立式加工中心床身结构设计全套图纸doc.docx
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立式加工中心床身结构设计全套图纸doc
摘要
床身是立式加工中心非常重要的基础支撑件,它起到了支撑立柱、滑座、工作
台等重要零部件的作用,主要承受机床的静载荷以及在加工时产生的切削负载。
床
身的静动态性能直接影响机床的加工精度和稳定性,因此,床身结构的优化对于立式
加工中心的发展具有十分重要的意义,本课题即结合沈阳机床厂VMC850B立式加工中心的性能特点与相关参数,对立式加工中心床身结构进行了科学系统的设计,具体内容如下:
(1)借鉴于同类型的床身结构,根据VMC850B的整机结构设计了床身上表面布局,通过查阅《实用机床设计手册》《机械设计手册》等参考书,科学的设计了床身的截面形状,包括壁厚的选定以及加强肋、方孔、圆孔的合理布置。
同时对床身进行了
受力分析并利用ANSYS软件对床身模型采取了静态力有限元分析。
(2)针对与床身相关的重要零部件,包括Y方向伺服进给系统的驱动电机、滚珠丝杠、直线导轨、轴承、联轴器,进行了分析与计算,并最终确立了型号与参数。
(3)提出了床身的精度要求,包含加工和装配过程中的几何精度。
关键词:
立式加工中心;床身;结构设计;选型计算;有限元分析;精度设计
Abstract
Thebedisaveryimportantbasisforsupportingpartsintheverticalmachiningcenter,itplaysarolethatsupportingthecolumn,theslide,theworkbenchandsomeotherimportantparts.Thebedmainlywithstandsthestaticloadofthemachinetoolandthecuttingloadintheprocessing.Thestaticanddynamicperformanceofthebeddirectlyaffectsthemachiningaccuracyandstability.Therefore,theoptimizationofthebedstructurehasgreatsignificanceforthedevelopmentoftheverticalmachiningcenters.Thesubject,whichiscombinedwiththeperformancecharacteristicsandparametersoftheverticalmachiningcenter850BoftheShenyangMachineToolFactory,havedesignedthebedstructureoftheverticalmachiningcenterscientificallyandsystematically,thedetailsareasfollows:
(1)Learntfromthebedstructureofthesametypeanddesignedthelayoutofthebed
topsurfaceunderVMC850B’swholestructure,throughaccessingto DesignManual>and scientificallydesignedthecross-sectionalshapeofthebed,includingtheselectionofthe wallthicknessaswellasthereasonablelayoutofthereinforcingrib,thesquareandcircle holes.Thesubjectalsodidthestressanalysisforthebedandusedthesoftwarecalled ANSYStodothefiniteelementanalysisofthestaticforceforthemodelofthebed. (2)Fortheimportantpartsofthebed,includingtheY-directionservofeeddrive motor,ballscrews,linearguides,bearingsandcouplings,didtheanalysisandthe calculation,andeventuallyestablishedthemodelsandtheparameters. (3)Putforwardtheaccuracyrequirementsofthebed,includingthegeometric precisionofthemachiningandassemblyprocess. Keywords: theverticalmachining;centerthebed;structuraldesign;selection calculationfiniteelementanalysis;precisiondesign 1 机床设计现状......................................................................................................... 1 1.1 课题研究的背景和意义................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状与发展趋势........................................................................ 2 1.3 本论文内容概要............................................................................................ 4 2 床身结构设计......................................................................................................... 4 2.1 床身材料........................................................................................................ 4 2.2 床身时效处理................................................................................................ 4 2.3 床身结构设计................................................................................................ 5 2.3.1 床身重要表面设计.............................................................................. 5 2.3.2 床身截面形状设计.............................................................................. 5 2.4床身热变形.......................................................................................... 10 2.5床身结构确定方案.............................................................................. 11 3 床身零部件的计算与选型................................................................................... 12 3.1Y方向滚珠丝杠副的选择........................................................................... 12 3.1.1 初步计算丝杠导程........................................................................... 13 3.1.2 滚珠丝杠副当量载荷与当量转速计算........................................... 14 3.1.3 计算预期额定动载荷Cam.................................. 错误! 未定义书签。 3.1.4 估算滚珠丝杠允许最大轴向变形m.............. 错误! 未定义书签。 3.1.5 估算滚珠丝杠副的底径.................................................................... 18 3.1.6 计算滚珠丝杠副预紧力Fp.............................. 错误! 未定义书签。 3.1.7 滚珠丝杠副剩余结构尺寸确定....................................................... 20 3.2伺服电机的选择21 3.2.1电机的负载转矩计算21 3.2.2惯量匹配计算22 3.2.3空载启动时最大加速力矩Tamax计算: 24 3.2.4快速空载启动时所需最大启动力矩TM计算24 3.2.5电动机连续匀速工作时的最大力矩Tms错误! 未定义书签。 3.2.6电动机输出端轴的直径计算25 3.3滚动轴承的选择25 3.3.1滚动轴承使用条件26 3.3.2初选止动球轴承型号26 3.3.3止推轴承组配方式26 3.3.4止推轴承的选用计算27 3.3.5圆柱滚子轴承的选型计算29 结论31 致谢33 参考文献34 1机床设计现状 随着机械制造业的飞速发展与竞争市场需求的不断扩大,数控机床的应用范围持续扩张,同时,为了应对市场日新月异的变化及加工要求难度的不断提高,数控机床产业的水平也在飞速进步,不断向高速化、复合化、高精度化、智能化转变。 如今,为了提高自身经济发展水平,应对激烈的国际竞争,各工业强国均认识到制造装备的重要性,将装备制造业作为国家发展的关注重点之一,致力于提高装备品质,抢占市场前沿。 面对当下的产业状况与市场模式,我国也认识到了数控机床产业的绝对地位和 有力前景,在长期的发展与探索中,我国更是发现了国内产业中存在的问题,以及 与其他发达国家的差距。 因此,党中央国务院领导层对此高度重视,并在“十二五” 规划中将振兴装备制造业作为推进工业结构优化升级的主要内容,其中,数控机床 的研究与探索成为举足轻重的振兴内容。 此文即立足于数控机床领域,立足全局, 就立式加工中心的现状与发展做了深入的分析与研究;从一点出发,针对立式加工 中心床身的结构及其相关的零部件进行了科学的、详细的设计与优化。 1.1课题研究的背景和意义 为了深入了解我国数控机床产业现状,学习先进的数控机床设计方法和生产技 术,本次课题研究特进入国内产业销量多年屈居首位的沈阳机床厂,针对VMC850B 这一型号的立式加工中心,在其设计、加工与装配现场开展实地学习与研究。 并结 合该型号的具体加工需求与机能,参考其床身的结构设计,对立式加工中心的床身 进行了结构设计的优化,同时对与其相关的重要零部件,如电机、滚珠丝杠、导轨 等,进行了系统的学习,并结合实际情况,完成了选型的计算与分析。 立式加工中心在具有普通数控机床的加工精度高、加工柔性好、生产效率高等 优点的同时,相较于传统的数控机床,其还具备许多特色与优势,在原有的基础上, 结合市场需求进行了发展与优化,首先其切削速度与进给速度均得到大幅提高,其 次,其可在一次装夹中连续完成铣、钻、扩、铰、镗、攻丝及二维三维曲面、斜面 的精确加工,且切削厚度基本保持不变,实现了加工的程序化,提高了加工的生产效率,更具经济效益。 最后,其加工的柔性也得到了提高,可加工多品种小批量、结构复杂、工序多、精度要求高的零件,由于切削速度的提高,其切削力可相应得到降低,尤其是径向切削力,因此立式加工中心还特别有利于加工薄壁件等刚性差的零件。 沈阳机床厂的VMC850B立式加工中心是在结合国外先进的设计理念的基础上,进行了自主研发创新的一款数控机床,其结构设计更为合理,机床的刚性、精度保持性和可靠性都得到了不同程度的提高,市场需求量日益扩大。 然而,实际生产加工的过程中,立式加工中心仍存在着许多的问题与不足有待解决与改善,比如在高速切削速度下,容易引起机床的振动、噪声以及热变形等典型问题。 因此,合理优化机械结构,加强整体配置,提高数控精度,改善立式加工性能是一项具有发展前景和重要意义的工作。 本课题即立足于这一观点,以立式加工中心的床身结构为重点,通过优化其结构设计,综合提高床身的刚度、精度、稳定性、可靠性等。 由于床身是立式加工中心非常重要的基础支撑件,直接影响着机床整机的性能,因此,其对于立式加工中心的发展具有十分重要的意义。 1.2国内外研究现状与发展趋势 总体来说,经历了几十年的学习发展与探索创新,我国的数控机床产业已经逐步向美、德、日等处于发展前沿的发达国家靠近,相对成熟的、面向市场的数控机 床已达到1500种,在五轴联动数控机床、立式卧式加工中心、数控车床等制造装备技术领域甚至已达到了世界先进水平,改变了长期被国际对手实行产业垄断的不利局面。 如今,国内生产立式加工中心的企业逐渐增加,其中以沈阳机床集团、大连机床集团、济南机床厂、南京机床厂为首,日益带动了许多中小企业的建立与发展,活跃了国内机械装备制造产业,同时,这些企业也逐步从单纯复制进口数控机床的结构、购买进口的数控系统发展为拥有自主知识产权、优化装备结构、创新生产技术的较为成熟的阶段。 其中,五轴联动数控机床即具有我国数控机床技术的里程碑式的意义,它集计算机控制、高性能伺服驱动系统和精密加工技术与一身,应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工,是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪 器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。 纵向比较,虽然我国近30年来确实取得了飞跃式的发展与提高,但横向比较于世界工业发达国家,我们所生产的数控机床的各项性能仍处于世界相对落后的地位, 尤其是数控系统的控制可靠性方面,如今,我国90%的数控系统仍需进口,还有很 大的进步空间,急需早日建立我国自主的数控产业。 在沈阳机床厂实际考察期间即 体现出我国在数控机床产业中所面临的核心技术缺乏问题,国内所生产的数控机床 关键零部件和关键技术主要依赖进口,比如,在进行床身结构及其零部件的学习过 程中发现,其导轨、滚珠丝杠、电机、轴承等重要的功能部件均来自进口。 国产的 功能部件存在很大的故障率,精度、寿命、可靠性方面与进口的功能部件存在明显 差距,这严重滞留了数控机床的发展进程。 另外,我国虽然认识到了在这一领域自 主创新的重要性,然而,其自主创新的能力以及对于创新成果的市场转化机制仍然 十分欠缺与落后。 创新是一项需要长足发展和长效机制的问题,其决定与技术人员 和企业的素质,我国不可盲目追随发达国家,而是要结合自身国情与市场需求,在 稳中求发展,重在提高创新能力,而非一味求效益,没有长远的发展策略。 另外, 我国还面临着技术创新和成果转化与市场脱节的问题,往往在取得了一项创新成果 之后,没有完善的市场安排和健全的成果转化体系,也缺乏相应的规范和标准,使 得制造工艺的发展举步维艰。 最后,我国还数控机床产业还严重缺乏质量保证体系、 质量反馈体系和服务体系,企业与用户欠缺沟通与交流,没有对于产品的追踪调查, 这也对于产品的优化与改善造成了消极的影响。 相较于我国,国外的立式加工中心则处于领先的地位,仍然占据了相当大的市场,其数控机床具备高精度、高速度和高可靠度,技术成熟且生产厂家众多,其中 比较著名的有德国DMG集团、日本Mazak公司、德国ChironWrke公司、日本通快公司、美国哈斯、美国MAG公司等。 对于数控机床关键零部件和关键技术,处于世界领先地位的厂家分别为: 日本FANUC、德国西门子,还有日本的三菱,其余还有法国的扭姆和西班牙的凡高。 面对国际市场的发展与挑战,我国立式加工中心产业具有如下的发展趋势: 1、智能、高速、高精度化: 未来的立式加工中心,将致力于提高生产效率,向超高速、超精密的方向发展,采用更加先进的功能部件,使主轴转速达到15000r/min以上;当前立式加工中心的最高精度可达到亚微米级水平,未来所设定的目标为达到纳米级水平。 同时,研发 功能性更为强大的计算机软件系统,从而更有利于数控机床结构的简化,提高其智 能化程度。 2、一体化与复合化 数控机床逐步向一体化发展,将加工与检测相结合,从而提高加工与检测的精 度;将多轴加工一体化结合,从而满足产品对于外观曲线的更高要求。 另外,由于 立式加工中心已能实现工件一次装夹而实现多种工序的负荷加工,而为了更大限度 的缩短生产周期,满足于对制造速度的要求,数控机床也将向高度复合化发展。 3、设计、加工绿色化 环保问题现已成为全球化的不可忽视的问题,数控机床产业作为装备制造业的 核心,必须符合环保需求,因此应该遵循绿色设计的原则,采用绿色环保材料,进 行节能性的、可回收性的设计,使得资源利用率最高、对环境负面影响最小。 1.3本论文内容概要 本文主要结合沈阳机床厂立式加工中心VMC850B的设计、加工与装配的经验,对立式加工机床床身的结构进行优化设计,同时也对床身相关功能部件进行了选型 的计算与分析,设计过程中除了查取了大量文献资料作为理论支撑,还利用ANSYS软件进行了实际的建模及有限元分析,其具体内容如下: 第一章绪论 说明了本次课题研究的背景与意义,同时介绍了当下的数控机床产业国内外研究现状与发展趋势 第二章床身的结构设计 对床身的结构进行了分析计算与优化设计,主要包含床身材料的选择,床身的 时效处理,床身重要表面的设计,床身截面,即壁厚、肋板、方孔与圆孔的选择,以 及床身热变形的分析与预防,最红进行了结构方案的确定,并利用ANSYS软件对床身结构进行了有限元分析,验证了设计的合理性。 第三章床身功能部件的计算与选型 对与床身相关的各功能部件进行了选型所需的分析与计算,包含Y方向伺服进给系统的驱动电机、滚珠丝杠、联轴器与轴承,还有滚动直线导轨,最终确定了各功能部件的参数与型号。 2床身结构设计 在切削时,刀具与工件之间相互作用力沿着部分支撑件传递并使之变形;机床的动态力(如变动的切削力、往复运动件的惯性、旋转件的不平等)使支撑件和整机振动;支撑件的热变形将可能改变执行件的相对位置或运动轨迹,这些均将影响工件的加工精度和表面质量。 故支撑件对于数控机床而言至关重要,床身作为数控 机床中最为基础的支撑件,它起到了支撑立柱、滑座、工作台等重要零部件的作用,主要承受机床的静载荷以及在加工时产生的切削负载。 床身的静动态性能直接影响 机床的加工精度和稳定性,其结构及布局是否合理将直接影响机床的加工质量和生产率。 故对床身的基本要求如下: (1)具有足够的刚度和较高的刚度质量比 (2)具有较好的动态特性 (3)使整机热变形较小 (4)可顺利排屑、安全吊运,且有利于加工与装配。 2.1床身材料 立式加工中心床身结构复杂,一般采用铸造。 灰铸铁材料流动性好,体收缩和 线收缩小,易于铸造,获得形状复杂的铸件。 其可加工性好、制造成本低,易于大 量生产,并具有良好的耐磨性和减振性,铸铁的内摩擦大,阻尼作用强,故动态刚 性好,是传统的床身结构材料。 本设计中床身材料采用HT250,其属于较高强度的铸铁,耐磨性、耐热性均较 好,铸造性能好,需进行人工时效处理,用于承受较大应力(弯曲应力<29.4MPa), 摩擦面间压强大于0.49MPa,或需表面淬火的铸件,以及要求保持气密性的铸件, 如气缸、齿轮、机座、金属切削机床床身及床面。 2.2床身时效处理 床身结构在加工完成后需进行时效处理,其目的是在不降低铸铁力学性能的前 提下,使铸铁的内应力和机加工切削应力得到消除或稳定,以减少长期使用中的变 形,保证几何精度。 为了降低生产周期,提高效率,节省能源,本设计中采用机械 振动法进行时效处理。 2.3床身结构设计 床身主要承受主轴箱、立柱、滑座、工作台的重力,同时,由于主轴箱与刀库 固定在立柱不同的侧面上,因此床身承受不同方向的弯矩与扭矩,以及由主轴轴线 折算到床身上的切削载荷。 因此,为提高床身结构的刚度,需要考虑弯曲刚度与扭 转刚度的影响。 2.3.1床身重要表面设计 如前文所述,床身是机床组成部件中重要的支撑构件,其上需要连接立柱、滑 座和Y方向的进给机构。 为保证各部件有效发挥其工作机能,互不干涉,有效配合, 以满足机床工作要求,需要对床身表面进行优化设计,参照现有的立式加工中心床 身上表面设计,结合本次床身结构设计要求, 2.3.2床身截面形状设计 在弯、扭载荷作用下,床身的变形与截面的惯性矩和极惯性矩有关。 材料和截面积相同而形状不同时,截面惯性矩相差很大。 (1)截面积相同时空心截面的刚度大于实心截面,仅此床身采用空心截面。 同时,加大外轮廓尺寸,在工艺允许的条件下尽可能减小壁厚,也可大大提高截面的抗弯和抗扭刚度。 (2)方形截面的抗弯刚度高于圆形截面,方形截面的抗扭刚度则较低。 由于床身既承受弯矩也承受扭矩,且以弯矩为主,则应采用方形或矩形截面。 (3)应尽量将截面设计为封闭式结构,因为开放式的截面,其抗扭刚度相较于封闭式的下降很多,因此
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