱千斤顶的密封圈大部分仍为橡胶件，聚胺酯密封件使用量较少，而国外的密封圈已全部采用聚胺酯材料，橡胶件与聚胺酷相比寿命相差4～5倍。阀国外一直使用铜合金阀壳和高强度不锈钢阀芯，我国则是45钢加表面热处理。在加工工艺上：国外油缸内壁是复镀，国产则为不镀，导致立柱在使用过程中过早出现斑点，划伤等密封漏液现象，影响支护效果。
(4) 制造工艺方面
① 深孔缸加工工艺
缸径国外已达到Φ400～Φ500mm，而国内刚完成最大为Φ400mm缸径的支架。国外对Φ200以下深孔实现10m长一次性加工，并根据需要切割，国内最长为3m。国外多采用热墩技术加工缸，即把金属加热至比流动状态低50～100℃时，用万吨水压机沿轴向反复墩冲加工，成型的缸筒即有完整的缸底(不需再焊)，同时对缸口一般扩孔成型，给缸口加工创造条件。国内基本上采用推镗 ,珩磨或滚压加工缸筒后焊接缸底的工艺方法。在加工精度方面，国外一般比国内高一至二级。
② 结构件加工工艺
国外支架的结构件选材已普遍使用优质板材，其屈服强度σs=700~1000Mpa。因此，采用预热后用高强度氩弧焊接施焊，焊后再进行回火工序。为了减少数控钢板的下料变形，多采用水下切割技术。同时，钢板本身的综合性能也高于国内。国内目前选用钢板的屈服强度最高为σs=800Mpa，而大部分仍采用σs=400~600MpaMPa级别板材。在焊接工艺中采用CO2气体保护焊接.。国外对大批量定型结构采用机器人焊接，提高效率，保证质量，减少人的体力劳动。
按照支架在采煤工作面安装位置来划分 有端头液压支架和中间支架。端头支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。中间支架是安装在除工作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。
1.支撑式支架
支撑式支架的架型有垛式支架和节式支架两种型式。如图1-2，前梁较长，支柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由支柱的复位装置来保证。因此底座坚固定，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面的顶板，维护工作空间。顶板岩石则在顶梁后部切断垮落。
这类支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，适用于顶板坚硬完整，周期压力明显或强烈，底板较硬的煤层。
a b
图1-2 a—垛式 b—节式
Fig.1-2 a—corduroy b—divisiona
2、掩护式支架
掩护式支架有插腿式和非插腿式两种型式。如图1-3所示顶梁较短，对顶板的作用力均匀；结构稳定，抵抗直接顶水平运动的能力强；防护性能好调高范围大，对煤层厚度变化适应性强；但整架工作阻力小，通风阻力大，工作空间小。这类支架适用于直接顶不稳定或中等稳定的煤层。
a b c
图1-3 a—插腿式支架 b—立柱支在掩护梁上非插腿式支架c—立柱支在顶梁上非插腿式支架
Fig.1-3 a－support b－ leg piece on support c－leg piece on support
3、支撑掩护式支架
支撑掩护式支架架型主要用：四柱支在顶梁上；二柱支在顶梁；一柱或二柱支在掩护梁上。支柱两排，每排1-2根，多呈倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护梁和四连杆机构。它的支撑力大，切顶性能好，防护性能好，结构稳定，但结构复杂，重量大，价贵，不便于运输。
这类支架适用于直接顶为中等稳定或稳定，老顶有明显或强烈的周期来压，瓦斯储量较大的中厚或厚煤层中.
随着科学技术的高速发展。新技术、新方法、新材料的不断应用，微机和计算机技术进一步普及，为支架的发展提供了有利的条件。目前，支架研究发展趋势主要有以下几个：
(1) 支架的结构形式正朝着简单实用方向发展，如支架的架型明显地向两柱掩护式支架和四柱支撑式掩护式支架发展。
(2) 在已有支架设计与应用经验的基础上，将有限元和计算机辅助设计相结合，研究支架的智能化设计方法、结构与参数的优化，进一步提高支架的科学性、可靠性以及结构的优化性。其中在设计中应注意以下几个方面：①提高支架的设计强度，加大支架的工作阻力，加大支架的设计强度系数，还有选材等方面；②如何提高支架的移架速度；③改进支架个别部件结构，加大联结件强度
(3) 改进制造工艺，保证制造质量；对支架的阀类，从材料、热处理、加工条件和密封件入手，制定更严格的质量和抗腐蚀标准。
(4) 对不稳定顶板、松软底板、地质构造较复杂等特殊条件，加大投入，研制大量的特殊支架，以适用不同的开采条件。
(5) 采用新型元件与材质，可减轻支架重量，提高支架性能和使用寿命。
(6) 结构上寻求克服四连杆的新型架型。
(7) 快速支架电液控制系统的研制和投入，研究支架的遥控、程控控制和性能自动监控，为回采工作面的半自动化与自动化创造条件。
工作面支护问题始终是围绕煤矿生产安全、质量、效率的重要问题。目前，国外高产高效综采工作面正向“设备重型化、工作面大型化”的方向发展，我国许多大型煤炭能源集团公司也正在发展超大型综采工作面，支架全部进口，对企业的发展极为不利。因此，我国必须加大综采支架的研究投入和步伐，尽快适应我国能源大开发的战略要求。
3 文献综述
支架的工艺特点是：外形较复杂，尺寸精度、形状精度、和位置精度及表面粗糙度要求较高。上诉工艺特点决定了支架在机械加工时存在一定的困难，因此在确定支架的工艺过程时应注意定位基准的选择，以减少定位误差；夹紧力方向和夹紧点的选择要尽量减少夹紧变形；对于主要表面，应粗、精加工分阶段进行，以减少变形对加工精度的影响。
基面选择是工艺规程中的重要工作之一。基面选择的正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产率得以提高。否则，加工工艺过程中会问题百出，更有甚者，还会造成零件的大批报废，使生产无法正常运行。
（1）粗基准的选择
遵照“保证不加工表面与加工表面相互精度原则”的粗基准选择原则（即
零件有不加工表面时，应以这些不加工表面作为粗基准；若零件有若干个不加工表面时则应与这些加工表面要求相对精度较高的不加工表面作为粗基准）这里先选择圆柱孔上端面为粗基准。
（2）精基准的选择
根据精基准的选择原则，选择精基面时，首先应考虑基准重合的问题，即在可能的情况下，应尽量选择加工表面的设计基准作为定位基准。本支架零件
以加工好的支架底面作为后续工序如铣圆柱孔上端面、镗肋板孔等工序的精基准。
支架底面的表面粗糙度要求较高，Ra≤1.6，所以确定最终加工方法为精铣。精铣前要进行粗铣、半精铣。
肋板内表面与圆柱孔上端面的表面粗糙度要求较高，Ra≤3.2，所以确定最终加工方法为精铣。精铣前要进行粗铣、半精铣。
肋板上的孔与圆柱孔的位置精度和表面粗糙度要求较高，Ra≤3.2，所以确定最终加工方法为半精镗。半精镗前要进行粗镗。
装配孔的精度要求较高，最终加工方法为精铰。精铰前要进行钻孔。
沉头孔没有位置精度与表面粗糙度要求，故采用钻孔、锪孔就能达到图纸上的设计要求。
完成其他次要表面的加工。
在工艺路线的拟定过程中要遵循机械加工工序顺序的安排原则。即：
（1） 基准先行 按照“先基面后其它”的顺序，先加工精基准面，再以加工
出的精基准面为定位基准，安排其它表面的加工。
（2） 先粗后精 按先粗后精的顺序，对精度要求高的各主要表面进行粗加
工、半精加工和精加工。
（3） 先主后次 先考虑主要表面加工，再考虑次要表面加工。次要表面的加
工，通常从加工方便与经济角度出发进行安排。次要表面和
主要表面之间往往有相互位置要求，常常要求在主要表面加
工后，以主要表面定位加工主要表面。
（4） 先面后孔 当零件有较大的平面可以作定位基准时，先将其加工出来，
再以面定位孔加工，这样可以保证定位准确、稳定。
（5） 关键工序 对易出现废品的工序，精加工或光整加工可适当提前。在一
般情况下，主要表面的精加工和光整加工应放在最后阶段进
行。
制定工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状，尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理保证。在生产纲领已经确定为大批生产的条件下，可以考虑采用万能机床配以专用夹具，并尽量使工序分散来提高生产效率。除此之外，还应该考虑经济效果，以便使生产成本尽量降低。
工艺路线方案：
工序10 粗铣支架底面
工序20 半精铣支架底面
工序30 精铣支架底面
工序40 粗铣圆柱孔上端面
工序50 半精铣圆柱孔上端面
工序60 精铣圆柱孔上端面
工序70 粗镗圆柱孔
工序80 半精镗圆柱孔
工序90 粗铣肋板内表面
工序100 半精铣肋板内表面
工序110 粗镗肋板孔
工序120 半精镗肋板孔
工序130 钻φ8孔
工序140 钻φ15孔
工序150 锪φ15沉头孔
工序160 钻φ6装配孔
工序170 精铰φ6装配孔
工序180 检验
工序余量是指相邻两工序的工序尺寸之差，也就是在一道工序中所切除的金属层厚度，在确定工序间加工余量时，应遵循两个原则：
1. 加工余量应尽量小，以缩短加工时间；提高效率；降低制造成本；延长机
床刀具使用寿命。
2. 加工余量应保证按此余量加工后，能达到零件图要求的尺寸、形状、位置
公差和表面粗糙度，工序公差不应超出经济加工精度范围；本工序的余量应大于上工序留下的尺寸公差、行为公差和表面缺陷厚度。
根据经验法选取毛坯公差取T=±2mm。其余各工序尺寸及公差查《机械加工工艺手册》可得。
支架的加工过程中，首先要给支架定位，将支架底部固定在支撑板上，底部两端夹紧，在上下夹紧。加工时要保证支架尺寸要求，要先将支架两端340±0.41mm的表面加工完成，其表面粗糙度是12.5μm。再将预先铸出的孔进行精度加工，以达到技术要求。最后在将240mm的底面进行加工，其表面粗糙度是3.2μm。
本夹具是固定支架用,该零件表面规则,故能用通用的机床夹具来装夹,又因其是大批量生产,所以要设计专用夹具以提高加工精度和加工效率.分析零件,加工支架φ20mm孔是在加工两端面及底面之后加工的,故定位的时候可以考虑用这几个已加工的面来作定位基准加工支架的孔,这样可以提高加工的精度.
再者,虽然支架底面与支架φ20mm孔轴线没有夹角,但钻销的时候也会会产生相对工件几个方向的力,所以要把六个自由度全部限制了.因为在加工φ20mm孔之前,两端面还有底面也已加工完成.所以可以考虑一面三销定位,再利用一移动压板即可实现完全定位,这样就可以对零件进行精确的定位,可以保证加工精度.
综上所述,本夹具可采用三个定位销 ,一个移动压板和支撑板等主要元件组成.
本到工序为铣片面,因此对工作台将产生一个扭矩,但因切销量很小,故其扭矩也不会太大,根据夹紧的基本原则,确定工件的夹紧方式,底面两侧的定位削可将铣销时产生的扭矩平衡掉.在通过压板压紧在夹具体座上,这样夹紧机构即可以保证工件夹紧的可靠,安全,又不会破坏工件的定位及夹压表面的精度和粗糙度.
本夹具设计的是钻支架φ20mm孔，由于该加工孔的精度要求不是很高，那么零件的加工精度可以完全由钻的制造精度和安装精度来保证，为此本夹具在装配好后应对钻的安装精度进行检测，如果不符合要求可以进行修配。
定位尺寸几公差的确定。夹具的主要是底面的一侧及顶面，并且要求不是很高，可以满足。
5 课题设计内容、步骤及要求
通过本题目的研究和设计，是该学生得到市场调差，资料检索，机械设计，CAD软件应用，技术文件撰写等系统的工程师技能的综合训练。
要求按照学院下发的”学生毕业设计手册”中的规定，认真地完成毕业设计工作。熟悉机床夹具设计的基本原理，具有机床设计的基本知识，能够查阅手册确定切削参数，具有较好的绘图能力。
5.2课题设计内容、步骤
首先，根据加工工件的结构特点和加工孔的位置进行分析，确定相应的定位方案，并通过钻削时对工件产生的力的作用计算出所需夹紧力，确定相应的夹紧机构和动力源，在钻孔时根据实际情况，选择可换钻套作为对刀引导元件，再确定夹具体的结构并考虑其在机床上的定位方式。然后，选择机床的外形尺寸并根据工件的材料和切削性能，确定加工刀具，切削速度，进给量，根据这些数据对切削力，切削扭矩，切削功率进行计算，通过计算结果选择适合的电动机，并对减速器中的齿轮和轴进行相关计算和校和，使其满足设计的要求。
根据计算以及工艺需要对零，部件进行结构设计。
按毕业设计要求完成所有的计算以及说明，应配以必要的插图。
完成毕业设计说明书。
计算机软件: CAD 3.5张0号图纸。
5.2.2 课题设计步骤
1.根据工艺要求完成本课题所有力能参数的计算。
2.根据所得的数据完成主要零件的强度计算.
3.根据计算以及工艺需要对零、部件进行结构设计。
4.按毕业设计要求完成所有的计算以及说明，应配以必要的插图。
5.完成毕业设计说明书。
3.1～3.12：毕业实习，调研，收集资料，查阅中外文文献，完成开题报告等工作。
3.15～3.26：比较方案，确定方案。完成实习报告，外文翻译。
3.26～6.18：完成计算及毕业设计说明书（论文）全部内容，完成所有图纸的绘制工作。
6.18～6.25：计算说明书整理，打印，图纸打印，提交毕业设计论文等，学生准备毕业设计答辩，交光盘。
6.28～7.2：准备答辩。
[1]《机械制造技术基础课程设计指导书》，辽宁工程技术大学。
[2]《机械加工工艺手册》，孟少农主编，机械工业出版社
[3]《机械加工工艺设计手册》，张耀宸，航空工业出版社
[4]《机械制造技术基础》，曾志新主编，武汉理工大学出版社
[5]《机械设计课程设计手册》，吴宗泽主编，高等教育出版社
[6]赵家奇,机械制造工艺学课程设计指导书(2版),机械工业出版社,2006
[7]曾志新,吕明主编,机械制造技术基础,:武汉理工大学出版社,2001
[8]肖诗纲主编,切削用量手册,机械工业出版社,1993
[9]金属切削机床夹具设计手册.上海柴油机厂工艺设备研究所编,机械工业出版社，1987
[10]《机械制造工艺设计简明手册》作者：李益民，出版社：机械工业出版社，1999
[11]《金属切削技术基础手册》主编：陈宏钧，出版社：机械工业出版社， 2006
[12]Steve Krar“Machine Tool And Manufaituring Technology” Delmar,1988
[13] Geoffrey Boothroyd “Furdmental of Metal Machine And Machine Tools” CRC,1988
