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車銑加工中心左右立柱結(jié)構(gòu) 與工藝面制造工藝設(shè)計
摘要
隨著機(jī)械工程技術(shù)的發(fā)展，裝備制造、交通運(yùn)輸、石油化工、航空航天及國防軍工等對高速高精度加工中心的要求顯著提高。而動態(tài)特性是衡量加工中心質(zhì)量高低的最重要的性能指標(biāo)之一。因此，提高銑削中心的動態(tài)性能具有重要意義。為了保證機(jī)床具有良好的靜動剛度、動態(tài)特性、精度保持性及加工工藝性，需要在設(shè)計和制造機(jī)床的過程中，對機(jī)床進(jìn)行系統(tǒng)的動力學(xué)分析，以便能迅速準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)限制機(jī)床動態(tài)性能提高的薄弱環(huán)節(jié)，快速、靈活地實現(xiàn)動態(tài)設(shè)計，為機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計提供科學(xué)合理的依據(jù)。對高精度、高效率和高柔度數(shù)控銑床的研究，首先要對數(shù)控銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和動態(tài)特性提出更高的要求。立柱作為彈性系統(tǒng)的元素之一，它直接影響零件表面成形運(yùn)動軌跡的準(zhǔn)確性，因此立柱的結(jié)構(gòu)能將直接影響零件的加工精度、表面質(zhì)量和機(jī)床的生產(chǎn)率。所以，研究立柱結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)特性和提高立柱的抗振性和穩(wěn)定性是必要的也是必需的。
針對立柱的穩(wěn)定性和抗振性的研究，本文主要研究以下的幾個問題：
1.立柱結(jié)構(gòu)的靜動剛度，即在滿足加工要求的條件下，它的結(jié)構(gòu)變形是否在許可的范圍內(nèi)。
2.對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)分析，研究它的固有頻率、響應(yīng)等問題。并通過分析上述特性知道立柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
3.在滿足加工精度的條件下，使其結(jié)構(gòu)及厚度最優(yōu)化，得到最優(yōu)解從而達(dá)到綠色制造。
本文采用動態(tài)設(shè)計的思想，對車銑加工中心立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的動力學(xué)分析和仿真，分析、預(yù)測立柱結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)特性，尤其是分析結(jié)構(gòu)的模態(tài)特征以提高立柱結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能。在理論分析的基礎(chǔ)上，通過有限元分析和實體虛擬仿真，得到立柱結(jié)構(gòu)較真實的動力學(xué)特性，求解出了立柱結(jié)構(gòu)在加工要求條件下的變形圖，給出直觀的變形量;并求出立柱結(jié)構(gòu)的前六階模態(tài)振型及固有頻率;為銑削加工中心立柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計技術(shù)指標(biāo)提供了解決途徑和理論依據(jù)，對機(jī)床設(shè)計和實際應(yīng)用都具有一定的參考價值。
關(guān)鍵詞：加工中心；立柱結(jié)構(gòu)；制造工藝；動態(tài)特性
The design of the surface manufacturing process technology and structure of machining center's pillars
Abstract
With the development of mechanical engineering ,Equip and make,petroch-emical industry,communications and transportation,aero-space and war industry of national defence,etc,such requisitions for high speed and high-accuracy machining center improve notably.And the dynamic characteristic is one of the most important indexes of machining centers. So to improve the dynamic performance is significant.In order to guarantee the good moving rigidity,dynamic characteristic ,prec-ision keeping and processing technology quietly,need to carry on systematic dynamics analysis to the lathe during the process of designing and making thelathe,inorder to can accuratediscovery limit lathe dynamic weal link that performance raise rapidly, realize designing dynamically fast, in a flexible way, offer the basis with rational science for structural design of the lathe.Being up against resarch of Numerical Cantrol machine tools in higher precision,higher efficiency and higher flexibility,at first,we should bring higher request forward mechanical construction design and dynamic performance will influence the productivity of the machining accuracy, surface quality and lathe of the part directly.So study the dynamic characteristic of the pillar and raise its ruggedized and stability is essential.
There are several problems to be resolved on terms that studying about the stabilities and ruggedized of the pillar.
First,the quietly rigidity of the pillar,namely on terns that meet the precision of limit,its structure shape is in the range permitting.
Second,carry on dynamic analysis, such problems as the natural frequency,responding to the structure humorously,etc..
Third,on terms that meet demand of processing,optimize its structure.
This paper adopts the way of dynamic design and carry through dynamics analysis above three respects and simulation on the structure system,predict and improve them.This paper base on theoretic analysis,the finite element analysis and kinetic simulation,and get out of its true dynamics characteristic,limit deformation pictrue of terms and ocular judges its deformation amount.Ask out the six stepses of modes,shake shape and natural frequency.And offered the theoretic basis and solution for achieving the design goal.The results are of denotation and practical value.
Keywords：Machining Center；Structure of pillar；Manufacturing
Process Technology；Dynamic Character
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目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論.........................................................................................................1
1.1 課題研究的目的及意義............................................................................1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ..................................................................................... 2
1.2.1 國內(nèi)龍門機(jī)床的研究現(xiàn)狀.................................................................2
1.2.2 國外龍門機(jī)床的研究現(xiàn)狀.................................................................4
1.3 主要研究內(nèi)容............................................................................................5
第2章 左右立柱機(jī)構(gòu)分析.................................................................................6
2.1 按極限進(jìn)給切削時立柱端面的受力分析................................................6
2.1.1 某大型數(shù)控龍門鏜銑床主要技術(shù)參數(shù).............................................6
2.1.2 以極限進(jìn)給量切削時作用于機(jī)床主軸的最大切削載荷.................6
2.1.3 影響機(jī)床立柱端面作用力的主要因素及受力分析.........................6
2.2 立柱導(dǎo)軌工藝面的精度影響因素及立柱導(dǎo)軌直線度分析..................13
2.2.1 立柱導(dǎo)軌工藝面的精度要求及影響因素.......................................13
2.2.2 立柱導(dǎo)軌直線度分析.......................................................................14
2.3 本章小結(jié)..................................................................................................19
第3章左右立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計.................................................................................20
3.1 龍門式立柱的元結(jié)構(gòu)..............................................................................20
3.1.1立柱元結(jié)構(gòu)選型................................................................................20
3.1.2 元結(jié)構(gòu)高度h對其動態(tài)特性的影響...............................................21
3.2 龍門式立往結(jié)構(gòu)框架尺寸對其動態(tài)特性的影響..................................22
3.2.1 龍門立柱寬度W1對立柱頻率的影響.............................................22
3.2.2 龍門立柱厚度W2對立柱固有頻率的影響.....................................23
3.2.3 龍門立柱傾角a對立柱固有頻率的影響.......................................24
3.3 立柱尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計..............................................................................25
3.4 立柱壁厚優(yōu)化設(shè)計..................................................................................27
3.5 本章小結(jié)..................................................................................................28
第4章 左右立柱與工藝面制造工藝...............................................................29
4.1 立柱整體鑄造原則及工藝......................................................................29
4.1.1 鑄造工藝方案的確定.......................................................................29
4.1.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計...................................................................................31
4.1.3 防止鑄件裂紋的工藝措施...............................................................32
4.1.4 鐵液準(zhǔn)備方案...................................................................................32
4.1.5 澆注過程控制級鑄件應(yīng)力退火.......................................................32
4.2 立柱導(dǎo)軌的制造工藝..............................................................................33
4.2.1 導(dǎo)軌的技術(shù)條件及要求...................................................................33
4.2.2 導(dǎo)軌鑄件的技術(shù)及鑄造工藝性分析...............................................34
4.2.3 導(dǎo)軌的鑄造工藝方案的確定...........................................................35
4.2.4 生產(chǎn)試制...........................................................................................36
4.2.5 鑄造結(jié)果分析...................................................................................36
4.2.6 導(dǎo)軌中頻感應(yīng)淬火...........................................................................37
4.2.7 導(dǎo)軌涂層材料及工藝技術(shù)...............................................................38
4.3 工藝面制造工藝設(shè)計..............................................................................38
4.3.1立柱導(dǎo)軌面制造工藝設(shè)計................................................................38
4.3.2立柱與滑座連接面制造工藝設(shè)計....................................................39
4.4 本章小結(jié)..................................................................................................40
結(jié)論 .........41
致謝 .42
參考文獻(xiàn) ..43
附錄.....................................................................................................................44
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第1章 緒論
1.1 課題研究的目的及意義
現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的特點是高速、高效、高質(zhì)量和低消耗，鑒于這個特點，機(jī)床的加工性能也要求有相應(yīng)的提高。機(jī)床的加工性能包括其加工質(zhì)量和金屬切除率兩個重要方面，通常用被加工零件能達(dá)到的最高精確度和表面光潔度來評定機(jī)床的加工質(zhì)量，用金屬切除率來評定機(jī)床的切削效率。而機(jī)床的加工性能又與其動態(tài)性能緊密相關(guān)。事實證明，隨著機(jī)床加工性能的不斷提高，對機(jī)床動態(tài)性能的要求也越來越高。因此本課題的主要目的是在設(shè)計階段采用多種方法對立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，分析研究其性能，并根據(jù)優(yōu)化原理對立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化處理[1]。
立柱是數(shù)控機(jī)床中主要的構(gòu)件之一，它支撐主軸系統(tǒng)。立柱的剛性是影響加工村度的要因素之一。目前，許多立式數(shù)控機(jī)床采用了龍門式立柱。所以龍門式立柱的結(jié)構(gòu)和加工工藝對龍門機(jī)床產(chǎn)生重大影響,隨著人們認(rèn)識問題和解決問題的能力的不斷提高，機(jī)床機(jī)床支撐件的分析和研究成為機(jī)床制造行業(yè)中新產(chǎn)品研制的重要環(huán)節(jié)。在整個機(jī)床的各個組成部分中，機(jī)床床身和立柱是一個及其重要的大件，它起著支撐工件和連接工作臺、主軸箱等關(guān)鍵零部件的作用。
數(shù)控機(jī)床床身和立柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計尺寸和布局形式，決定了其本身的各個動態(tài)特性。也決定了所加工工件的質(zhì)量。往往由于床身和立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，導(dǎo)致床身和立柱的剛度不足，產(chǎn)生各種變形、振動、加工時刀具與工件間產(chǎn)生相對變形和振動，使零件加工精度降低。因此，在設(shè)計數(shù)控機(jī)床立柱結(jié)構(gòu)時，考慮立柱的靜動態(tài)性能顯得尤為重要。隨著機(jī)床和結(jié)構(gòu)分析理論的迅速發(fā)展，先進(jìn)的動態(tài)試驗和分析技術(shù)的不斷出現(xiàn)，計算機(jī)的廣泛運(yùn)用以及機(jī)床切削自振理論的逐漸深入和統(tǒng)一，目前，已能解決立柱在工作過程中由于動態(tài)力的作用而產(chǎn)生的各種問題。并能在設(shè)計階段對立柱結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能作理論分析，進(jìn)行立柱結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計，用經(jīng)濟(jì)、合理的手段獲得具有預(yù)定動態(tài)性能指標(biāo)的結(jié)構(gòu)，使立柱發(fā)揮出應(yīng)有的動態(tài)性能。因此需要充分考慮機(jī)床立柱的載荷工況以及結(jié)構(gòu)特點，研究系統(tǒng)完善的、以結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論為基礎(chǔ)的面向機(jī)床立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，實現(xiàn)理論研究與實際應(yīng)用兩者的統(tǒng)一，對于切實解決實際生產(chǎn)中的問題，具有重大的意義[3]。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1國內(nèi)龍門機(jī)床的研究概況
進(jìn)入21世紀(jì)國內(nèi)龍門機(jī)床研究取得的成就，作為世界第一制造大國，我國不斷致力于龍門大型加工中心的研發(fā)，無論是在性能、精度、結(jié)構(gòu)，還是功能多樣化方面都有了一個質(zhì)的飛躍。總結(jié)國內(nèi)龍門機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀有以下幾方面：
龍門機(jī)床產(chǎn)品的復(fù)合程度更高，功能更多樣化，有效的提高生產(chǎn)效率。其集中體現(xiàn)了機(jī)床功能多樣化，集成化，及提高勞動效率的理念， 特別是交換工作臺的使用克服了傳統(tǒng)單工作臺龍門機(jī)床在裝夾、校正零件過程中大量占用機(jī)床加工時間的問題，可一邊加工一邊裝夾另一件零件， 使加工效率大幅度提高。
圖1VM2050P定梁雙交換臺龍門加工中心
圖1為江蘇新瑞機(jī)床集團(tuán)展出的VM2050P定梁雙交換臺龍門加工中心，該機(jī)床采用立臥兩用可以臥式分度的大功率主軸， 采用前四后二結(jié)構(gòu)排列軸承有效的提高了主軸的剛性，同時采用德國ZF公司的兩檔變速齒輪箱， 更有效的提高了主電機(jī)傳動扭矩， 因而使主軸輸出扭矩更大。該機(jī)床具有“交換工作臺”功能，有效的提高了加工精度。
國產(chǎn)龍門五軸聯(lián)動的發(fā)展趨勢:五軸聯(lián)動數(shù)控是數(shù)控技術(shù)中難度最大、應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)。它集計算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工技術(shù)于一體，應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動化加工。五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床是發(fā)電、船舶、航天航空、模具、高精密儀器等民用工業(yè)和軍工部門迫切需要的關(guān)鍵加工設(shè)備。國際上把五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)作為衡量一個國家工業(yè)化水平的標(biāo)志。五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用大大提高了加工效率，同時機(jī)械加工精度也有了質(zhì)的飛躍，符合市場的需要，同時因為市場的需要也促進(jìn)了五軸聯(lián)動機(jī)床的發(fā)展。
新技術(shù)的采用:裝備制造業(yè)是一國工業(yè)之基石，它為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供重要的手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。機(jī)床是一個國家制造業(yè)水平的象征，只有不斷應(yīng)用新的技術(shù)，新的結(jié)構(gòu)才能使整個機(jī)床行業(yè)取得長足的進(jìn)步，才能造出更多的機(jī)床精品。
國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)及關(guān)鍵功能部件在高檔龍門機(jī)床中的應(yīng)用:機(jī)床是制造業(yè)的工作母機(jī)，以高檔數(shù)控機(jī)床為代表的先進(jìn)裝備制造業(yè)是衡量國家工業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志。而數(shù)控系統(tǒng)則是數(shù)控機(jī)床的“心臟”，五軸聯(lián)動的高檔數(shù)控系統(tǒng)更是高檔數(shù)控機(jī)床不可缺少的核心部件。一些關(guān)鍵功能部件也在其中起著極其重要的作用，如五軸聯(lián)動中的擺頭等。
通過以上研究特點我們可以看到，我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的總體發(fā)展趨勢與國際數(shù)控機(jī)床的技術(shù)趨勢是一致的。主要仍然朝高精度、高速度、復(fù)合化、多軸聯(lián)動、柔性化、大型化等技術(shù)方向發(fā)展。高檔數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為本屆展會的主流，這完全符合當(dāng)前我國機(jī)床市場對高檔數(shù)控機(jī)床的需要， 也完全符合國家實施“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”重大專項的發(fā)展方向和目標(biāo)。
國內(nèi)龍門機(jī)床與國外機(jī)床的差距：我國是世界上機(jī)床產(chǎn)量最高的國家，但目前在國際市場競爭中仍處于較低水平，在國內(nèi)市場也面臨著嚴(yán)峻的形勢。一方面國內(nèi)市場對各類機(jī)床產(chǎn)品特別是數(shù)控機(jī)床有大量的需求，而另一方面卻有不少國產(chǎn)機(jī)床滯銷積壓，國外機(jī)床產(chǎn)品卻占有大量市場份額。國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場占有率逐年下降，1999年是33.%6，2003年僅占27.7%；而進(jìn)口額逐年上升，1999年為8.78億美元(7624臺)，2003年達(dá)27.1億美元(23320臺)，相當(dāng)于同年國內(nèi)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值的2.7倍。數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與國外還有很大差距，到目前為止，國內(nèi)技術(shù)含量較低的簡易數(shù)控車床仍占主導(dǎo)地位，高檔數(shù)控機(jī)床及功能部件大多數(shù)依靠進(jìn)口。影響我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品及其裝備發(fā)展的癥結(jié)主要在以下幾個方面:
(1)我國數(shù)控技術(shù)、數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品與世界先進(jìn)水平存在差距：國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)及伺服和驅(qū)動技術(shù)比世界先進(jìn)水平落后10~15年;設(shè)計手段及設(shè)計工具落后8~10年;元器件應(yīng)用水平落后6~8年:在基礎(chǔ)零件供應(yīng)及工藝過程可靠性保障等方面都存在很大差距。
(2)國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品與國外同類產(chǎn)品的差距：造成國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場占有率逐年下降的直接原因是我國數(shù)控機(jī)床整機(jī)的開發(fā)能力遠(yuǎn)低于世界先進(jìn)水平。主要體現(xiàn)在:產(chǎn)品開發(fā)和交貨周期長；產(chǎn)品性能、機(jī)床質(zhì)量和可靠性較差；數(shù)控機(jī)床外觀質(zhì)量落后于國外產(chǎn)品，價格優(yōu)勢逐漸喪失;國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床沒有形成占市場主導(dǎo)地位的名牌產(chǎn)品等?？傊?，人才匾乏、手段老化、缺少創(chuàng)新己嚴(yán)重制約了我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
(3)數(shù)控系統(tǒng)與世界先進(jìn)水平的差距：盡管我國數(shù)控技術(shù)的攻關(guān)項目相對集中在數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面，數(shù)控系統(tǒng)仍然是數(shù)控機(jī)床發(fā)展的最大“瓶頸”。國產(chǎn)機(jī)床產(chǎn)品的市場被國際壟斷商奪去;科技攻關(guān)成果的技術(shù)水平與國外先進(jìn)水平差距仍然很大;雖然我國自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)沒有跟著國外的系統(tǒng)走，但數(shù)控技術(shù)的發(fā)展缺少共同的軟件規(guī)范和支撐平臺，因此離系列化、產(chǎn)業(yè)化還有距離。
(4)我國數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展體制上存在問題：國內(nèi)數(shù)控裝備的性能、質(zhì)量和性能價格比在市場競爭中難以與國外產(chǎn)品抗衡;資金環(huán)境方面，由于數(shù)控機(jī)床廠家都正經(jīng)歷著向市場經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的艱難過程，經(jīng)濟(jì)效益差，流動資金短缺;人才環(huán)境方面，數(shù)控產(chǎn)業(yè)的優(yōu)秀人才和其它高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)一樣也出現(xiàn)了向國外、外資企業(yè)、獨資企業(yè)流失的趨勢，造成了數(shù)控技術(shù)人才的匾乏;企業(yè)環(huán)境方面，由于國有企業(yè)轉(zhuǎn)型尚未完成，企業(yè)經(jīng)營機(jī)制落后，導(dǎo)致企業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)效率低下，使得數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)難以適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展;這是影響企業(yè)發(fā)展的最根本的因素[2]。
1.2.2國外龍門機(jī)床的研究概況
市場的開放性和全球化，促使機(jī)床產(chǎn)品的競爭日趨激烈，而決定機(jī)床產(chǎn)品競爭力的指標(biāo)是產(chǎn)品的上市時間(Tmie)、產(chǎn)品質(zhì)量(Qualiyt)、成本(Cost)、創(chuàng)新能力(Creation)和服務(wù)(Sevice)。用戶在追求高質(zhì)量產(chǎn)品的同時，會更多地追求低的價格和短的交貨期。這就要求企業(yè)改變過去傳統(tǒng)的設(shè)計、生產(chǎn)和管理模式，最大限度地利用虛擬設(shè)計手段，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，降低成本，并努力縮短交貨期，同時還需要快速響應(yīng)市場和用戶的變化，利用有利時機(jī)快速搶占市場。美國制造業(yè)在20世紀(jì)50至60年代主要以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模作為企業(yè)競爭力的第一要素，而在70年代競爭力的第一要素為降低生產(chǎn)成本，80年代為提高產(chǎn)品質(zhì)量，90年代為市場響應(yīng)速度。所以現(xiàn)代每個企業(yè)都期望通過提高自身的科技含量，采用先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)和手段，以加快設(shè)計速度，提高設(shè)計質(zhì)量，增強(qiáng)競爭力。機(jī)床虛擬設(shè)計技術(shù)就是為適應(yīng)這種形勢的變化而提出來的。
目前，世界上加工中心的發(fā)展總趨勢是提高性能、降低價格、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展、滿足用戶不斷提高勞動生產(chǎn)率的需求。總而言之，市場和用戶對加工中心提出了越來越高的要求，如何加速培養(yǎng)人才、加強(qiáng)科研開發(fā)、緊密合作是滿足市場需求的關(guān)鍵。由于加工中心具有很多優(yōu)點，它能實現(xiàn)自動換刀(ATC)、自動換工件(AWC)，能實現(xiàn)銑、鉆、銼、攻絲甚至磨削工序等的復(fù)合，還具有多軸聯(lián)動、加工任意曲面并可代替鉆床、銑床、鏗床等的功能，因此對于復(fù)雜零件的加工，加工中心的“特長”可以得到充分發(fā)揮，其數(shù)量和使用范圍得以不斷增加和擴(kuò)大。對于汽車、飛機(jī)、模具及其它裝備制造業(yè)等用途廣泛，在21世紀(jì)機(jī)械加工行業(yè)中，加工中心的發(fā)展前景將更為廣闊。
國外發(fā)達(dá)國家數(shù)控機(jī)床發(fā)展的成功經(jīng)驗是:在掌握數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)后，要在政府的支持下，在科研開發(fā)上進(jìn)行扶持，直接給企業(yè)提供科研貸款，限制進(jìn)口機(jī)床產(chǎn)品，保護(hù)本國機(jī)床工業(yè)整體利益，企業(yè)要大力開拓市場，提高產(chǎn)品競爭力。為了加速振興我國的機(jī)床制造業(yè)，當(dāng)前宜加強(qiáng)以下五方面的研究和發(fā)展工作:
1.以高速化為先導(dǎo)，提高數(shù)控機(jī)床的綜合性能。
2.加快數(shù)控機(jī)床向高效柔性化和高精化發(fā)展的步伐，推進(jìn)納米級精度機(jī)床工程的規(guī)劃和實施。
3.加強(qiáng)發(fā)展多功能復(fù)合加工的數(shù)控機(jī)床來提高單件和中小批量生產(chǎn)的加工精度和高效柔性化。
4.對于中大批量生產(chǎn)、發(fā)展快速重組制造系（RePaidlyRecnofigurb-ale ManufaCturingSystem簡稱RRMS）和可重構(gòu)機(jī)床（Reconfigurable Machine Tool簡稱RMT）將是一個合理的解決方案。
5發(fā)展網(wǎng)絡(luò)制造單元以適應(yīng)數(shù)字化企業(yè)的構(gòu)建[8]。
1.3主要研究內(nèi)容
本文題目來源于企業(yè)合作項目，以已有的車銑加工中心立柱技術(shù)研究成果為基礎(chǔ)，針對立柱結(jié)構(gòu)與工藝面加工方法，進(jìn)行以下研究：
1.極限條件下的立柱結(jié)構(gòu)的靜動剛度，即在滿足加工要求的條件下，它的結(jié)構(gòu)變形是否在許可的范圍內(nèi)。在靜動剛度檢驗的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行動態(tài)特性的預(yù)算，并檢驗它的可用性。
2.對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)分析，研究它的固有頻率、響應(yīng)等問題。并通過分析上述特性知道立柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
3.在滿足加工精度的條件下，使其結(jié)構(gòu)及厚度最優(yōu)化，減少物質(zhì)的浪費，用最少的材料設(shè)計出滿足加工精度的立柱結(jié)構(gòu)。
第2章 左右立柱結(jié)構(gòu)分析
2.1 按極限進(jìn)給切削時立柱端面的受力分析
2.1.1 某大型數(shù)控龍門鏜銑床主要技術(shù)參數(shù)
由某大型數(shù)控龍門鏜銑床（下面簡稱機(jī)床）設(shè)計技術(shù)協(xié)議書及設(shè)計計算文件可知：
機(jī)床主軸電機(jī)功率:18.5kW
主電機(jī)額定轉(zhuǎn)速:1500r/min
主傳動系統(tǒng)最大傳動比:7.51
機(jī)床主軸的最大輸出扭矩:845Nm
按照機(jī)床技術(shù)協(xié)議書以及附加技術(shù)條件及要求通過計算已確定該機(jī)床以直徑80mm的鉆頭鉆削45#鋼（調(diào)質(zhì)）工件的極限進(jìn)給量fDZ為0.26mm/r。以直徑200mm的盤銑刀（P 齒）盤銑 45#鋼（調(diào)質(zhì)）的工件削深度為 10mm時的極限進(jìn)給量afm 為 0.68mm/r。
2.1.2 以極限進(jìn)給量切削時作用于機(jī)床主軸的最大切削載荷
通過分析及計算已確定：極限鉆削進(jìn)給量f DZ為0.26mm/r狀態(tài)下作用于機(jī)床主軸端最大切削力為42022N，，它沿X Y Z方向分量分別為31744N，10577N，25422N：極限銑削進(jìn)給量a fm為0.68mm/r時，作用于機(jī)床主軸端最大切削力為15309N，沿X Y Z方向分量分別為10131N, 8443N, 7444N。
2.1.3 影響機(jī)床立柱端面作用力的主要因素及受力分析
2.1.3.1機(jī)床主軸最大切削載荷：
機(jī)床主軸最大切削載荷是影響立柱最大載荷的主要因素。將本文2.1.2列出的極限鉆削進(jìn)給量下主軸最大切削力42022N及其X Y Z各方向分量31744N，10577N，25422N，與極限盤銑進(jìn)給量下主軸最大切削力15309N及其X Y Z各方向分量10131N，8443N，7774N一一對照，可知在極限鉆削進(jìn)給量狀況下主軸端部X Y Z 各方向的最大切削力分量均大于在極限盤銑進(jìn)給量狀況下的情況,因此確定以極限鉆削進(jìn)給量狀況下作用在機(jī)床主軸端部的最大切削載荷作為計算依據(jù)。為了計算立柱端面的最大作用力，顯然應(yīng)將鉆頭下伸到極限位置（如圖 2-1） 。設(shè)鉆頭下伸達(dá)極限位置時鉆頭頂端 T點至立柱上端面的距離為 Z，由機(jī)床設(shè)計圖紙可確定的名義值為1100mm。
2.1.3.2主軸箱和拖板以及橫梁自重
根據(jù)設(shè)計圖紙及相關(guān)資料可估算出主軸箱和拖板的自重W1約為24900N，橫梁自重W2 約為48452N,它們也是決定立柱最大載荷的重要因素。
由于橫梁結(jié)構(gòu)具有對稱性，因此可確定橫梁重心位置在橫梁跨中截面中央。為了計算簡便起見，可假設(shè)主軸箱和拖板合成重心位于機(jī)床主軸軸線。設(shè)機(jī)床主軸軸線離立柱正面的距離為 S（圖 2-1） 。由機(jī)床設(shè)計圖紙可估算得 S=400mm。
圖2-1加工中心結(jié)構(gòu)簡圖
2.1.3 .3機(jī)床主軸所處位置對立柱端面作用力的影響
因為橫梁等大件的結(jié)構(gòu)對稱，有些設(shè)計者習(xí)慣將機(jī)床主軸置于橫梁跨中位置計算立柱端面的作用力。有關(guān)的分析計算已表明將機(jī)床主軸移到橫梁左或右端部極限位置（如圖 2-1）并以極限進(jìn)給量鉆削可使機(jī)床立柱端面的作用力達(dá)到最大值。
2.1.3.4 立柱端面的螺栓孔及其簡化假設(shè)
由設(shè)計圖紙可知，機(jī)床立柱端面共有10個螺栓孔。螺栓孔的分布如圖（2-2a）所示。每根立柱通過個螺栓與橫梁緊密連接。機(jī)床工作時，機(jī)床主軸最大切削載荷、橫梁自重、主軸箱和拖板自重均通過橫梁與立柱的接觸面以及10個螺栓傳遞給立柱。為了使所研究的問題不至于太復(fù)雜，基于圣文南原理這里可提出一項偏安全的簡化假設(shè)：機(jī)床工作時，主軸的最大切削載荷、橫梁自重、主軸箱和拖板自重僅通過圖（2-2b）所示的立柱端面的10個工作點（即圖2-2a中10個螺栓孔中心點）傳遞給立柱結(jié)構(gòu)[9]。
圖2-2工作點示意圖
2.1.3 .5立柱上端面工作點編號以及各工作點作用力符號
立柱端面10個工作點的編號如圖2-2（b）所示，各工作點的作用力分解成X 、Y 、Z 三個方向分量。本文規(guī)定，表示第 工作點作用力沿 X、Y 、Z 三方向分量的符號應(yīng)設(shè)置下角標(biāo) ix，iy 及 iz。 例如 fix，fiy ，fiz 。若作用力的 X，或Y ，或 Z分量為正值，則該分量指向 X，或Y ，或 Z軸；若作用力的 X，或 Y，或Z分量為負(fù)值，則該分量的指向與 X，或 Y，或Z 軸方向反向。
2.1.3 .6主軸箱和拖板自重與機(jī)床主軸最大切削載荷的合并
由于主軸箱和拖板自重作用線與機(jī)床主軸軸線重合，并且機(jī)床主軸最大切削載荷Z方向分量鉛垂向上作用，因此主軸箱和拖板的自重與機(jī)床主軸最大切削載荷合并后，作用于機(jī)床主軸端部A點的最大切削載荷X和Y方向分量仍為Px=31744N, Py=10577N,但機(jī)床主軸端部A點最大載荷Z方向分量Pz僅為522N。
2.1.3.7 由橫梁自重導(dǎo)致的立柱端面工作點的作用力
由于橫梁具有足夠剛性，可認(rèn)為橫梁將自重之半均勻分布于右側(cè)或左側(cè)立柱端面各工作點。設(shè)由橫梁自重導(dǎo)致立柱端面各工作點沿Z方向作用力為f1z’，f2z’······f10z’則：
f1z'=f2z'·····=f10z’= —w/2x10= —2423N
2.1.3 .8由Px導(dǎo)致立柱端面各工作點的作用力
主軸軸線至立柱端面中心G點的距離XA=S + B/2，式中為B立柱寬度（圖1，2）由圖紙查得B=900mm。因此XA =400+450=850mm。
設(shè)Px柱端面引起的力矩為Xxoz（與xoz平面平行的力矩） （圖2-3)則：
圖2-3力矩圖
Mxoz=P x·Z a=31774·1100/1000=34918NM
Mxoz可分解成立柱端面10作點的Z作用力：f1z，f2z······f10z（如圖2-4）。由于各力的大小方向符合圖2-5所示規(guī)律，因此由力平衡條件可列出：
圖2-4力的作用
f1z·0.83+2f2z·0.66+2f3z·0.34=34918
f2z/f1z=660/830
f3z/f1z=340/830
f1z= -f6z
f2z=f10z=-f5z=-f7z
f3z=f9z=-f4z=-f8z
圖2-5力的大小方向示意
由上列方程可解得：
f1z= -f6z=16179N
f2z=f10z=-f5z=-f7z=12865N
f3z=f9z=-f4z=-f8z=6628N
設(shè)由Px的立柱端面工作點X向作用力分別為f1z”，f2z”·····f10z”。不難理解，它們各自大小及方向均相同，即：
f1z”=f2z”······=f10z”=Px/10=3174N
2.1.3 .9由Py導(dǎo)致立柱端面工作點的作用力
Py在立柱端面引起的力矩為MYOZ（與YOZ平面平行的力矩），則：
MYOZ =Py·ZD =10577· 1100/1000=11635NM
令MYOZ引起立柱端面各工作點Z向作用力分別為f1z’，f2z’··f10z’它們分布規(guī)律如圖2-3所示，即：
f1z'=f6z'=0
f2z'=f5z'=f3z'=f4z
f7z'=f8z'=f9z'=f10z'= -f2z'
為此，由力平衡條件可列出：
4f7z' ·560/1000=MYOZ=11635Nm
于是由（15），（16）及上式可解得：
f7z'=f8z'=f9z'=f10z'= 5194N
f2z'=f5z'=f'3z=f4z'=—5194N
Py還在立柱端面內(nèi)產(chǎn)生扭矩MYOZ，它使端面各作用點承受剪切力Ti，剪切力大小與工作點至G點距離Ri成正比，剪切力作用方向與各工作點至端面中心G點連線相垂直（圖2-4）。
由于結(jié)構(gòu)對稱|T1|=|T6|，|T2|=|T5|=|T7|=|T10|，|T3|=|T4|=|T8|=|T9|，R1=R6，R2=R5=R7=R10，R3=R4=R8=R9，，因此由力平衡方程式,列出：
MYOZ =Px·ZA=8990Nm
2T1R1+ 4T2R2+ 4T3R3= MYOZ
T2/T1=R2/R1=0.433/0.415
T3/T1=R3/R1= 0.328/0.415
由上述方程可解得：
|T1|=|T6|=2447N
|T2|=|T5|=|T7|=|T10|=2553
|T3|=|T4|=|T8|=|T9|=1934N
為了便于分類及歸并，需將剪切力Ti分解成沿X及Y方向分量fix”及fiy”。通過計算可求得R2及R3與X軸軸線方向所夾銳角分別為40.31°和58.74°。對照圖2-4不難求得：
f1x'=f6x'=0
f1y'= -f6y'=T1=2447N
f2x'=f5x'= -f7x'= -f10x'=T2sin40.31°=1652N
f2y'= -f5y'= -f7y'=f10y'=T2cos40.31°=1946N
f3x'=f4x'= -f8x'= -f9x'=T3sin58.74°=1653N
f3y'= -f4y'= -f8y'=f9y'=T2cos58.74°=1004N
Py還會在立柱端面各工作點產(chǎn)生沿Y方向的作用力f1y’f2y’······f10y’，顯然：
f1y’=f2y’······=f10y’=Fy/10=10577/10=1058N
2.1.3 .10由Pz導(dǎo)致立柱端面各工作點的作用力
將Pz與橫梁自重之半比較：
2|P|/W2=522·2/48452=2%
令Pz對立柱端面產(chǎn)生力矩為MxOZ（平行于XOZ平面的力矩）
MxOZ’=Pz·Xa=444Nm
將MxOZ’與Px在立柱端面產(chǎn)生力矩MxOZ 相比較：
MxOZ’/MxOZ=444/34918=1.3%
為此，由Pz導(dǎo)致立柱端面各工作點的作用力可忽略不計。
2.1.3 .11按極限進(jìn)給量切削時機(jī)床立柱端面各工作點的總的作用力
以Fix與Fiy及Fiz分別表示按極限進(jìn)給量切削時機(jī)床立柱端面各工作點承受的總作用力沿X，Y，Z方向分量。利用上面計算分析結(jié)果可確定：
Fix=fix”+fix’ (2-1)
Fiy=fiy”+fiy’ (2-2)
Fiz=fiz+fiz’+fiz” (2-3)
將第8節(jié)，第9節(jié)，第10節(jié)的計算結(jié)果代入上式計算，可得各工作點的Fix，F(xiàn)iy，F(xiàn)iz及數(shù)值如下表2-1,表2-2所示：
表2-1各工作點作用力
總作用力
1
2
3
4
5
Fix(N)
3174
4826
4827
4827
4826
Fiy(N)
3505
3004
2026
54
-888
Fiz(N)
13756
5248
-989
-14245
-20482
總作用力
6
7
8
9
10
Fix(N)
3147
1522
1521
1521
1522
Fiy(N)
-10389
-88
54
2062
3044
Fiz(N)
-18602
-10094
-3857
9399
1566
表2-2各工作點作用力
2.2立柱導(dǎo)軌工藝面的精度影響因素及立柱導(dǎo)軌直線度分析
2.2.1立柱導(dǎo)軌工藝面的精度要求及影響因素
直線導(dǎo)軌的精度可分為行走平行度、高度的成對相互差及寬度的成對相互差。行走平行度是指將導(dǎo)軌用螺栓固定在基準(zhǔn)面上，使滑塊在導(dǎo)軌全長上運(yùn)行時，滑塊與導(dǎo)軌基準(zhǔn)面之間的平行度誤差。高度的成對相互差是指組合在同平面上的各個滑塊的高度尺寸的最大值與最小值之差。寬度的成對相互差是指裝在單支導(dǎo)軌上的每個滑塊與導(dǎo)軌基準(zhǔn)面之間的寬度尺寸的最大值與最小值之差。不同的設(shè)備可選用不同精度的導(dǎo)軌。對其精度要求如下：
1.精度保持性：精度保持性是指導(dǎo)軌工作過程中保持原有幾何精度的能力。導(dǎo)軌的精度保持性主要取決于導(dǎo)軌的耐磨性極其尺寸穩(wěn)定性。耐磨性與導(dǎo)軌副的材料匹配、受力、加工精度、潤滑方式和防護(hù)裝置的性能的因素有關(guān)，另外，導(dǎo)軌及其支承件內(nèi)的殘余應(yīng)力也會影響導(dǎo)軌的精度保持性。
2.抗振性與穩(wěn)定性：抗振性是指導(dǎo)軌副承受受迫振動和沖擊的能力，而穩(wěn)定性是指在給定的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下不出現(xiàn)自激振動的性能。
3.導(dǎo)向精度：導(dǎo)向精度是指運(yùn)動構(gòu)件沿導(dǎo)軌導(dǎo)面運(yùn)動時其運(yùn)動軌跡的準(zhǔn)確程度。影響導(dǎo)向精度的主要因素有導(dǎo)軌承導(dǎo)面的幾何精度、導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)類型、導(dǎo)軌副的接觸精度、表面粗糙度、導(dǎo)軌和支承件的剛度、導(dǎo)軌副的油膜厚度及油膜剛度，以及導(dǎo)軌和支承件的熱變形等。
直線運(yùn)動導(dǎo)軌的幾何精度一般包括：垂直平面和水平平面內(nèi)的直線度；兩條導(dǎo)軌面間的平行度。導(dǎo)軌幾何精度可以用導(dǎo)軌全長上的誤差或單位長度上的誤差表示。
4.運(yùn)動靈敏度和定位精度：運(yùn)動靈敏度是指運(yùn)動構(gòu)件能實現(xiàn)的最小行程；定位精度是指運(yùn)動構(gòu)件能按要求停止在指定位置的能力。運(yùn)動靈敏度和定位精度與導(dǎo)軌類型、摩擦特性、運(yùn)動速度、傳動剛度、運(yùn)動構(gòu)件質(zhì)量等因素有關(guān)。
5.剛度：導(dǎo)軌抵抗受力變形的能力。變形將影響構(gòu)件之間的相對位置和導(dǎo)向精度，這對于精密機(jī)械與儀器尤為重要。導(dǎo)軌變形包括導(dǎo)軌本體變形導(dǎo)軌副接觸變形，兩者均應(yīng)考慮。
影響機(jī)床導(dǎo)軌精度度的因素很多,概括起來有以下幾個方面:
(1)導(dǎo)軌制造誤差
盡管機(jī)床是加工機(jī)器的機(jī)器,但其導(dǎo)軌也是在一定的工藝系統(tǒng)條件下加工出來的被 加工件。所以,就會不可避免地存在一定的加工誤差。對于合格的導(dǎo)軌,其誤差值相對于一般加工件來說要小得多。
(2)導(dǎo)軌的安裝誤差
設(shè)備基礎(chǔ)(地基)情況不好或者安裝方法不當(dāng),會導(dǎo)致導(dǎo)軌的彎曲變形。這時產(chǎn)生的導(dǎo)軌直線度誤差可能大于其制造誤差。安裝時,在有良好基礎(chǔ)的前提下,還要對機(jī)床的正確位置進(jìn)行嚴(yán)格的測量和校正,這一過程貫穿于機(jī)床的整個工作壽命中。
(3)導(dǎo)軌磨損
在機(jī)床的使用過程中,由于受力不均,導(dǎo)軌工作一段時間后,其水平方向和垂直方向各段的磨損量會不同,這就導(dǎo)致床鞍的運(yùn)動基準(zhǔn)不斷發(fā)生變化,刀具的運(yùn)動位置也就不可能準(zhǔn)確,相應(yīng)的刀具與被加工件的相對位置就會有所改變。
(4)其他因素
在機(jī)床的使用過程中,由于切削力、自激振動、溫升及熱變形等因素的影響,導(dǎo)軌的直線度誤差會發(fā)生一定的變化,影響導(dǎo)向精度。
2.2.2立柱導(dǎo)軌直線度分析
2.2.2.1機(jī)床導(dǎo)軌直線度誤差
機(jī)床導(dǎo)軌精度指標(biāo)主要有導(dǎo)軌水平面的直線度、垂直面的直線度和雙導(dǎo)軌間在垂直方向的平行度。在機(jī)械零件加工中，機(jī)床導(dǎo)軌直線度誤差直接影響到零件的加工質(zhì)量。因此機(jī)床導(dǎo)軌直線度誤差的測量和評定十分重要。
導(dǎo)軌是確定機(jī)床中主要部件相對位置的基準(zhǔn),同時也是運(yùn)動的基準(zhǔn),其誤差與被加工工件的加工精度有著直接的關(guān)系。直線度誤差是指被測實際要素對其理想要素的變動量。在機(jī)床的精度標(biāo)準(zhǔn)中,機(jī)床導(dǎo)軌的直線度誤差包括導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差Δy、導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差Δz。機(jī)床導(dǎo)軌直線度誤差對加工精度的影響工藝系統(tǒng)的誤差是產(chǎn)生工件加工誤差的根源,因此,也