立式加工中心床身結構設計【含CAD圖紙全套+畢業(yè)答辯論文】

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購買文檔就送 對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 摘 要 床身是立式加工中心非常重要的基礎支撐件， 它起到了支撐立柱、滑座、工作臺等重要零部件 的作用 ，主要承受機床的靜載荷以及在加工時產生的切削負載。床身的靜動態(tài)性能直接影響機床的加工精度和穩(wěn)定性 ,因此， 床身結構的優(yōu)化 對于立式加工中心的發(fā)展具有十分重要的意義 ，本課題即 結合 沈陽機床廠 能特點與相關參數(shù) ，對立式加工中心床身結構進行了科學系統(tǒng)的 設計，具體內容如下： （ 1） 借鑒于同類型的床身結構，根據(jù) 整機結構設計了床身上表面布局，通過查閱《實用機床設計手冊》《機械設計手冊 》 等參考書，科學的設計了床身的截面形狀，包括壁厚的選定以及加強肋、方孔、圓孔的合理布置。同時對床身進行了受力分析并利用 （ 2） 針對與床身相關的重要零部件，包括 Y 方向伺服進給系統(tǒng)的驅動電機、滾珠絲杠、直線導軌、軸承、聯(lián)軸器，進行了分析與計算，并最終確立了型號與參數(shù)。 （ 3） 提出了床身的精度要求，包含加工和裝配過程中的幾何精度 。 關鍵詞 ： 立式加工中心；床身 ； 結構設計 ；選型計算； 有限元分析；精度設計 沈陽 工學院畢業(yè)設計說明書 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 he is a in it a of in of of of is of 50B of of as (1)of of s of of as as of to do of of (2)of (3)of of 陽 工學院畢業(yè)設計說明書 錄 1 機床設計現(xiàn)狀 ......................................................................................................... 1 題研究的背景和 意義 ................................................................................ 1 內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 ........................................................................ 2 論文內容概要 ............................................................................................ 4 2 床身結構設計 ......................................................................................................... 4 身材料 ........................................................................................................ 4 身時效處理 ................................................................................................ 4 身結構設計 ................................................................................................ 5 身重要表面設計 .............................................................................. 5 身截面形狀設計 .............................................................................. 5 身熱變形 .......................................................................................... 10 身結構確定方案 .............................................................................. 11 3 床身零部件的計算與選型 ................................................................................... 12 方向滾珠絲杠副的選擇 ........................................................................... 12 步計算絲杠導程 ........................................................................... 13 珠絲杠副當量載荷與當量轉速計算 ........................................... 14 算預期額定動載荷 .................................................................. 17 算滾珠絲杠允許最大軸向變形 m? .............................................. 18 算滾珠絲杠副的底徑 .................................................................... 18 算滾珠絲杠副預緊力............................................................ 20 珠絲杠副剩余結構尺寸確定 ....................................................... 20 服電機的選擇 .......................................................................................... 21 沈陽 工學院畢業(yè)設計說明書 電機的負載轉矩計算 ........................................................................ 21 量匹配計算 ................................................................................... 22 載啟動時最大加速力矩 算： ............................................ 24 速空載啟動時所需最大啟動力矩................................... 24 動機連續(xù)勻速工作時的最大力矩........................................ 25 動機輸出端軸的直徑計算 ........................................................... 25 動軸承的選擇 .......................................................................................... 25 動軸承使用條件 ........................................................................... 26 選止動球軸承型號 ....................................................................... 26 推軸承組配方式 ........................................................................... 26 推軸承的選用計算 ....................................................................... 27 柱滾子軸承的選型計算 ............................................................... 29 結 論 ........................................................................................................................... 31 致 謝 ........................................................................................................................... 33 參考文獻 ..................................................................................................................... 34 沈陽 工學院畢業(yè)設計說明書 1 1 機床設計現(xiàn)狀 隨著機械制造業(yè)的飛速發(fā)展與競爭 市場需求的不斷擴大，數(shù)控機床的應用范圍持續(xù)擴張，同時，為了應對市場日新月異的變化及加工要求難度的不斷提高，數(shù)控機床產業(yè)的水平也在飛速進步，不斷向高速化、復合化、高精度化、智能化轉變。如今，為了提高自身經濟發(fā)展水平，應對激烈的國際競爭，各工業(yè)強國均認識到制造裝備的重要性，將裝備制造業(yè)作為國家發(fā)展的關注重點之一，致力于提高裝備品質，搶占市場前沿。 面對當下的產業(yè)狀況與市場模式，我國也認識到了數(shù)控機床產業(yè)的絕對地位和有力前景，在長期的發(fā)展與探索中，我國更是發(fā)現(xiàn)了國內產業(yè)中存在的問題，以及與其他發(fā)達國家的差距。因此 ，黨中央國務院領導層對此高度重視，并在“十二五”規(guī)劃中將振興裝備制造業(yè)作為推進工業(yè)結構優(yōu)化升級的主要內容，其中，數(shù)控機床的研究與探索成為舉足輕重的振興內容。此文即立足于數(shù)控機床領域，立足全局，就立式加工中心的現(xiàn)狀與發(fā)展做了深入的分析與研究；從一點出發(fā)，針對立式加工中心床身的結構及其相關的零部件進行了科學的、詳細的設計與優(yōu)化。 題研究的背景和意義 為了深入了解我國數(shù)控機床產業(yè)現(xiàn)狀，學習先進的數(shù)控機床設計方法和生產技術，本次課題研究特進入國內產業(yè)銷量多年屈居首位的沈陽機床廠，針對 的立式加工中心，在其設計、加工與裝配現(xiàn)場開展實地學習與研究。并結合該型號的具體加工需求與機能，參考其床身的結構設計，對立式加工中心的床身進行了結構設計的優(yōu)化，同時對與其相關的重要零部件，如電機、滾珠絲杠、導軌等，進行了系統(tǒng)的學習，并結合實際情況，完成了選型的計算與分析。 立式加工中心在具有普通數(shù)控機床的加工精度高、加工柔性好、生產效率高等優(yōu)點的同時，相較于傳統(tǒng)的數(shù)控機床，其還具備許多特色與優(yōu)勢，在原有的基礎上，結合市場需求進行了發(fā)展與優(yōu)化，首先其切削速度與進給速度均得到大幅提高，其次，其可在一次裝夾中連續(xù) 完成銑、鉆、擴、鉸、鏜、攻絲及二維三維曲面、斜面沈陽 工學院畢業(yè)設計說明書 2 的精確加工，且切削厚度基本保持不變，實現(xiàn)了加工的程序化，提高了加工的生產效率，更具經濟效益。最后，其加工的柔性也得到了提高，可加工多品種小批量、結構復雜、工序多、精度要求高的零件，由于切削速度的提高，其切削力可相應得到降低，尤其是徑向切削力，因此立式加工中心還特別有利于加工薄壁件等剛性差的零件。 沈陽機床廠的 行了自主研發(fā)創(chuàng)新的一款數(shù)控機床，其結構設計更為合理，機床的剛性、精度保持性和可靠性都得到了 不同程度的提高，市場需求量日益擴大。然而，實際生產加工的過程中，立式加工中心仍存在著許多的問題與不足有待解決與改善，比如在高速切削速度下，容易引起機床的振動、噪聲以及熱變形等典型問題。因此，合理優(yōu)化機械結構，加強整體配置，提高數(shù)控精度，改善立式加工性能是一項具有發(fā)展前景和重要意義的工作。本課題即立足于這一觀點，以立式加工中心的床身結構為重點，通過優(yōu)化其結構設計，綜合提高床身的剛度、精度、穩(wěn)定性、可靠性等。由于床身是立式加工中心非常重要的基礎支撐件，直接影響著機床整機的性能，因此，其對于立式加工中心的發(fā)展具有 十分重要的意義。 內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 總體來說，經歷了幾十年的學習發(fā)展與探索創(chuàng)新，我國的數(shù)控機床產業(yè)已經逐步向美、德、日等處于發(fā)展前沿的發(fā)達國家靠近，相對成熟的、面向市場的數(shù)控機床已達到 1500種，在五軸聯(lián)動數(shù)控機床、立式臥式加工中心、數(shù)控車床等制造裝備技術領域甚至已達到了世界先進水平，改變了長期被國際對手實行產業(yè)壟斷的不利局面。 如今，國內生產立式加工中心的企業(yè)逐漸增加，其中以沈陽機床集團、大連機床集團、濟南機床廠、南京機床廠為首，日益帶動了許多中小企業(yè)的建立與發(fā)展，活躍了國內機械裝備制造 產業(yè)，同時，這些企業(yè)也逐步從單純復制進口數(shù)控機床的結構、購買進口的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展為擁有自主知識產權、優(yōu)化裝備結構、創(chuàng)新生產技術的較為成熟的階段。其中，五軸聯(lián)動數(shù)控機床即具有我國數(shù)控機床技術的里程碑式的意義，它集計算機控制、高性能伺服驅動系統(tǒng)和精密加工技術與一身，應用于復雜曲面的高效、精密、自動化加工，是發(fā)電、船舶、航天航空、模具、高精密儀沈陽 工學院畢業(yè)設計說明書 3 器等民用工業(yè)和軍工部門迫切需要的關鍵加工設備。 縱向比較，雖然我國近 30年來確實取得了飛躍式的發(fā)展與提高，但橫向比較于世界工業(yè)發(fā)達國家，我們所生產的數(shù)控機床的各項性能仍處于世 界相對落后的地位，尤其是數(shù)控系統(tǒng)的控制可靠性方面，如今，我國 90%的數(shù)控系統(tǒng)仍需進口，還有很大的進步空間，急需早日建立我國自主的數(shù)控產業(yè)。在沈陽機床廠實際考察期間即體現(xiàn)出我國在數(shù)控機床產業(yè)中所面臨的核心技術缺乏問題，國內所生產的數(shù)控機床關鍵零部件和關鍵技術主要依賴進口，比如，在進行床身結構及其零部件的學習過程中發(fā)現(xiàn)，其導軌、滾珠絲杠、電機、軸承等重要的功能部件均來自進口。國產的功能部件存在很大的故障率，精度、壽命、可靠性方面與進口的功能部件存在明顯差距，這嚴重滯留了數(shù)控機床的發(fā)展進程。另外，我國雖然認識到了 在這一領域自主創(chuàng)新的重要性，然而，其自主創(chuàng)新的能力以及對于創(chuàng)新成果的市場轉化機制仍然十分欠缺與落后。創(chuàng)新是一項需要長足發(fā)展和長效機制的問題，其決定與技術人員和企業(yè)的素質，我國不可盲目追隨發(fā)達國家，而是要結合自身國情與市場需求，在穩(wěn)中求發(fā)展，重在提高創(chuàng)新能力，而非一味求效益，沒有長遠的發(fā)展策略。另外，我國還面臨著技術創(chuàng)新和成果轉化與市場脫節(jié)的問題，往往在取得了一項創(chuàng)新成果之后，沒有完善的市場安排和健全的成果轉化體系，也缺乏相應的規(guī)范和標準，使得制造工藝的發(fā)展舉步維艱。最后，我國還數(shù)控機床產業(yè)還嚴重缺乏質量保證 體系、質量反饋體系和服務體系，企業(yè)與用戶欠缺溝通與交流，沒有對于產品的追蹤調查，這也對于產品的優(yōu)化與改善造成了消極的影響。 相較于我國，國外的立式加工中心則處于領先的地位，仍然占據(jù)了相當大的市場，其數(shù)控機床具備 高精度、高速度和高可靠度，技術成熟且生產廠家眾多，其中比較著名的有德國 本 司、德國 司、日本通快公司、美國哈斯、美國 于數(shù)控機床關鍵零部件和關鍵技術，處于世界領先地位的廠家分別為：日本 國西門子，還有日本的三菱，其余還有法國的扭姆 和西班牙的凡高。 面對國際市場的發(fā)展與挑戰(zhàn)，我國立式加工中心產業(yè)具有如下的發(fā)展趨勢： 1、 智能、高速、高精度化： 未來的立式加工中心，將致力于提高生產效率，向超高速、超精密的方向發(fā)展，采用更加先進的功能部件，使主軸轉速達到 15000r/前立式加工中心的最高精度可達到亞微米級水平，未來所設定的目標為達到納米級水平。同時，研發(fā)沈陽 工學院畢業(yè)設計說明書 4 功能性更為強大的計算機軟件系統(tǒng)，從而更有利于數(shù)控機床結構的簡化，提高其智能化程度。 2、一體化與復合化 數(shù)控機床逐步向一體化發(fā)展，將加工與檢測相結合，從而提高加工與檢測的精度；將多軸加工一體化結合，從而滿足產品對于外觀曲線的更高要求。另外，由于立式加工中心已能實現(xiàn)工件一次裝夾而實現(xiàn)多種工序的負荷加工，而為了更大限度的縮短生產周期，滿足于對制造速度的要求，數(shù)控機床也將向高度復合化發(fā)展。 3、設計、加工綠色化 環(huán)保問題現(xiàn)已成為全球化的不可忽視的問題，數(shù)控機床產業(yè)作為裝備制造業(yè)的核心，必須符合環(huán)保需求，因此應該遵循綠色設計的原則，采用綠色環(huán)保材料，進行節(jié)能性的、可回收性的設計，使得資源利用率最高、對環(huán)境負面影響最小。 論文內容概要 本文主要結合沈陽機床廠立式加工中心 工與裝配的經驗，對立式加工機床床身的結構進行優(yōu)化設計，同時也對床身相關功能部件進行了選型的計算與分析，設計過程中除了查取了大量文獻資料作為理論支撐，還利用 具體內容如下： 第一章 緒論 說明了本次課題研究的背景與意義，同時介紹了當下的數(shù)控機床產業(yè)國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 第二章 床身的結構設計 對床身的結構進行了分析計算與優(yōu)化設計，主要包含床身材料的選擇，床身的時效處理，床身重要表面的設計，床身截面，即壁厚、肋板、方孔與圓孔的選擇， 以及床身 熱變形的分析與預防，最紅進行了結構方案的確定，并利用 證了設計的合理性。 第三章 床身功能部件的計算與選型 對與床身相關的各功能部件進行了選型所需的分析與計算，包含 珠絲杠、聯(lián)軸器與軸承，還有滾動直線導軌，最終確定了各功能部件的參數(shù)與型號。 沈陽 工學院畢業(yè)設計 4 2 床身結構設計 在切削時，刀具與工件之間相互作用力沿著部分支撐件傳遞并使之變形；機 床的動態(tài)力（如變動的切削力、往復運動件的慣性、旋轉件的不平等）使 支撐件和整機振動； 支撐件的熱變形將可能改變執(zhí) 行件的相對 位置或運動軌跡， 這些均將影響工件的加工精度和表面質量。故支撐件對于數(shù)控機床而言至關重要，床身作為數(shù)控機床中最為基礎的支撐件，它起到了支撐立柱、滑座、工作臺等重要零部件 的作用 ，主要承受機床的靜載荷以及在加工時產生的切削負載。床身的靜動態(tài)性能直接影響機床的加工精度和穩(wěn)定性 , 其結構及布局是否合理將直接影響機床的加工質量和生產率。 故對床身的基本要求 如下： （ 1） 具有足夠的剛度和較高的剛度質量比 （ 2） 具有較好的動態(tài)特性 （ 3） 使整機熱變形較小 （ 4） 可順利排屑、安全吊運，且有利于加工與裝配 。 身材料 立式加工中心床身結構復雜，一般采用鑄造。 灰鑄鐵材料 流動性好，體收縮和線收縮小， 易于鑄造， 獲得形狀復雜的鑄件。其 可加工性好、制造成本低， 易于大量生產， 并具有良好的耐磨性和減振性 ， 鑄鐵的內摩擦大，阻尼作用強，故動態(tài)剛性好， 是傳統(tǒng)的床身結構材料。 本設計中床身材料采用 屬于較高強度的鑄鐵，耐磨性、耐熱性均較好，鑄造性能好，需進行人工時效處理，用于承受較大應力（彎曲應力 <,摩擦面間壓強 大于 需 表面淬火的鑄件，以及要求保持氣密性的鑄件，如氣缸、齒輪、機座、金屬切 削機床床身及床面。 身 時 效處理 床身結構在加工完成后需進行時效處理，其目的是在不降低鑄鐵力學性能的前沈陽 工學院畢業(yè)設計 5 提下，使鑄鐵的內應力和機加工切削應力得到消除或穩(wěn)定，以減少長期使用中的變形，保證幾何精度。 為了降低生產周期，提高效率，節(jié)省能源，本設計中采用機械振動法進行時效處理。 身結構設計 床身主要承受 主軸箱、立柱、滑座、工作臺的重力，同時，由于主軸箱與刀庫固定在立柱不同的側面上， 因此 床身 承受不同方向的彎矩與扭矩 ，以及 由 主軸軸線折算到床身上的切削載荷。 因此， 為提高床身結構的剛度，需要考慮彎曲剛度 與扭轉剛度的影響。 身重要表面設計 如前文所述，床身是機床組成部件中重要的支撐構件，其上需要連接立柱、滑座和 保證各部件 有效發(fā)揮其工作機能， 互不干涉，有效配合，以滿足機床工作要求，需要對床身表面進行優(yōu)化設計，參照現(xiàn)有的立式加工中心床身上表面設計， 結合本次床身結構設計要求， 身截面形狀設計 在彎、扭載荷作用下 ，床身的變形與截面的慣性矩和極慣性矩有 關。材料和截面積相同而形狀不同時，截面慣性矩相差很大 。 （ 1）截面積相同時空心截面的剛度大于實心截面，僅此床身采用空心截面 。同時，加大外輪廓尺寸，在工藝允許的條件下盡可能減小壁厚，也可大大提高截面的抗彎和抗扭剛度。 （ 2）方形截面的抗彎剛度高于圓形截面，方形截面的抗扭剛度則較低。由于床身既承受彎矩也承受扭矩，且以彎矩為主，則應采用方形或矩形截面。 （ 3）應盡量將截面設計為封閉式結構，因為開放式的截面，其抗扭剛度相較于封閉式的下降很多，因此，在本設計中，將床身 的截面設計為封閉的箱體。 結合立式加工中心 850保證床身具有良好的靜剛度和動態(tài)特性，滿足床身性能要求，還需對床身截面結構進行更為細致的分析與設計。 厚的確定 : 依據(jù)不同的鑄造方法，鑄件所允許的最小壁厚也 不同。最小壁厚的確定與鑄件表面積、鑄造方法及鑄造材料有關， 在 《機械加工工藝手冊》中節(jié)選 各種鑄造方沈陽 工學院畢業(yè)設計 6 法的鑄件最小壁厚 依據(jù)上文初步確定的床身結構， 查表即可知，鑄件最小壁厚應為7 鑄件的壁厚取決去其強度、剛度、材料、鑄件尺寸 、質量和工藝等因素。如上所述，床身為鑄鐵材料，采用砂型鑄造工藝，其壁厚可利用當量尺寸 左面表格為在《機械設計手冊 機架、箱體及導軌》中節(jié)選“表 鐵機架的壁厚”所得，其中推薦的是鑄件最薄 部分的壁厚，支撐面、凸臺等應根據(jù)強度、剛度及結構上的需要適當加厚，且壁厚應盡量均勻。 已知本設計中床身的尺寸參數(shù)為： L = 1905 B = 1660 H = 433 2 2 1 . 9 1 1 . 6 6 0 . 4 3 1 . 9 733L B ? ? ? ?? ? ?≈ 2 查表可知，外壁厚最小取 16壁厚最小取 12設計中取外壁厚為 20 強肋的設計 床身作為立式加工中心的支撐部件，其上承載著立柱、滑座、工作臺等重要部件的重力，同時在加工工 件的過程中，還需要承受切削載荷，由于主軸系統(tǒng)和盤式刀庫的 作用，床身上還作用著不同方向的彎矩與扭矩 ， 使其 在導軌 Y、 生 變形，從而影響加工精度。因此，需要設置合理的加強肋結構，提高床身結構剛性。 加強肋的作用如下： （ 1）可以提高床身的強度、剛度，減輕床身的質量。 （ 2）可以減少床身截面的畸變，在大面積的薄壁上布肋可以減少局部變形，并防止床身變形，降低噪音。 （ 3） 肋可使床身鑄件壁厚均勻，防止金屬堆積而產生縮孔、裂紋等缺陷；作為補縮通道，擴大冒口的補縮范圍；改善鑄型的充滿性，防止出現(xiàn)夾沙等缺陷。 （ 4） 散熱，切削過程中， 壓系統(tǒng)和機械摩擦都會產 生熱量，加強肋的設置有助于幫助散熱，降低床身熱變形。 加肋后 可以把載荷傳遞到下壁，并把上壁的彎曲變形轉化為肋板的壓縮和拉伸變形，因而有效的減少了上壁的彎曲變形。 加強肋的布置 實際上就是橫向肋、縱向肋和對角肋的組合?？v向肋主要是提高抗彎剛度，橫向肋主要是提高抗扭剛度，而對角肋兼具提高抗彎剛度和抗扭剛度的作用。 （ 1） 相對于高度方向的尺寸而言，床身上表面的尺寸很大，因此，為了保證床身的整體剛度，需要重點加強床身上表面的支撐肋板的靜剛度和動剛度。 （ 2）由于沈陽 工學院畢業(yè)設計 7 式加工中床身的上表面采用傾斜結構，目的是為了方便排屑，而 造成 導軌 所在的位置使 其成為懸空的結構，作為主要的受力面，需要通過設置加強肋以保證其剛度。 （ 3）由于床身采用鑄件，在鑄造工藝中需要設置許多拔摸孔等開放式結構，故床身結構設計中還需考慮其不封閉性。 （ 4）局部增設加強肋，以提高支撐件的支撐剛度。 由于床身上表面相對于箱體面較大，使得大于箱體面的凸緣部分局部剛度較差，為提高床身支撐剛度，在凸緣處設置了加強肋。 具體箱體加強肋的布置方式如圖 圖 身截面結構 圖 床 身箱體剖視圖 壁孔的設計 出于床身自身結構與加工工藝的要求，為減輕床身的質量，節(jié)省材料，同時滿足鑄造工藝與結構性能，床身的壁板和加強肋上需要設置孔結構。 這些孔的形狀、大小和位置對床身的剛度均有一定影響， 在受載壁板中，孔的邊緣會出現(xiàn)一個高應力區(qū) ， 特別是在轉矩作用下，對剛度的影響更為明顯。 在鑄造工藝上，為了制造方便，對于鑄件的最小孔徑進行了限定。由于 本設計采用的是砂型鑄造、成批生產，故孔徑要大于 30與此同時，隨著孔徑的增大，沈陽 工學院畢業(yè)設計 8 剛度持續(xù)下降，當 d/h＞ 度削弱尤其顯著，盡量使其值小 于 下圖所示， 且應盡量使孔布置在板壁的中線上，同樣有利于提高床身剛度。 為使身箱體開孔對床身剛度影響盡量降低，應使箱體開孔的面積小于板壁面積的 10%。 當孔面積大于 10%時，隨著孔面積加大，剛度急劇下降。 因此，設計床身板壁開孔方式如下圖所示， 兩側壁上開 5個直徑為 80后壁上分別開 5 個方孔，且厚壁的方孔均小于前壁，因此保證前壁的設計滿足要求即可。 圖 身板壁開孔示意圖 首先驗證 d/h 值： 側壁： d = 80h = 352 d/h = 8052 壁： d = 105mm,h = 352 d/h =10552 證孔面積： 側壁： 2 2 2= r 3 . 1 4 4 0 5 0 2 4S m m? ? ? ?孔， 2= h 3 5 2 1 4 5 5 5 1 2 4 6 0S b m m? ? ?壁 故 5 5 0 2 45 / = = 0 . 0 5 = 5 %512460孔 壁小于 10%，滿足要求。 前壁： 2= 3 6 0 1 0 5 2 5 0 1 0 5 = 2 9 4 0 0 m ? ? ? ?孔21 0 6 0 3 5 2 = 3 7 3 1 2 0 m ?壁故 29400/ = 0 . 0 8 = 8 %373120孔 壁小于 10%，滿足要求。 身連接結構設計 床身與立柱、電機座、軸承座，包括床身與地基的固定連接，主要是用凸緣和螺釘連接。連接結構的主要形式有：爪座式、翻邊式和壁龕式。床身連接處 的 剛度對于機床整體 的工作性能具有重要影響，故為保證機床機能，必須保證連接處的剛度，影響連接剛度的因素如下： 沈陽 工學院畢業(yè)設計 9 (1)預壓力的大小。 (2)參與力傳遞的接觸面的大小。傳力接觸面越大，接觸變形就越小，接觸剛度就越高。 (3)床身自身剛度的大小，在集中載荷的作用下，床身的自身 剛度與局部剛度較高時，接觸壓強的分布就比較均勻，反之，若床身剛度不足，接觸壓強的分布不均勻，接觸變形也將不均，使接觸剛度降低。 故為保證床身連接剛度，對于床身連接結構進行如下設計： （ 1） 使螺栓位置盡量靠近壁板。 因為螺栓中心線與板壁的偏心距 栓越靠近壁板，彎曲變形就越小。 因此 為了提高接觸處的剛度， 床身與電機座、床身與 立柱 連接固定處的螺栓位置均根據(jù) 這一原則，盡量靠近了立柱與電機座的壁板，并依此確定了螺栓孔在床身重要接觸面上的位置。 （ 2）合理提高接觸表面的平面度公差等級，改善其表面 粗糙度 。床身上的重要表面包括床身與立柱接合面，床身與電機座、軸承座接合面，導軌面，這些接觸表面的平面度均要求達到 面粗糙度要求 小于等于 時這些表面需要在裝配過程中進行配磨與刮研，提高其幾何精度與接觸精度，使表面更加平整。 （ 3） 螺栓均對稱、均布排列，從而提高其接觸剛度。 圖 身與立柱連接結構 身與地基連接結構 本設計中，床身與立柱，床身與地基的連接與固定的結構形式均采用壁龕式，如上圖所示，采用壁龕式的原因為，其局部剛 度比爪座式大 3倍，以上。適用于床身這種載荷較大的支撐件與地基、立柱的連接，并且壁龕連接還有效的節(jié)省了占地的面積。 試驗表明，螺釘?shù)念A緊力使接觸平面具有 2通常 接合面的剛度可較好的得以保證。鑄鐵的接觸變形可用如下經驗公式進行計算： f = 中： f – 接觸變形（ μm） p – 接合面之間的平均壓強（ 沈陽 工學院畢業(yè)設計 10 c – 接合面表面粗糙度因素值 在《實用機床設計手冊》中查“表 10合面表面粗糙 度因素值 c” 可得 精 刮工藝下， 取 f = 2 = 1μm 可知，接觸變形很小，滿足床身接觸精度要求。 身熱變形 機床在切削過程中會產生大量的熱，這些熱量分別來自電動機、液壓系統(tǒng)和機械摩擦。熱量傳導給床身即引起床身溫度變化，改變了床身與機床其他執(zhí)行機構的相對位置，從而降低了機床的加工精度。 對于本床身來說，床身上的導軌在工作臺與滑座高速運動的摩擦下，上表面的溫度將高于下表面，引起導軌中凸，同時熱量傳遞給 床身導軌面，引起導軌面熱變形，使得床身與導軌接觸面接觸剛度下降，影響導軌平行度、直線度，進而影響機床傳動精度和加工精度。 床身上連接的控制 吸收熱量產生熱變形，由于其兩端受到軸承固定的限制，不能自由膨脹變形，則產生了熱應力，使?jié)L珠絲杠彎曲變形，或使軸承內產生軸向附加載荷，這個載荷又將是軸承進一步發(fā)熱，從而嚴重損壞了滾珠絲杠與軸承。 由此可見，必須采取有效措施減少床身的熱變形，主要從如下幾個方面入手： （ 1） 床身設置傾斜表面，可以有效進行排屑、排油，達到隔離熱源的目的。由于切屑、潤滑 油、液壓油和切削液都是主要的熱源，如果滯留在床身中將使床身產生較大的溫升和變形。因此利用此設計將這些熱源排出床身以外，單獨設立排屑裝置、油箱，或是在熱源外設置隔離罩，以減少熱傳導。 （ 2）將床身結構設計為熱對稱結構。主要發(fā)熱部件，如導軌、電 動 機均 是處在床身對稱位置，床身自身的結構也設計為左右對稱的結構，這樣熱變形后可盡量不改變零部件的相對位置，從而減少熱變形對工作精度的影響。 沈陽 工學院畢業(yè)設計 11 身結構確定方案 身最終結構圖 上圖所示即為 床 身最終確定的結構方案， 其融合了前文對床身重要表面、床身截面、床身連接結構和熱變形的所有分析與設計，參考了同類型的機床，結合了所設計機床型號 結構與尺寸要求，最終確立結構如上圖，此結構滿足對于機 床床身的基本要求。 沈陽 工學院畢業(yè)設計說明書 12 3 床身零部件 的計算與選型 立式加工中心伺服進給系統(tǒng)是 直接控制機械位移，實現(xiàn)機床的進給運動和輔助運動的自動控制系統(tǒng) 。 它通常由 伺服驅動單元、伺服電動機、機械傳動裝置、執(zhí)行元件和位置檢測反饋單元 組成 。 從位置控制的角度看，伺服系統(tǒng)有開環(huán) 、 閉環(huán)和半閉環(huán)之分 。 數(shù)控機床對 伺服進給系統(tǒng)的設計基本要求如下： （ 1） 穩(wěn)定性。在系統(tǒng)的啟動狀態(tài)或在外界干擾作用下，經過鍛短暫的調整過程后，應可以迅速地穩(wěn)定在新的或原有平衡狀態(tài)下。 （ 2） 精度高。 實現(xiàn)準確的位置檢測。 （ 3） 快速響應。系統(tǒng)的響應時間要盡量短，傳動裝置的加速能力要強。 式加工中心進給伺服系統(tǒng)采用半閉環(huán)方式，反饋信號是由安裝在伺服電機上的脈沖編碼器反饋到位置偏差檢測器 。 脈沖編碼器與電機同軸，電機與絲杠直接相連，其特點是結構簡單，產生誤差的環(huán)節(jié)少，轉動慣量減少，使伺服特性有較大改善 。 方向滾珠絲杠副的 選擇 由于 本機床 程為 L=560于 2m,根據(jù)上表查得， 采用 絲杠螺母傳動（絲杠旋轉、螺母轉動） 作為執(zhí)行機構。其次，在絲杠螺母傳動機構中， 由于 滾珠絲杠滑動 相對于滑動絲杠傳動 更適合應用于精密、高效的立式加工中心，故本設計采用滾珠絲杠副，其具體優(yōu)勢如下 ： （ 1） 傳動效率高，可達滑動熱杠傳動的 2～ 4倍。 （ 2） 運動平穩(wěn)，摩擦力小，靈敏度高，低速無爬行。 （ 3） 可預緊、消除絲杠副間隙，提高軸向接觸剛度。 （ 4） 定位精度、重復精度高。 （ 5） 使用壽命長，是普通滑動絲杠的 4～ 10倍甚至更高 。 （ 6） 使用可靠，潤滑簡單，維修方便。 （ 7） 不自鎖，可逆向轉動，將旋轉運動轉化為直線運動。 在 確定滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)時，需要根據(jù)機床的使用要求全面考慮。 絲沈陽 工學院畢業(yè)設計說明書 13 杠副的公稱直徑、基本導程、預緊力、負載滾珠的有效圈數(shù)與絲杠的壽命、位移精度、剛度、驅動力矩等有密切關系。 在計算滾珠絲杠副尺寸之 前，必須先確定 對 一立 式加工中心型號，其具體的技術參數(shù)如 （ 1） 工作載荷： 工作臺重量1W： 座重量2W： 方向進給系統(tǒng)重量3W： 軌重量4W： 作臺允許最大載荷5W： 600880N （ 2） 32m/ 3） 560 4） 定位精度：± 00 5） 重復定位精度：± 于立式加工中心 有精確位移要求的定位，故需要選擇 P 類滾珠絲杠副。 速力的求解如下： 已知，加速時間 t = 32m/ 533 /則：加速度 a = （ 237+00）3 6932N 加速力的進給速度為 22=16m/ 初步計算絲杠導程 hP≥i 式中：杠導程。 （ 杠副 (m/沈陽 工學院畢業(yè)設計說明書 14 i - 傳動比。由于 i = 1。 - (r/已知： 32m/方向驅動電機為 2/2000 型號，其最大轉速為 2000r/ 故hP≥i 32/2000 = 16杠導程應不小于 16據(jù) 確定絲杠導程為 16 珠絲杠副 當量 載荷 與當量轉速 計算 由于立式加工中心在工作過程中載荷是隨時間變化的，而且不同載荷情況下，其對應的轉速也不同。為了方便分析與計算， 求解滾珠絲杠副的載荷與轉速當量值如下： 3 3 3 31 1 1 2 2 2 3 3 331 1 2 2 3 3n n n t F n t F n t F n t n t n t n t? ? ??? ? ? 1 1 2 2 3 31 2 3t n t n t n tn t t t t? ? ?? ? ? ?式中：1F、2F、 ? - 軸向變載荷（ N） 1n、2n、? - 對應1F、2F、 ?的轉速（ r/ 1t、2t、? - 對應1F、2F、 ?的時間（ h） 為求解要先求解軸向變載荷1F、2F、 ?與對應轉速1n、2n、?的數(shù)值。具體計算過程如下。 首先， 滾珠絲杠副 軸向變載荷 是指在立式加工中心工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向作用力，其數(shù)值可用下面 進給作用力的實驗公式計算： 對于 線性 滾 動 導軌機床： yi F?? 式中：方向的最大切削分力。（ N） 軌摩擦阻力。（ N） 1 2 3 4 5()f z W W W W F?? ? ? ? ? ? 沈陽 工學院畢業(yè)設計說明書 15 式中：1作臺的重量 。 (N) 2座的重量。 (N) 3 方向伺服進給系統(tǒng)的重量（包括電動機、滾珠絲杠副、軸承座 、軸承 ） 。 (N) 4軌的重量。 (N) 5W - 工作臺允許最大載荷。 (N) 方向上的切削分力。（ N） ? - 摩擦系數(shù)，對于線性 滾 動導軌來說， ? =上述公式可知，為了便于分析，實際計算中需要將切削力合力分解 ，即將切削力分為切削力切向切削力、背向力向切削力、進給力向切削力其中，切向切削力消耗伺服進給系統(tǒng)驅動電動機功率最多，其值最大，根據(jù)經驗公式： （ 0.6）222x y F F? ? ? F （ F F 為了保證所選擇滾珠絲杠副在本立式加工中心各種工況下均能安全、有效的工作， 故選擇針對切削力最大的情況進行分析計算。由于前文所述，切向切削力只需考慮其作用在 取最大值 由上述公式可知，軸向切削力盡量令陽 工學院畢業(yè)設計說明書 16 故： 21 0 ≈ 最終確定取 至此，即可確定立式加工中心 不同切削狀況下相對于 垂向切削力 具體數(shù)值見下表。 已知各切削狀況下軸向切削力與垂向切削力，即可求得各切削狀況下的軸向變載荷，具體計算過程如下： 1 2 3 4 5()y i f y i z F F W W W W W F?? ? ? ? ? ? ? ? ? 其中 1 2 3 4 5W W W W W? ? ? ?= 12746N 故1 1 1 F??= 3880+(12746+960)= 2 2 F??= 2910+(12746+720)= 3 3 F??= 1940+(12746+480)= 4 4 F??= 12746= 5 5 F??= 6932+12746=求解當量載荷與當量轉速，還需先求解各切削狀況下的轉速值1n、2n、? 因為i? 已知6mm,i =1, 故解得轉速值如 右 表所示： 至此，即可求得當量 轉速 1 1 2 2 3 31 2 3t n t n t n tn t t t t? ? ?? ? ? ? 351 2 41 2 3 4 51 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0t tn n n n n? ? ? ? ? = 625 3 10%+ 40%+1253 %+20003 20%+10003 1% =陽 工學院畢業(yè)設計說明書 17 當量載荷 ： 3 3 3 31 1 1 2 2 2 3 3 331 1 2 2 3 3n n n t F n t F n t F n t n t n t n t? ? ??? ? ?3 3 3 3 3351 2 41 1 2 2 3 3 4 4 5 53 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0t tF n F n F n F n F ? ? ??3 3 3 3 331 0 4 0 2 9 2 0 13 9 3 4 . 8 2 6 2 5 2 9 6 3 . 8 6 1 5 6 2 . 5 1 9 9 2 . 9 0 1 2 5 5 0 . 9 8 2 0 0 0 6 9 8 2 . 9 8 1 0 0 01 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 01 1 3 3 . 7 5?