立式加工中心床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【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(yīng) 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(chǔ)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(jī)床的靜載荷以及在加工時(shí)產(chǎn)生的切削負(fù)載。床身的靜動態(tài)性能直接影響機(jī)床的加工精度和穩(wěn)定性 ,因此， 床身結(jié)構(gòu)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(jié)合 沈陽機(jī)床廠 能特點(diǎn)與相關(guān)參數(shù) ，對立式加工中心床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了科學(xué)系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容如下： （ 1） 借鑒于同類型的床身結(jié)構(gòu)，根據(jù) 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了床身上表面布局，通過查閱《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 》 等參考書，科學(xué)的設(shè)計(jì)了床身的截面形狀，包括壁厚的選定以及加強(qiáng)肋、方孔、圓孔的合理布置。同時(shí)對床身進(jìn)行了受力分析并利用 （ 2） 針對與床身相關(guān)的重要零部件，包括 Y 方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、軸承、聯(lián)軸器，進(jìn)行了分析與計(jì)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(guān)鍵詞 ： 立式加工中心；床身 ； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ；選型計(jì)算； 有限元分析；精度設(shè)計(jì) 沈陽 工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 錄 1 機(jī)床設(shè)計(jì)現(xiàn)狀 ......................................................................................................... 1 題研究的背景和 意義 ................................................................................ 1 內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 ........................................................................ 2 論文內(nèi)容概要 ............................................................................................ 4 2 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 4 身材料 ........................................................................................................ 4 身時(shí)效處理 ................................................................................................ 4 身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ................................................................................................ 5 身重要表面設(shè)計(jì) .............................................................................. 5 身截面形狀設(shè)計(jì) .............................................................................. 5 身熱變形 .......................................................................................... 10 身結(jié)構(gòu)確定方案 .............................................................................. 11 3 床身零部件的計(jì)算與選型 ................................................................................... 12 方向滾珠絲杠副的選擇 ........................................................................... 12 步計(jì)算絲杠導(dǎo)程 ........................................................................... 13 珠絲杠副當(dāng)量載荷與當(dāng)量轉(zhuǎn)速計(jì)算 ........................................... 14 算預(yù)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(yù)緊力............................................................ 20 珠絲杠副剩余結(jié)構(gòu)尺寸確定 ....................................................... 20 服電機(jī)的選擇 .......................................................................................... 21 沈陽 工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 ........................................................................ 21 量匹配計(jì)算 ................................................................................... 22 載啟動時(shí)最大加速力矩 算： ............................................ 24 速空載啟動時(shí)所需最大啟動力矩................................... 24 動機(jī)連續(xù)勻速工作時(shí)的最大力矩........................................ 25 動機(jī)輸出端軸的直徑計(jì)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(jì)算 ....................................................................... 27 柱滾子軸承的選型計(jì)算 ............................................................... 29 結(jié) 論 ........................................................................................................................... 31 致 謝 ........................................................................................................................... 33 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................... 34 沈陽 工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 1 機(jī)床設(shè)計(jì)現(xiàn)狀 隨著機(jī)械制造業(yè)的飛速發(fā)展與競爭 市場需求的不斷擴(kuò)大，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)張，同時(shí)，為了應(yīng)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(jī)床產(chǎn)業(yè)的水平也在飛速進(jìn)步，不斷向高速化、復(fù)合化、高精度化、智能化轉(zhuǎn)變。如今，為了提高自身經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，應(yīng)對激烈的國際競爭，各工業(yè)強(qiáng)國均認(rèn)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(guān)注重點(diǎn)之一，致力于提高裝備品質(zhì)，搶占市場前沿。 面對當(dāng)下的產(chǎn)業(yè)狀況與市場模式，我國也認(rèn)識到了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)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(nèi)產(chǎn)業(yè)中存在的問題，以及與其他發(fā)達(dá)國家的差距。因此 ，黨中央國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)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(jìn)工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級的主要內(nèi)容，其中，數(shù)控機(jī)床的研究與探索成為舉足輕重的振興內(nèi)容。此文即立足于數(shù)控機(jī)床領(lǐng)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(diǎn)出發(fā)，針對立式加工中心床身的結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的零部件進(jìn)行了科學(xué)的、詳細(xì)的設(shè)計(jì)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(jī)床產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，學(xué)習(xí)先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)技術(shù)，本次課題研究特進(jìn)入國內(nèi)產(chǎn)業(yè)銷量多年屈居首位的沈陽機(jī)床廠，針對 的立式加工中心，在其設(shè)計(jì)、加工與裝配現(xiàn)場開展實(shí)地學(xué)習(xí)與研究。并結(jié)合該型號的具體加工需求與機(jī)能，參考其床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對立式加工中心的床身進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，同時(shí)對與其相關(guān)的重要零部件，如電機(jī)、滾珠絲杠、導(dǎo)軌等，進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，并結(jié)合實(shí)際情況，完成了選型的計(jì)算與分析。 立式加工中心在具有普通數(shù)控機(jī)床的加工精度高、加工柔性好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，相較于傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，其還具備許多特色與優(yōu)勢，在原有的基礎(chǔ)上，結(jié)合市場需求進(jìn)行了發(fā)展與優(yōu)化，首先其切削速度與進(jìn)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(kuò)、鉸、鏜、攻絲及二維三維曲面、斜面沈陽 工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 的精確加工，且切削厚度基本保持不變，實(shí)現(xiàn)了加工的程序化，提高了加工的生產(chǎn)效率，更具經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)復(fù)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(yīng)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(jī)床廠的 行了自主研發(fā)創(chuàng)新的一款數(shù)控機(jī)床，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理，機(jī)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(kuò)大。然而，實(shí)際生產(chǎn)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(jī)床的振動、噪聲以及熱變形等典型問題。因此，合理優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)整體配置，提高數(shù)控精度，改善立式加工性能是一項(xiàng)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(diǎn)，以立式加工中心的床身結(jié)構(gòu)為重點(diǎn)，通過優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(chǔ)支撐件，直接影響著機(jī)床整機(jī)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(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 總體來說，經(jīng)歷了幾十年的學(xué)習(xí)發(fā)展與探索創(chuàng)新，我國的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐步向美、德、日等處于發(fā)展前沿的發(fā)達(dá)國家靠近，相對成熟的、面向市場的數(shù)控機(jī)床已達(dá)到 1500種，在五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床、立式臥式加工中心、數(shù)控車床等制造裝備技術(shù)領(lǐng)域甚至已達(dá)到了世界先進(jìn)水平，改變了長期被國際對手實(shí)行產(chǎn)業(yè)壟斷的不利局面。 如今，國內(nèi)生產(chǎn)立式加工中心的企業(yè)逐漸增加，其中以沈陽機(jī)床集團(tuán)、大連機(jī)床集團(tuán)、濟(jì)南機(jī)床廠、南京機(jī)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(nèi)機(jī)械裝備制造 產(chǎn)業(yè)，同時(shí)，這些企業(yè)也逐步從單純復(fù)制進(jìn)口數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、購買進(jìn)口的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展為擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、優(yōu)化裝備結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新生產(chǎn)技術(shù)的較為成熟的階段。其中，五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床即具有我國數(shù)控機(jī)床技術(shù)的里程碑式的意義，它集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動系統(tǒng)和精密加工技術(shù)與一身，應(yīng)用于復(fù)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 器等民用工業(yè)和軍工部門迫切需要的關(guān)鍵加工設(shè)備。 縱向比較，雖然我國近 30年來確實(shí)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(dá)國家，我們所生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)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(jìn)口，還有很大的進(jìn)步空間，急需早日建立我國自主的數(shù)控產(chǎn)業(yè)。在沈陽機(jī)床廠實(shí)際考察期間即體現(xiàn)出我國在數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)中所面臨的核心技術(shù)缺乏問題，國內(nèi)所生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零部件和關(guān)鍵技術(shù)主要依賴進(jìn)口，比如，在進(jìn)行床身結(jié)構(gòu)及其零部件的學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)，其導(dǎo)軌、滾珠絲杠、電機(jī)、軸承等重要的功能部件均來自進(jìn)口。國產(chǎn)的功能部件存在很大的故障率，精度、壽命、可靠性方面與進(jìn)口的功能部件存在明顯差距，這嚴(yán)重滯留了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展進(jìn)程。另外，我國雖然認(rèn)識到了 在這一領(lǐng)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(zhuǎn)化機(jī)制仍然十分欠缺與落后。創(chuàng)新是一項(xiàng)需要長足發(fā)展和長效機(jī)制的問題，其決定與技術(shù)人員和企業(yè)的素質(zhì)，我國不可盲目追隨發(fā)達(dá)國家，而是要結(jié)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(yuǎn)的發(fā)展策略。另外，我國還面臨著技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化與市場脫節(jié)的問題，往往在取得了一項(xiàng)創(chuàng)新成果之后，沒有完善的市場安排和健全的成果轉(zhuǎn)化體系，也缺乏相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，使得制造工藝的發(fā)展舉步維艱。最后，我國還數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)還嚴(yán)重缺乏質(zhì)量保證 體系、質(zhì)量反饋體系和服務(wù)體系，企業(yè)與用戶欠缺溝通與交流，沒有對于產(chǎn)品的追蹤調(diào)查，這也對于產(chǎn)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(lǐng)先的地位，仍然占據(jù)了相當(dāng)大的市場，其數(shù)控機(jī)床具備 高精度、高速度和高可靠度，技術(shù)成熟且生產(chǎn)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(jī)床關(guān)鍵零部件和關(guān)鍵技術(shù)，處于世界領(lǐng)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(chǎn)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(chǎn)效率，向超高速、超精密的方向發(fā)展，采用更加先進(jìn)的功能部件，使主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到 15000r/前立式加工中心的最高精度可達(dá)到亞微米級水平，未來所設(shè)定的目標(biāo)為達(dá)到納米級水平。同時(shí)，研發(fā)沈陽 工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 功能性更為強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，從而更有利于數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的簡化，提高其智能化程度。 2、一體化與復(fù)合化 數(shù)控機(jī)床逐步向一體化發(fā)展，將加工與檢測相結(jié)合，從而提高加工與檢測的精度；將多軸加工一體化結(jié)合，從而滿足產(chǎn)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(shí)現(xiàn)工件一次裝夾而實(shí)現(xiàn)多種工序的負(fù)荷加工，而為了更大限度的縮短生產(chǎn)周期，滿足于對制造速度的要求，數(shù)控機(jī)床也將向高度復(fù)合化發(fā)展。 3、設(shè)計(jì)、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(jī)床產(chǎn)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(yīng)該遵循綠色設(shè)計(jì)的原則，采用綠色環(huán)保材料，進(jìn)行節(jié)能性的、可回收性的設(shè)計(jì)，使得資源利用率最高、對環(huán)境負(fù)面影響最小。 論文內(nèi)容概要 本文主要結(jié)合沈陽機(jī)床廠立式加工中心 工與裝配的經(jīng)驗(yàn)，對立式加工機(jī)床床身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)也對床身相關(guān)功能部件進(jìn)行了選型的計(jì)算與分析，設(shè)計(jì)過程中除了查取了大量文獻(xiàn)資料作為理論支撐，還利用 具體內(nèi)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(shí)介紹了當(dāng)下的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 第二章 床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 對床身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包含床身材料的選擇，床身的時(shí)效處理，床身重要表面的設(shè)計(jì)，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(yù)防，最紅進(jìn)行了結(jié)構(gòu)方案的確定，并利用 證了設(shè)計(jì)的合理性。 第三章 床身功能部件的計(jì)算與選型 對與床身相關(guān)的各功能部件進(jìn)行了選型所需的分析與計(jì)算，包含 珠絲杠、聯(lián)軸器與軸承，還有滾動直線導(dǎo)軌，最終確定了各功能部件的參數(shù)與型號。 沈陽 工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 2 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在切削時(shí)，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(jī) 床的動態(tài)力（如變動的切削力、往復(fù)運(yùn)動件的慣性、旋轉(zhuǎn)件的不平等）使 支撐件和整機(jī)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(yùn)動軌跡， 這些均將影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。故支撐件對于數(shù)控機(jī)床而言至關(guān)重要，床身作為數(shù)控機(jī)床中最為基礎(chǔ)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(jī)床的靜載荷以及在加工時(shí)產(chǎn)生的切削負(fù)載。床身的靜動態(tài)性能直接影響機(jī)床的加工精度和穩(wěn)定性 , 其結(jié)構(gòu)及布局是否合理將直接影響機(jī)床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)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(zhì)量比 （ 2） 具有較好的動態(tài)特性 （ 3） 使整機(jī)熱變形較小 （ 4） 可順利排屑、安全吊運(yùn)，且有利于加工與裝配 。 身材料 立式加工中心床身結(jié)構(gòu)復(fù)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(fù)雜的鑄件。其 可加工性好、制造成本低， 易于大量生產(chǎn)， 并具有良好的耐磨性和減振性 ， 鑄鐵的內(nèi)摩擦大，阻尼作用強(qiáng)，故動態(tài)剛性好， 是傳統(tǒng)的床身結(jié)構(gòu)材料。 本設(shè)計(jì)中床身材料采用 屬于較高強(qiáng)度的鑄鐵，耐磨性、耐熱性均較好，鑄造性能好，需進(jìn)行人工時(shí)效處理，用于承受較大應(yīng)力（彎曲應(yīng)力 <,摩擦面間壓強(qiáng) 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(jī)座、金屬切 削機(jī)床床身及床面。 身 時(shí) 效處理 床身結(jié)構(gòu)在加工完成后需進(jìn)行時(shí)效處理，其目的是在不降低鑄鐵力學(xué)性能的前沈陽 工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 提下，使鑄鐵的內(nèi)應(yīng)力和機(jī)加工切削應(yīng)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(chǎn)周期，提高效率，節(jié)省能源，本設(shè)計(jì)中采用機(jī)械振動法進(jìn)行時(shí)效處理。 身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 床身主要承受 主軸箱、立柱、滑座、工作臺的重力，同時(shí)，由于主軸箱與刀庫固定在立柱不同的側(cè)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(jié)構(gòu)的剛度，需要考慮彎曲剛度 與扭轉(zhuǎn)剛度的影響。 身重要表面設(shè)計(jì) 如前文所述，床身是機(jī)床組成部件中重要的支撐構(gòu)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(jī)能， 互不干涉，有效配合，以滿足機(jī)床工作要求，需要對床身表面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，參照現(xiàn)有的立式加工中心床身上表面設(shè)計(jì)， 結(jié)合本次床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求， 身截面形狀設(shè)計(jì) 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(guān)。材料和截面積相同而形狀不同時(shí)，截面慣性矩相差很大 。 （ 1）截面積相同時(shí)空心截面的剛度大于實(shí)心截面，僅此床身采用空心截面 。同時(shí)，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(yīng)采用方形或矩形截面。 （ 3）應(yīng)盡量將截面設(shè)計(jì)為封閉式結(jié)構(gòu)，因?yàn)殚_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(shè)計(jì)中，將床身 的截面設(shè)計(jì)為封閉的箱體。 結(jié)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(jié)構(gòu)進(jìn)行更為細(xì)致的分析與設(shè)計(jì)。 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(guān)， 在 《機(jī)械加工工藝手冊》中節(jié)選 各種鑄造方沈陽 工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 法的鑄件最小壁厚 依據(jù)上文初步確定的床身結(jié)構(gòu)， 查表即可知，鑄件最小壁厚應(yīng)為7 鑄件的壁厚取決去其強(qiáng)度、剛度、材料、鑄件尺寸 、質(zhì)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(dāng)量尺寸 左面表格為在《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 機(jī)架、箱體及導(dǎo)軌》中節(jié)選“表 鐵機(jī)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(yīng)根據(jù)強(qiáng)度、剛度及結(jié)構(gòu)上的需要適當(dāng)加厚，且壁厚應(yīng)盡量均勻。 已知本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中取外壁厚為 20 強(qiáng)肋的設(shè)計(jì) 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(shí)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(dǎo)軌 Y、 生 變形，從而影響加工精度。因此，需要設(shè)置合理的加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)，提高床身結(jié)構(gòu)剛性。 加強(qiáng)肋的作用如下： （ 1）可以提高床身的強(qiáng)度、剛度，減輕床身的質(zhì)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(chǎn)生縮孔、裂紋等缺陷；作為補(bǔ)縮通道，擴(kuò)大冒口的補(bǔ)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(jī)械摩擦都會產(chǎn) 生熱量，加強(qiáng)肋的設(shè)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(zhuǎn)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(qiáng)肋的布置 實(shí)際上就是橫向肋、縱向肋和對角肋的組合。縱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(diǎn)加強(qiáng)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 式加工中床身的上表面采用傾斜結(jié)構(gòu)，目的是為了方便排屑，而 造成 導(dǎo)軌 所在的位置使 其成為懸空的結(jié)構(gòu)，作為主要的受力面，需要通過設(shè)置加強(qiáng)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(shè)置許多拔摸孔等開放式結(jié)構(gòu)，故床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還需考慮其不封閉性。 （ 4）局部增設(shè)加強(qiáng)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(shè)置了加強(qiáng)肋。 具體箱體加強(qiáng)肋的布置方式如圖 圖 身截面結(jié)構(gòu) 圖 床 身箱體剖視圖 壁孔的設(shè)計(jì) 出于床身自身結(jié)構(gòu)與加工工藝的要求，為減輕床身的質(zhì)量，節(jié)省材料，同時(shí)滿足鑄造工藝與結(jié)構(gòu)性能，床身的壁板和加強(qiáng)肋上需要設(shè)置孔結(jié)構(gòu)。 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(gè)高應(yīng)力區(qū) ， 特別是在轉(zhuǎn)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(jìn)行了限定。由于 本設(shè)計(jì)采用的是砂型鑄造、成批生產(chǎn)，故孔徑要大于 30與此同時(shí)，隨著孔徑的增大，沈陽 工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 剛度持續(xù)下降，當(dāng) d/h＞ 度削弱尤其顯著，盡量使其值小 于 下圖所示， 且應(yīng)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(yīng)使箱體開孔的面積小于板壁面積的 10%。 當(dāng)孔面積大于 10%時(shí)，隨著孔面積加大，剛度急劇下降。 因此，設(shè)計(jì)床身板壁開孔方式如下圖所示， 兩側(cè)壁上開 5個(gè)直徑為 80后壁上分別開 5 個(gè)方孔，且厚壁的方孔均小于前壁，因此保證前壁的設(shè)計(jì)滿足要求即可。 圖 身板壁開孔示意圖 首先驗(yàn)證 d/h 值： 側(cè)壁： d = 80h = 352 d/h = 8052 壁： d = 105mm,h = 352 d/h =10552 證孔面積： 側(cè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 床身與立柱、電機(jī)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(jié)構(gòu)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(jī)床整體 的工作性能具有重要影響，故為保證機(jī)床機(jī)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 (1)預(yù)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(shí)，接觸壓強(qiáng)的分布就比較均勻，反之，若床身剛度不足，接觸壓強(qiáng)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(jié)構(gòu)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)： （ 1） 使螺栓位置盡量靠近壁板。 因?yàn)槁菟ㄖ行木€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(jī)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(jī)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(jī)座、軸承座接合面，導(dǎo)軌面，這些接觸表面的平面度均要求達(dá)到 面粗糙度要求 小于等于 時(shí)這些表面需要在裝配過程中進(jìn)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(jié)構(gòu) 身與地基連接結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)中，床身與立柱，床身與地基的連接與固定的結(jié)構(gòu)形式均采用壁龕式，如上圖所示，采用壁龕式的原因?yàn)?，其局部?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(yàn)表明，螺釘?shù)念A(yù)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(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算： f = 中： f – 接觸變形（ μm） p – 接合面之間的平均壓強(qiáng)（ 沈陽 工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 c – 接合面表面粗糙度因素值 在《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)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(jī)床在切削過程中會產(chǎn)生大量的熱，這些熱量分別來自電動機(jī)、液壓系統(tǒng)和機(jī)械摩擦。熱量傳導(dǎo)給床身即引起床身溫度變化，改變了床身與機(jī)床其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相對位置，從而降低了機(jī)床的加工精度。 對于本床身來說，床身上的導(dǎo)軌在工作臺與滑座高速運(yùn)動的摩擦下，上表面的溫度將高于下表面，引起導(dǎo)軌中凸，同時(shí)熱量傳遞給 床身導(dǎo)軌面，引起導(dǎo)軌面熱變形，使得床身與導(dǎo)軌接觸面接觸剛度下降，影響導(dǎo)軌平行度、直線度，進(jìn)而影響機(jī)床傳動精度和加工精度。 床身上連接的控制 吸收熱量產(chǎn)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(chǎn)生了熱應(yīng)力，使?jié)L珠絲杠彎曲變形，或使軸承內(nèi)產(chǎn)生軸向附加載荷，這個(gè)載荷又將是軸承進(jìn)一步發(fā)熱，從而嚴(yán)重?fù)p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(gè)方面入手： （ 1） 床身設(shè)置傾斜表面，可以有效進(jìn)行排屑、排油，達(dá)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(chǎn)生較大的溫升和變形。因此利用此設(shè)計(jì)將這些熱源排出床身以外，單獨(dú)設(shè)立排屑裝置、油箱，或是在熱源外設(shè)置隔離罩，以減少熱傳導(dǎo)。 （ 2）將床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為熱對稱結(jié)構(gòu)。主要發(fā)熱部件，如導(dǎo)軌、電 動 機(jī)均 是處在床身對稱位置，床身自身的結(jié)構(gòu)也設(shè)計(jì)為左右對稱的結(jié)構(gòu)，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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 身結(jié)構(gòu)確定方案 身最終結(jié)構(gòu)圖 上圖所示即為 床 身最終確定的結(jié)構(gòu)方案， 其融合了前文對床身重要表面、床身截面、床身連接結(jié)構(gòu)和熱變形的所有分析與設(shè)計(jì)，參考了同類型的機(jī)床，結(jié)合了所設(shè)計(jì)機(jī)床型號 結(jié)構(gòu)與尺寸要求，最終確立結(jié)構(gòu)如上圖，此結(jié)構(gòu)滿足對于機(jī) 床床身的基本要求。 沈陽 工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 3 床身零部件 的計(jì)算與選型 立式加工中心伺服進(jìn)給系統(tǒng)是 直接控制機(jī)械位移，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動和輔助運(yùn)動的自動控制系統(tǒng) 。 它通常由 伺服驅(qū)動單元、伺服電動機(jī)、機(jī)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(jī)床對 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jīng)過鍛短暫的調(diào)整過程后，應(yīng)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的位置檢測。 （ 3） 快速響應(yīng)。系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要盡量短，傳動裝置的加速能力要強(qiáng)。 式加工中心進(jìn)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(jī)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(jī)同軸，電機(jī)與絲杠直接相連，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)少，轉(zhuǎn)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(jī)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(zhuǎn)、螺母轉(zhuǎn)動） 作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其次，在絲杠螺母傳動機(jī)構(gòu)中， 由于 滾珠絲杠滑動 相對于滑動絲杠傳動 更適合應(yīng)用于精密、高效的立式加工中心，故本設(shè)計(jì)采用滾珠絲杠副，其具體優(yōu)勢如下 ： （ 1） 傳動效率高，可達(dá)滑動熱杠傳動的 2～ 4倍。 （ 2） 運(yùn)動平穩(wěn)，摩擦力小，靈敏度高，低速無爬行。 （ 3） 可預(yù)緊、消除絲杠副間隙，提高軸向接觸剛度。 （ 4） 定位精度、重復(fù)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(zhuǎn)動，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動。 在 確定滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)時(shí)，需要根據(jù)機(jī)床的使用要求全面考慮。 絲沈陽 工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 杠副的公稱直徑、基本導(dǎo)程、預(yù)緊力、負(fù)載滾珠的有效圈數(shù)與絲杠的壽命、位移精度、剛度、驅(qū)動力矩等有密切關(guān)系。 在計(jì)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(shù)參數(shù)如 （ 1） 工作載荷： 工作臺重量1W： 座重量2W： 方向進(jìn)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(fù)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(shí)間 t = 32m/ 533 /則：加速度 a = （ 237+00）3 6932N 加速力的進(jìn)給速度為 22=16m/ 初步計(jì)算絲杠導(dǎo)程 hP≥i 式中：杠導(dǎo)程。 （ 杠副 (m/沈陽 工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 i - 傳動比。由于 i = 1。 - (r/已知： 32m/方向驅(qū)動電機(jī)為 2/2000 型號，其最大轉(zhuǎn)速為 2000r/ 故hP≥i 32/2000 = 16杠導(dǎo)程應(yīng)不小于 16據(jù) 確定絲杠導(dǎo)程為 16 珠絲杠副 當(dāng)量 載荷 與當(dāng)量轉(zhuǎn)速 計(jì)算 由于立式加工中心在工作過程中載荷是隨時(shí)間變化的，而且不同載荷情況下，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速也不同。為了方便分析與計(jì)算， 求解滾珠絲杠副的載荷與轉(zhuǎn)速當(dāng)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(yīng)1F、2F、 ?的轉(zhuǎn)速（ r/ 1t、2t、? - 對應(yīng)1F、2F、 ?的時(shí)間（ h） 為求解要先求解軸向變載荷1F、2F、 ?與對應(yīng)轉(zhuǎn)速1n、2n、?的數(shù)值。具體計(jì)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(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向作用力，其數(shù)值可用下面 進(jìn)給作用力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算： 對于 線性 滾 動 導(dǎo)軌機(jī)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jìn)給系統(tǒng)的重量（包括電動機(jī)、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(dǎo)軌來說， ? =上述公式可知，為了便于分析，實(shí)際計(jì)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(jìn)給力向切削力其中，切向切削力消耗伺服進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動電動機(jī)功率最多，其值最大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(jìn)行分析計(jì)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)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(dāng)量載荷與當(dāng)量轉(zhuǎn)速，還需先求解各切削狀況下的轉(zhuǎn)速值1n、2n、? 因?yàn)閕? 已知6mm,i =1, 故解得轉(zhuǎn)速值如 右 表所示： 至此，即可求得當(dāng)量 轉(zhuǎn)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 當(dāng)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?