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(jì)（哈理工）,加工,中心,左右,擺布,立柱,結(jié)構(gòu),工藝,制造,設(shè)計(jì),理工 哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開 題 報(bào) 告 姓 名 ： 車 嘯 龍 學(xué) 號(hào) ： 0701011110 專 業(yè) ：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) ： 機(jī)械07-11 指導(dǎo)教師 ： 姜 彬 2011 年 3 月 27 日 課題題目及來(lái)源： 題目： 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(jì) 來(lái)源： 企業(yè)合作項(xiàng)目 課題研究的意義和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀： 課題研究的意義: 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(duì)龍門機(jī)床產(chǎn)生重大影響 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀： 我國(guó)機(jī)床立柱在進(jìn)入21世紀(jì)后連續(xù)8年保持快速發(fā)展的良好形勢(shì)，我們的一些企業(yè)也能做出來(lái)，與機(jī)床要求相符合的立柱，但是他們是用普通機(jī)床做出高精度的功能部件，這些產(chǎn)品也能用在一些高檔的數(shù)控機(jī)床上面，但是它的精度的穩(wěn)定性和保持性不行，再加上原材料的問(wèn)題和工藝水平問(wèn)題 目前國(guó)外的機(jī)床立柱研究和國(guó)內(nèi)最大差別是精度與可靠性，以及機(jī)床立柱的制造工藝水平與質(zhì)量，這就是國(guó)外產(chǎn)品的最大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)國(guó)外研究趨于低碳環(huán)保的制造模式，降低生產(chǎn)成本 （龍門架立柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)由四角的四根角鋼和與其內(nèi)側(cè)垂直連接的方框組成，每節(jié)立柱下端所連方框底面縮進(jìn)立柱長(zhǎng)度為L(zhǎng)，其上端所連方框頂面伸出立柱長(zhǎng)度為l，l＜L。相鄰兩節(jié)立柱四角角鋼上下對(duì)應(yīng)插接扣合，相鄰兩節(jié)立柱相鄰方框通過(guò)連接件連接。方框由四根角鋼連接而成，組成每節(jié)立柱下端所連方框的角鋼夾角斜向上方，組成每節(jié)立柱上端所連方框的角鋼夾角斜向下方） 課題研究的主要內(nèi)容和方法，研究過(guò)程中的主要問(wèn)題和解決辦法： 課題研究的主要內(nèi)容: 1、根據(jù)其使用要求進(jìn)行受力分析 2、根據(jù)其受力和其他因素（如安裝別的零部件），并參考現(xiàn)有立柱類型，初步?jīng)Q定其形狀和尺寸 3、與機(jī)床其它部件連接處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4、左右立柱與工藝面制造工藝設(shè)計(jì) 5、借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行驗(yàn)算求其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。 研究過(guò)程中的主要問(wèn)題和解決辦法: 主要問(wèn)題：通過(guò)受力和各連接件確定立柱各部分結(jié)構(gòu) 解決方法：通過(guò)考察和調(diào)研，查閱相關(guān)資料，綜合應(yīng)用專業(yè)的理論知識(shí),掌握機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)方法和步驟,在通過(guò)多次的計(jì)算校對(duì)，最后確定設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝。 課題研究所需的參考文獻(xiàn)： [1] 戴曙．金屬切削機(jī)床．機(jī)械工業(yè)出版社，1999：217－238 [2] 杜君文．機(jī)械制造技術(shù)裝備及設(shè)計(jì)．天津大學(xué)出版社，2007：26－33 [3] 周濟(jì)，周艷紅.數(shù)控加工技術(shù). 國(guó)防工業(yè)出版社，2003（04） [4] 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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(gè)機(jī)床的各個(gè)組成部分中 機(jī)床床身和立柱是一個(gè)及其重要的大件 它起著支撐工件和連接工作臺(tái) 主軸箱等關(guān)鍵零部件的作用 立柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸和布局形式 決定了其本身的各個(gè)動(dòng)態(tài)特性 也決定了所加工工件的質(zhì)量 緒論 緒論 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi) 總體發(fā)展趨勢(shì)與國(guó)際數(shù)控機(jī)床的技術(shù)趨勢(shì)是一致的 主要仍然朝高精度 高速度 復(fù)合化 多軸聯(lián)動(dòng) 柔性化 大型化等技術(shù)方向發(fā)展 緒論 國(guó)外研究現(xiàn)狀 世界上加工中心的發(fā)展總趨勢(shì)是提高性能 降低價(jià)格 網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展 滿足用戶不斷提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的需求 總而言之 市場(chǎng)和用戶對(duì)加工中心提出了越來(lái)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(chǎng)需求的關(guān)鍵 第2章左右立柱結(jié)構(gòu)分析 按極限進(jìn)給時(shí)立柱端面的受力分析 第2章左右立柱結(jié)構(gòu)分析 以極限進(jìn)給量切削時(shí)作用于機(jī)床主軸的最大切削載荷 沿XYZ方向分量分別為10131N 8443N 7444N 影響機(jī)床立柱端面作用力的主要因素及受力分析 1 機(jī)床主軸最大切削載荷 2 主軸箱和拖板以及橫梁自重 3 機(jī)床主軸所處位置對(duì)立柱端面作用力的影響 4 立柱端面的螺栓孔及其簡(jiǎn)化假設(shè) 第2章左右立柱結(jié)構(gòu)分析 6 主軸箱和拖板自重與機(jī)床主軸最大切削載荷的合并 7 由橫梁自重導(dǎo)致的立柱端面工作點(diǎn)的作用力 f1z f2z f10z W 2x10 2423N 8 由Px導(dǎo)致立柱端面各工作點(diǎn)的作用力 第2章左右立柱結(jié)構(gòu)分析 9 由Py導(dǎo)致立柱端面工作點(diǎn)的作用力 10 由Pz導(dǎo)致立柱端面各工作點(diǎn)的作用力 11 按極限進(jìn)給量切削時(shí)機(jī)床立柱端面各工作點(diǎn)的總的作用力 由Py導(dǎo)致立柱端面工作點(diǎn)的作用力 第2章左右立柱結(jié)構(gòu)分析 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1 立柱導(dǎo)軌工藝面的精度要求及影響因素要求 精度保持性 抗振性與穩(wěn)定性 導(dǎo)向精度 運(yùn)動(dòng)靈敏度和定位精度 剛度影響因素 導(dǎo)軌制造誤差 導(dǎo)軌的安裝誤差 導(dǎo)軌磨損 其他因素2 立柱導(dǎo)軌直線度分析 1 機(jī)床導(dǎo)軌直線度誤差 第2章左右立柱結(jié)構(gòu)分析 2 立柱導(dǎo)軌直線度分析 1 機(jī)床導(dǎo)軌直線度誤差 第2章左右立柱結(jié)構(gòu)分析 2 機(jī)床導(dǎo)軌直線度的檢驗(yàn)與誤差的精確評(píng)定直線度誤差的測(cè)量方法 水平儀法 將水平儀放置在具有適當(dāng)跨距的板橋上 測(cè)量時(shí) 板橋的2個(gè)支點(diǎn)沿被測(cè)導(dǎo)軌首尾相接地按跨距移動(dòng) 同時(shí) 記錄水平儀讀數(shù) 第2章左右立柱結(jié)構(gòu)分析 直線度誤差的評(píng)定方法 采用構(gòu)造包容線法 第3章左右立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 龍門式立柱的元結(jié)構(gòu)1立柱元結(jié)構(gòu)選型 以立柱的低階固有頻率為選擇標(biāo)準(zhǔn) 通過(guò)ANSYS測(cè)試選型 第3章左右立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2元結(jié)構(gòu)高度h對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響由圖可知 隨高度的增加 元結(jié)構(gòu)的低階固有頻率降低較快 所以在設(shè)計(jì)龍門式立柱時(shí) 應(yīng)根據(jù)工條件 盡可能減小立柱的高度 第3章左右立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3龍門立柱寬度W1對(duì)立柱頻率的影響由圖可知隨著立柱寬度的增加 立柱左右搖擺振動(dòng)頻率提高顯著 而前后方向的振動(dòng)頻率變化不大 圖中A B兩條線在300mm與400mm之間有一個(gè)交點(diǎn) 在交點(diǎn)附近 由于立柱寬度的增加 是立柱左右搖擺的頻率超過(guò)前后搖擺的頻率 第3章左右立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4龍門立柱厚度W2對(duì)立柱固有頻率的影響從圖中曲線可知 增加立柱的厚度 對(duì)立柱前兩階振動(dòng)頻率的提過(guò)效果并不明顯 但從圖b可以看出 增加立柱的厚度對(duì)提高扭轉(zhuǎn)頻率效果較好 第3章左右立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5龍門立柱傾角a對(duì)立柱固有頻率的影響由圖中曲線可知 隨著斜面傾角a的增加 立柱的左右頻率 A曲線 變化不大 同樣前后振動(dòng)頻率 B曲線 與扭轉(zhuǎn)頻率變化不大 第3章左右立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 立柱尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)以上的分析可知 不同的結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)立柱的固有頻率產(chǎn)生一定的影響 具有不同的動(dòng)態(tài)特性 所以根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系的影響和工作條件 初步設(shè)計(jì)立柱總體高度4500mm 立柱寬度800mm 厚度1000mm 傾角為0 壁厚優(yōu)化立柱結(jié)構(gòu)的最大許可彈性變形量為0 4222um 以立柱的壁厚為設(shè)計(jì)變量 而立柱結(jié)構(gòu)的變形為狀態(tài)變量 重量為目標(biāo)函數(shù) 其中設(shè)計(jì)變量和狀態(tài)變量的變化范圍為 立柱的壁厚初始設(shè)計(jì)為50mm 變化范圍設(shè)為O 50mm 狀在ANSYS下建立參數(shù)化立柱的有限元模型 立柱的壁厚由原來(lái)的50mm變化為35mm 即壁厚變小 第3章左右立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 立柱整體鑄造原則及工藝由于其材料應(yīng)滿足以下一些要求 在扭轉(zhuǎn) 彎曲 壓縮等外力作用下 產(chǎn)生的變形要小 所以選用HT300原因 1 吸震性要好 2 耐磨性能好 能長(zhǎng)期保持初始的精度 3 由于機(jī)床鑄件筋多 形狀復(fù)雜 因此要求其材料的鑄造性能要好 鑄造方法選擇的原則 一 兼顧鑄件的精度要求和成本 二 鑄造方法應(yīng)和生產(chǎn)批量相適應(yīng) 第4章左右立柱與工藝面制造工藝 鑄造工藝方案的確定 1分型面的確定2澆注位置的確定加工參數(shù)3澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)4防止鑄件裂紋的工藝措施5鐵液準(zhǔn)備方案6澆注過(guò)程控制級(jí)鑄件應(yīng)力退火 第4章左右立柱與工藝面制造工藝 立柱導(dǎo)軌的制造工藝導(dǎo)軌的鑄造工藝方案的確定 1 分型面的確定 2 鑄造收縮率的確定 3 冒口形式及位置的確定 4 導(dǎo)軌中頻感應(yīng)淬火 5 導(dǎo)軌涂層材料及工藝技術(shù) 第4章左右立柱與工藝面制造工藝 工藝面制造工藝設(shè)計(jì)1立柱導(dǎo)軌面制造工藝設(shè)計(jì) 1 工藝面加工要求 精度等級(jí)不低于IT7 表面粗糙度不低于0 4 2 工藝方法 工工藝搭子法 3 刀具選用 硬質(zhì)合金面銑刀 200mm z 10 4 工藝路線及參數(shù)選定 粗銑 精銑 粗磨 精磨 第4章左右立柱與工藝面制造工藝 工藝面制造工藝設(shè)計(jì)1立柱導(dǎo)軌面制造工藝設(shè)計(jì) 1 工藝面加工要求 精度等級(jí)不低于IT9 表面粗糙度不低于3 2 2 工藝方法 百分表水平儀對(duì)照法 第4章左右立柱與工藝面制造工藝 特別說(shuō)明 3 刀具選用 硬質(zhì)合金面銑刀 200mm z 10 4 工藝路線及參數(shù)選定 粗銑 精銑 結(jié)論 1 由于立柱在加工工件的過(guò)程中 要具有好的剛度即其變形量要小 在借助ANSYS環(huán)境下運(yùn)行 得出初始結(jié)構(gòu)的最大變形為0 0004222mm 因此可以通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化 達(dá)到耗材最少的目的2 在理論基礎(chǔ)上 通過(guò)運(yùn)算 得出立柱結(jié)構(gòu)的階固有頻率及其振型 為預(yù)測(cè)其在不同的環(huán)境下工作的振動(dòng)情況提供了理論參考 3 現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展對(duì)提供工作母機(jī)的機(jī)床工業(yè)提出了越來(lái)越高的要求 除了要求機(jī)床具有越來(lái)越高的加工性能以外 還著重要求機(jī)床重量輕 成本低 使用方便和具有良好的加工工藝性 致謝 致謝本文是在姜彬教授的悉心指導(dǎo)下完成的 在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間 老師在選題 課題研究和撰寫論文的過(guò)程中都給予了我悉心的指導(dǎo)和極大的幫助 使我在理論和實(shí)踐上有了很大的提高 課題的順利完成和我所學(xué)到的知識(shí)及取得的成績(jī)都凝聚著老師的心血 更重要的是 姜老師淵博的學(xué)識(shí) 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度 忘我的工作熱情 值得我終身學(xué)習(xí) 同時(shí)我院研究生李穎 王勝杰在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給予我很大的幫助 運(yùn)用有限元分析法幫我攻克論文中的難點(diǎn) 就此論文完成之際 謹(jǐn)向恩師及學(xué)長(zhǎng)學(xué)姐致以衷心的感謝和崇高的敬意 借此機(jī)會(huì) 還要感謝機(jī)電工程學(xué)院的各位老師 感謝他們?cè)谶@四年中對(duì)我學(xué)習(xí)上給予幫助 最后 對(duì)所有關(guān)心我 支持我 幫助過(guò)我的老師 同學(xué)和朋友們表示衷心的感謝 請(qǐng)各位老師批評(píng)指正謝謝觀看 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 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(jì) 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(guó)防軍工等對(duì)高速高精度加工中心的要求顯著提高。而動(dòng)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(dòng)態(tài)性能具有重要意義。為了保證機(jī)床具有良好的靜動(dòng)剛度、動(dòng)態(tài)特性、精度保持性及加工工藝性，需要在設(shè)計(jì)和制造機(jī)床的過(guò)程中，對(duì)機(jī)床進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，以便能迅速準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)限制機(jī)床動(dòng)態(tài)性能提高的薄弱環(huán)節(jié)，快速、靈活地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，為機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)合理的依據(jù)。對(duì)高精度、高效率和高柔度數(shù)控銑床的研究，首先要對(duì)數(shù)控銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(gè)問(wèn)題： 1.立柱結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，研究它的固有頻率、響應(yīng)等問(wèn)題。并通過(guò)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(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的思想，對(duì)車銑加工中心立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析和仿真，分析、預(yù)測(cè)立柱結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)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(dòng)態(tài)性能。在理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元分析和實(shí)體虛擬仿真，得到立柱結(jié)構(gòu)較真實(shí)的動(dòng)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(jì)技術(shù)指標(biāo)提供了解決途徑和理論依據(jù)，對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用都具有一定的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞：加工中心；立柱結(jié)構(gòu)；制造工藝；動(dòng)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 不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印 - 1- 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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ..................................................................................... 2 1.2.1 國(guó)內(nèi)龍門機(jī)床的研究現(xiàn)狀.................................................................2 1.2.2 國(guó)外龍門機(jī)床的研究現(xiàn)狀.................................................................4 1.3 主要研究?jī)?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(shí)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(shí)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(jì).................................................................................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(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響...............................................21 3.2 龍門式立往結(jié)構(gòu)框架尺寸對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響..................................22 3.2.1 龍門立柱寬度W1對(duì)立柱頻率的影響.............................................22 3.2.2 龍門立柱厚度W2對(duì)立柱固有頻率的影響.....................................23 3.2.3 龍門立柱傾角a對(duì)立柱固有頻率的影響.......................................24 3.3 立柱尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)..............................................................................25 3.4 立柱壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)..................................................................................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(jì)...................................................................................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(guò)程控制級(jí)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(jì)..............................................................................38 4.3.1立柱導(dǎo)軌面制造工藝設(shè)計(jì)................................................................38 4.3.2立柱與滑座連接面制造工藝設(shè)計(jì)....................................................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 千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 - IV - 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(diǎn)是高速、高效、高質(zhì)量和低消耗，鑒于這個(gè)特點(diǎn)，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(gè)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(lái)評(píng)定機(jī)床的加工質(zhì)量，用金屬切除率來(lái)評(píng)定機(jī)床的切削效率。而機(jī)床的加工性能又與其動(dòng)態(tài)性能緊密相關(guān)。事實(shí)證明，隨著機(jī)床加工性能的不斷提高，對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的要求也越來(lái)越高。因此本課題的主要目的是在設(shè)計(jì)階段采用多種方法對(duì)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(duì)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(duì)龍門機(jī)床產(chǎn)生重大影響,隨著人們認(rèn)識(shí)問(wèn)題和解決問(wèn)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(gè)機(jī)床的各個(gè)組成部分中，機(jī)床床身和立柱是一個(gè)及其重要的大件，它起著支撐工件和連接工作臺(tái)、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(jì)尺寸和布局形式，決定了其本身的各個(gè)動(dòng)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(jì)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(dòng)、加工時(shí)刀具與工件間產(chǎn)生相對(duì)變形和振動(dòng)，使零件加工精度降低。因此，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床立柱結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮立柱的靜動(dòng)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(dòng)態(tài)試驗(yàn)和分析技術(shù)的不斷出現(xiàn)，計(jì)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(guò)程中由于動(dòng)態(tài)力的作用而產(chǎn)生的各種問(wèn)題。并能在設(shè)計(jì)階段對(duì)立柱結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能作理論分析，進(jìn)行立柱結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，用經(jīng)濟(jì)、合理的手段獲得具有預(yù)定動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的結(jié)構(gòu)，使立柱發(fā)揮出應(yīng)有的動(dòng)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(diǎn)，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(jì)方法，實(shí)現(xiàn)理論研究與實(shí)際應(yīng)用兩者的統(tǒng)一，對(duì)于切實(shí)解決實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題，具有重大的意義[3]。 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1國(guó)內(nèi)龍門機(jī)床的研究概況 進(jìn)入21世紀(jì)國(guó)內(nèi)龍門機(jī)床研究取得的成就，作為世界第一制造大國(guó)，我國(guó)不斷致力于龍門大型加工中心的研發(fā)，無(wú)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(gè)質(zhì)的飛躍?？偨Y(jié)國(guó)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(dòng)效率的理念， 特別是交換工作臺(tái)的使用克服了傳統(tǒng)單工作臺(tái)龍門機(jī)床在裝夾、校正零件過(guò)程中大量占用機(jī)床加工時(shí)間的問(wèn)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(tái)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(tái)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(shí)采用德國(guó)ZF公司的兩檔變速齒輪箱， 更有效的提高了主電機(jī)傳動(dòng)扭矩， 因而使主軸輸出扭矩更大。該機(jī)床具有“交換工作臺(tái)”功能，有效的提高了加工精度。 國(guó)產(chǎn)龍門五軸聯(lián)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì):五軸聯(lián)動(dòng)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(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)化加工。五軸聯(lián)動(dòng)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(guó)際上把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)作為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平的標(biāo)志。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用大大提高了加工效率，同時(shí)機(jī)械加工精度也有了質(zhì)的飛躍，符合市場(chǎng)的需要，同時(shí)因?yàn)槭袌?chǎng)的需要也促進(jìn)了五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展。 新技術(shù)的采用:裝備制造業(yè)是一國(guó)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(gè)國(guó)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(gè)機(jī)床行業(yè)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，才能造出更多的機(jī)床精品。 國(guó)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(guó)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(dòng)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(dòng)中的擺頭等。 通過(guò)以上研究特點(diǎn)我們可以看到，我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的總體發(fā)展趨勢(shì)與國(guó)際數(shù)控機(jī)床的技術(shù)趨勢(shì)是一致的。主要仍然朝高精度、高速度、復(fù)合化、多軸聯(lián)動(dòng)、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(huì)的主流，這完全符合當(dāng)前我國(guó)機(jī)床市場(chǎng)對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床的需要， 也完全符合國(guó)家實(shí)施“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”重大專項(xiàng)的發(fā)展方向和目標(biāo)。 國(guó)內(nèi)龍門機(jī)床與國(guó)外機(jī)床的差距：我國(guó)是世界上機(jī)床產(chǎn)量最高的國(guó)家，但目前在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中仍處于較低水平，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)。一方面國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)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(guó)產(chǎn)機(jī)床滯銷積壓，國(guó)外機(jī)床產(chǎn)品卻占有大量市場(chǎng)份額。國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)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(tái))，2003年達(dá)27.1億美元(23320臺(tái))，相當(dāng)于同年國(guó)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(guó)外還有很大差距，到目前為止，國(guó)內(nèi)技術(shù)含量較低的簡(jiǎn)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(guó)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(gè)方面: (1)我國(guó)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(guó)內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)及伺服和驅(qū)動(dòng)技術(shù)比世界先進(jìn)水平落后10~15年;設(shè)計(jì)手段及設(shè)計(jì)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(guò)程可靠性保障等方面都存在很大差距。 (2)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品與國(guó)外同類產(chǎn)品的差距：造成國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)占有率逐年下降的直接原因是我國(guó)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(zhǎng)；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(guó)外產(chǎn)品，價(jià)格優(yōu)勢(shì)逐漸喪失;國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床沒有形成占市場(chǎng)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(guó)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(guó)數(shù)控技術(shù)的攻關(guān)項(xiàng)目相對(duì)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(guó)產(chǎn)機(jī)床產(chǎn)品的市場(chǎng)被國(guó)際壟斷商奪去;科技攻關(guān)成果的技術(shù)水平與國(guó)外先進(jìn)水平差距仍然很大;雖然我國(guó)自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)沒有跟著國(guó)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(tái)，因此離系列化、產(chǎn)業(yè)化還有距離。 (4)我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展體制上存在問(wèn)題：國(guó)內(nèi)數(shù)控裝備的性能、質(zhì)量和性能價(jià)格比在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中難以與國(guó)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(chǎng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的艱難過(guò)程，經(jīng)濟(jì)效益差，流動(dòng)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(guó)外、外資企業(yè)、獨(dú)資企業(yè)流失的趨勢(shì)，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(guó)有企業(yè)轉(zhuǎn)型尚未完成，企業(yè)經(jīng)營(yíng)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(chǎng)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(guó)外龍門機(jī)床的研究概況 市場(chǎng)的開放性和全球化，促使機(jī)床產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，而決定機(jī)床產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的指標(biāo)是產(chǎn)品的上市時(shí)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(shí)，會(huì)更多地追求低的價(jià)格和短的交貨期。這就要求企業(yè)改變過(guò)去傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理模式，最大限度地利用虛擬設(shè)計(jì)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(shí)還需要快速響應(yīng)市場(chǎng)和用戶的變化，利用有利時(shí)機(jī)快速搶占市場(chǎng)。美國(guó)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(jìng)爭(zhēng)力的第一要素，而在70年代競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)響應(yīng)速度。所以現(xiàn)代每個(gè)企業(yè)都期望通過(guò)提高自身的科技含量，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和手段，以加快設(shè)計(jì)速度，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。機(jī)床虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)就是為適應(yīng)這種形勢(shì)的變化而提出來(lái)的。 目前，世界上加工中心的發(fā)展總趨勢(shì)是提高性能、降低價(jià)格、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展、滿足用戶不斷提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的需求?？偠灾?，市場(chǎng)和用戶對(duì)加工中心提出了越來(lái)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(chǎng)需求的關(guān)鍵。由于加工中心具有很多優(yōu)點(diǎn)，它能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀(ATC)、自動(dòng)換工件(AWC)，能實(shí)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(dòng)、加工任意曲面并可代替鉆床、銑床、鏗床等的功能，因此對(duì)于復(fù)雜零件的加工，加工中心的“特長(zhǎng)”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(duì)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(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)控機(jī)床發(fā)展的成功經(jīng)驗(yàn)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(guó)機(jī)床工業(yè)整體利益，企業(yè)要大力開拓市場(chǎng)，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。為了加速振興我國(guó)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(jí)精度機(jī)床工程的規(guī)劃和實(shí)施。 3.加強(qiáng)發(fā)展多功能復(fù)合加工的數(shù)控機(jī)床來(lái)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(duì)于中大批量生產(chǎn)、發(fā)展快速重組制造系（RePaidlyRecnofigurb-ale ManufaCturingSystem簡(jiǎn)稱RRMS）和可重構(gòu)機(jī)床（Reconfigurable Machine Tool簡(jiǎn)稱RMT）將是一個(gè)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?jī)?nèi)容 本文題目來(lái)源于企業(yè)合作項(xiàng)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(duì)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(dòng)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(dòng)剛度檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性的預(yù)算，并檢驗(yàn)它的可用性。 2.對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，研究它的固有頻率、響應(yīng)等問(wèn)題。并通過(guò)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(fèi)，用最少的材料設(shè)計(jì)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(shí)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(jiǎn)稱機(jī)床）設(shè)計(jì)技術(shù)協(xié)議書及設(shè)計(jì)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)最大傳動(dòng)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(guò)計(jì)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(shí)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(shí)作用于機(jī)床主軸的最大切削載荷 通過(guò)分析及計(jì)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(shí)，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(duì)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(jì)算依據(jù)。為了計(jì)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(shí)鉆頭頂端 T點(diǎn)至立柱上端面的距離為 Z，由機(jī)床設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)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(jì)算簡(jiǎn)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(jì)圖紙可估算得 S=400mm。 圖2-1加工中心結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.1.3 .3機(jī)床主軸所處位置對(duì)立柱端面作用力的影響 因?yàn)闄M梁等大件的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，有些設(shè)計(jì)者習(xí)慣將機(jī)床主軸置于橫梁跨中位置計(jì)算立柱端面的作用力。有關(guān)的分析計(jì)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(jiǎn)化假設(shè) 由設(shè)計(jì)圖紙可知，機(jī)床立柱端面共有10個(gè)螺栓孔。螺栓孔的分布如圖（2-2a）所示。每根立柱通過(guò)個(gè)螺栓與橫梁緊密連接。機(jī)床工作時(shí)，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(guò)橫梁與立柱的接觸面以及10個(gè)螺栓傳遞給立柱。為了使所研究的問(wèn)題不至于太復(fù)雜，基于圣文南原理這里可提出一項(xiàng)偏安全的簡(jiǎn)化假設(shè)：機(jī)床工作時(shí)，主軸的最大切削載荷、橫梁自重、主軸箱和拖板自重僅通過(guò)圖（2-2b）所示的立柱端面的10個(gè)工作點(diǎn)（即圖2-2a中10個(gè)螺栓孔中心點(diǎn)）傳遞給立柱結(jié)構(gòu)[9]。 圖2-2工作點(diǎn)示意圖 2.1.3 .5立柱上端面工作點(diǎn)編號(hào)以及各工作點(diǎn)作用力符號(hào) 立柱端面10個(gè)工作點(diǎn)的編號(hào)如圖2-2（b）所示，各工作點(diǎn)的作用力分解成X 、Y 、Z 三個(gè)方向分量。本文規(guī)定，表示第 工作點(diǎn)作用力沿 X、Y 、Z 三方向分量的符號(hào)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)。設(shè)由橫梁自重導(dǎo)致立柱端面各工作點(diǎn)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(diǎn)的作用力 主軸軸線至立柱端面中心G點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)承受剪切力Ti，剪切力大小與工作點(diǎn)至G點(diǎn)距離Ri成正比，剪切力作用方向與各工作點(diǎn)至端面中心G點(diǎn)連線相垂直（圖2-4）。 由于結(jié)構(gòu)對(duì)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(guò)計(jì)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(duì)照?qǐng)D2-4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(huì)在立柱端面各工作點(diǎn)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(diǎn)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(duì)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(diǎn)的作用力可忽略不計(jì)。 2.1.3 .11按極限進(jìn)給量切削時(shí)機(jī)床立柱端面各工作點(diǎn)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(shí)機(jī)床立柱端面各工作點(diǎn)承受的總作用力沿X，Y，Z方向分量。利用上面計(jì)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(jì)算結(jié)果代入上式計(jì)算，可得各工作點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(duì)相互差及寬度的成對(duì)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(zhǎng)上運(yùn)行時(shí)，滑塊與導(dǎo)軌基準(zhǔn)面之間的平行度誤差。高度的成對(duì)相互差是指組合在同平面上的各個(gè)滑塊的高度尺寸的最大值與最小值之差。寬度的成對(duì)相互差是指裝在單支導(dǎo)軌上的每個(gè)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(duì)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(guò)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(rùn)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(huì)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(dòng)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(dòng)的性能。 3.導(dǎo)向精度：導(dǎo)向精度是指運(yùn)動(dòng)構(gòu)件沿導(dǎo)軌導(dǎo)面運(yùn)動(dòng)時(shí)其運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)上的誤差或單位長(zhǎng)度上的誤差表示。 4.運(yùn)動(dòng)靈敏度和定位精度：運(yùn)動(dòng)靈敏度是指運(yùn)動(dòng)構(gòu)件能實(shí)現(xiàn)的最小行程；定位精度是指運(yùn)動(dòng)構(gòu)件能按要求停止在指定位置的能力。運(yùn)動(dòng)靈敏度和定位精度與導(dǎo)軌類型、摩擦特性、運(yùn)動(dòng)速度、傳動(dòng)剛度、運(yùn)動(dòng)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(duì)位置和導(dǎo)向精度，這對(duì)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(lái)有以下幾個(gè)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(lái)的被 加工件。所以,就會(huì)不可避免地存在一定的加工誤差。對(duì)于合格的導(dǎo)軌,其誤差值相對(duì)于一般加工件來(lái)說(shuō)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(huì)導(dǎo)致導(dǎo)軌的彎曲變形。這時(shí)產(chǎn)生的導(dǎo)軌直線度誤差可能大于其制造誤差。安裝時(shí),在有良好基礎(chǔ)的前提下,還要對(duì)機(jī)床的正確位置進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)量和校正,這一過(guò)程貫穿于機(jī)床的整個(gè)工作壽命中。 (3)導(dǎo)軌磨損 在機(jī)床的使用過(guò)程中,由于受力不均,導(dǎo)軌工作一段時(shí)間后,其水平方向和垂直方向各段的磨損量會(huì)不同,這就導(dǎo)致床鞍的運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)不斷發(fā)生變化,刀具的運(yùn)動(dòng)位置也就不可能準(zhǔn)確,相應(yīng)的刀具與被加工件的相對(duì)位置就會(huì)有所改變。 (4)其他因素 在機(jī)床的使用過(guò)程中,由于切削力、自激振動(dòng)、溫升及熱變形等因素的影響,導(dǎo)軌的直線度誤差會(huì)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(cè)量和評(píng)定十分重要。 導(dǎo)軌是確定機(jī)床中主要部件相對(duì)位置的基準(zhǔn),同時(shí)也是運(yùn)動(dòng)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(cè)實(shí)際要素對(duì)其理想要素的變動(dòng)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(duì)加工精度的影響工藝系統(tǒng)的誤