V400立式加工中心立柱部分设计.doc

引 言1.1数控加工中心概述数字控制是20世纪中期发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信号进行控制的一种方法16。采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床8。加工中心（Machining Center,简称MC）是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。它是适应省力、省时和节能的时代要求而发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现在控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术的高技术产品，将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可以在一次安装工件后，数控系统控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环形槽及攻螺纹等加工4。随着电子技术的迅速发展，以及各种性能良好的传感器的出现和运用，加工中心的功能日趋完善，这些功能包括：刀具寿命的监视功能，刀具磨损和损伤的监视功能，切削状态的监视功能，切削异常的监视、报警和自动停机功能，自动检测和自我诊断功能及自适应控制功能等1。加工中心还与载有随行夹具的自动托板进行有机连接，并能进行切屑自动处理，使得加工中心成为柔性制造系统、计算机集成制造系统合自动化工厂的关键设备和基本单元。1.2 数控加工中心的分类1.2.1 加工中心的组成加工中心有各种类型，虽然外形结构各异，但总体上是由以下几大部分组成。 （1） 基础部件：由床身、立柱和工作台等大件组成，它们是加工中心结构中的基础部件。这些大件有铸铁件，也有焊接的钢结构件，它们要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载，因此必须具备更高的静动刚度，也是加工中心中质量和体积最大的部件。（2） 主轴部件:由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴是加工中心的关键部件，其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响，它决定着加工中心的切削性能、动态刚到、加工精度等。（3） 数控系统：由CNC装置、可编程控制器、伺服驱动装置及电机等部分组成。（4） 自动换刀装置（ATC）:由刀库、机械手、驱动机构等部件组成。该系统是加工中心区别于其他数控机床的典型装置，它解决工件一次装夹后多工序连续加工中，工序与工序间的刀具自动储存、选择、搬运和交换任务。（5） 自动托盘交换系统。（6）辅助装置：包括润滑、冷却、排屑、防护、液压、气动、检测系统等部分。1.2.2 按照机床形态分类（1）卧式加工中心 指主轴轴线为水平状态设置的加工中心。卧式加工中心一般具有3-5个运动坐标。常见的有三个直线运动坐标(沿X、Y、Z轴方向)加一个回转坐标(工作台)，它能够使工件一次装夹完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工。卧式加工中心较立式加工中心应用范围广，适宜复杂的箱体类零件、泵体、阀体等零件的加工。但卧式加工中心占地面积大，重量大；结构复杂，价格较高1。 （2）立式加工中心 指主轴轴心线为垂直状态设置的加工中心。立式加工中心一般具有三个直线运动坐标，工作台具有分度和旋转功能，可在工作台上安装个水平轴的数控转台用以加工螺旋线零件。立式加工中心多用于加工筒单箱体、箱盖、板类零件和平面凸轮的加工。立式加工中心具有结构简单、占地面积小、价格低的优点。 （3）龙门加工中心 与龙门铣床类似，适应于大型或形状复杂的工件加工。（4）万能加工中心 万能加工中心也称五面加工中心小工件装夹能完成除安装面外的所有面的加工；具有立式和卧式加工中心的功能。常见的万能加工中心有两种形式：一种是主轴可以旋转900既可象立式加工中心一样，也可象卧式加工中心一样；另一种是主轴不改变方向，而工作台带着工件旋转900完成对工件五个面的加工。在万能加工中心安装工件避免了由于二次装夹带来的安装误差，所以效率和精度高，但结构复杂、造价也高1，2。 1.2.3按换刀形式分类（1）带刀库机械手的加工中心 加工中心换刀装置由刀库、机械手级组成，换刀动作由机械手完成。（2）机械手的加工中心 这种加工中心的换刀通过刀库和主轴箱配合动作来完成换刀过程。（3）转塔刀库式加工中心 一般应用于小型加工中心，主要以加工孔为主。加工中心常按主轴在空间所处的状态分为立式加工中心和卧式加工中心，加工中心的主轴在空间处于垂直状态的称为立式加工中心，主轴在空间处于水平状态的称为卧式加工中心。主轴可作垂直和水平转换的，称为立卧式加工中心或五面加工中心，也称复合加工中心。按加工中心立柱的数量分；有单柱式和双柱式（龙门式） 7。1.2.4按数控系统功能分类加工中心根据数控系统控制功能的不同分：有三轴二联动、三轴三联动、四轴三联动、五轴四联动、六轴五联动等。三轴、四轴是指加工中心具有的运动坐标数，联动是指控制系统可以同时控制运动的坐标数，从而实现刀具相对工件的位置和速度控制11。 1.2.5按工作台的数量和功能分类有单工作台加工中心、双工作台加工中心，和多工作台加工中心。1.2.6按加工精度分类（1）普通加工中心 普通加工中心，分辨率为1m，最大进给速度1525m/min，定位精度l0 m左右。（2）高精度加工中心 高精度加工中心，分辨率为0.1m，最大进给速度为15100m/min，定位精度为2m左右。介于2l0 m之间的，以±5 m较多，可称精密级3。1.3 加工中心的主要加工对象加工中心适宜于加工复杂、工序多、要求较高、需用多种类型的普通机床和众多刀具夹具，且经多次装夹和调整才能完成加工的零件。其加工的主要对象有箱体类零件、复杂曲面、异形件、盘套板类零件和特殊加工等五类4-6。1.3.1箱体类零件箱体类零件一般是指具有一个以上孔系，内部有型腔，在长、宽、高方向有一定比例的零件。这类零件在机床、汽车、飞机制造等行业用的较多。箱体类零件一般都需要进行多工位孔系及平面加工，公差要求较高，特别是形位公差要求较为严格，通常要经过铣、钻、扩、镗、铰、锪，攻丝等工序，需要刀具较多，在普通机床上加工难度大，工装套数多，费用高，加工周期长，需多次装夹、找正，手工测量次数多，加工时必须频繁地更换刀具，工艺难以制定，更重要的是精度难以保证。加工箱体类零件的加工中心，当加工工位较多，需工作台多次旋转角度才能完成的零件，一般选卧式镗铣类加工中心。当加工的工位较少，且跨距不大时，可选立式加工中心，从一端进行加工。1.3.2复杂曲面复杂曲面在机械制造业，特别是航天航空工业中占有特殊重要的地位。复杂曲面采用普通机加工方法是难以甚至无法完成的。在我国，传统的方法是采用精密铸造，可想而知其精度是低的。复杂曲面类零件如：各种叶轮，导风轮，球面，各种曲面成形模具，螺旋桨以及水下航行器的推进器，以及一些其它形状的自由曲面。这类零件均可用加工中心进行加工。铣刀作包络面来逼近球面。复杂曲面用加工中心加工时，编程工作量较大，大多数要有自动编程技术。1.3.3异形件异形件是外形不规则的零件，大都需要点、线、面多工位混合加工。异形件的刚性一般较差，夹压变形难以控制，加工精度也难以保证，甚至某些零件的有的加工部位用普通机床难以完成。用加工中心加工时应采用合理的工艺措施，一次或二次装夹，利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，完成多道工序或全部的工序内容。1.3.4盘、套、板类零件带有键槽，或径向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盘套或轴类零件，如带法兰的轴套，带键槽或方头的轴类零件等，还有具有较多孔加工的板类零件，如各种电机盖等。端面有分布孔系、曲面的盘类零件宜选择立式加工中心，有径向孔的可选卧式加工中心。1.3.5特殊加工在熟练掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工装和专用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工艺工作，如在金属表面上刻字、刻线、刻图案；在加工中心的主轴上装上高频电火花电源，可对金属表面进行线扫描表面淬火；用加工中心装上高速磨头，可实现小模数渐开线圆锥齿轮磨削及各种曲线、曲面的磨削等7，8。1.4加工中心的特点加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，已成为现代机床发展的主流方向。与普通数控机床相比，加工中心具有以下几个突出的特点。（1）工序集中：加工中心备用刀库，能自动换刀，使工件在一次装夹后实现多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加工。这是加工中心最突出的特点。（2）对加工对象的适应性强：加工中心的柔性高，对特殊要求反应迅速，而且可以快速实现批量生产，提高市场竞争能力。（3）加工精度高：由于加工工序集中，避免了长工艺流程，减少了人为干扰，故精度高，质量稳定。（4）生产生产率高：加工中心带有刀库和自动换刀装置，实现了工序集中，可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件半成品的周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率高于普通机床34倍。（5）操作者的劳动强度低，工作条件好：劳动者不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均大为减轻，劳动条件也得到很大的改善。（6）经济效益高。（7）有利于生产管理的现代化。2 V400型加工中心设计方案的拟定2.1 设计任务本毕业设计课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：2.1.1 总要求本课题要求设计V400卧式加工中心的立柱部分，包含立柱、导轨副、丝杠副等。2.1.2 给定的条件和要求V400立式加工中心具有三轴联动功能，工作台可交换。机床主要参数：X轴、Y轴的行程均为400mm，Z轴行程320mm；定位精度0.01mm，重现精度0.01mm；工作台最大载重量400Kg；主轴电动机功率5KW，主轴转速3000转/Min；进给伺服电动机功率1KW，进给速度1010000mm/Min；刀库容量10把刀，单把刀具总重小于6KG.，刀具直径小于120mm，长度小于240mm；工作台尺寸400mm×320mm；2.1.3 机械部分的设计（1）总体机械结构设计，绘制立柱部分总装配图。（2）丝杠机构设计，完成丝杠传动设计、计算，绘制部分装配图。（3）立柱零件设计，完成立柱零件图。（4）其他主要零件设计，绘制主要零件的工作图。机械结构装配图要求视图完整、符合最新国家标准，图面整洁、质量高。2.2 设计方案的拟定本设计题目是设计加工中心的支承系统。加工中心的支承系统主要包括床身、立柱、横梁、底座等基础件，它们的作用是支承零部件，承受作用力并保证它们的相互位置。虽然支承件的形态、几何尺寸和材料是多种多样的，但它们都应满足下列要求：（1）刚度要求 支承件刚度是指支承件在恒定载荷和交变载荷作用下抵抗变形是能力。前者为静刚度，后者为动刚度。静刚度取决于支承件本身的结构刚度和接触刚度。动刚度不仅与静刚度有关，而且与支承件系统的阻尼和固有频率有关。影响支承件刚度的主要因素是支承件的材料和支承件的结构。采用高刚度的材料，提高材料的弹性模量可以提高支承件的刚度；提高表面接触面积、加大预紧力、提高表面质量可以有效地提高接触强度；基础大件采用封闭箱形机构、采用合理的截面形状、配置加强肋板和加强肋是提高支承件刚度的有效措施。（2）抗振性要求 支承件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动的能力。振动不仅会使机床产生噪音，同时也会影响加工质量，因此支承件应用足够的抗振性，具有合乎要求是动态特性。影响支承件的抗振性的主要因素是：支承件的刚度，支承件的固有频率，支承件的阻尼，支承件的支撑情况和支承件的材料等。实际中常常通过选择高阻尼的材料、采用高阻尼部件、增加消振垫改善支承件的支承情况等措施来增加支承件的抗振性。调整构件的质量可能改变系统的自振频率。（3）热变形和内应力要求 影响支承件热变形的主要因素是：支承件的结构，运动部件的发热及外部热源。通过采用热对称结构使构件的热变形发生在非误差敏感方向上、隔离热源、强制冷却、快速排屑等措施减少热变形。例如：卧式加工中心的立柱采用框式双立柱结构，左右对称，热变形对主轴轴线产生垂直方向的平移，它可以由坐标修正量进行补偿，减少发热，尽可能将热量从主机中分离出去。（4）其他 支承件还应该排屑通畅，操作方便，调运安全，切削液及润滑油的回收方便，加工及装配工艺性好等。所要设计的V400立式加工中心的基本参数已经在任务书中给了，它的设计要求是：具有三轴联动功能及第四轴定角度分度功能，工作台可交换。设计的基本原则是：结构及控制原理要先进且符合实际，机床功能完善、扩展能力强；整体布局结构合理紧凑，符合高精度机床结构的发展。3 V400型加工中心立柱的设计过程3.1 立柱的设计加工中心立柱主要是对主轴箱起到支承作用，满足主轴的Z向运动。因此，立柱应具有较好的刚性和热稳定性。这里设计的V400卧式加工中心立柱，采用框架封闭结构，内部采用斜向肋板提高立柱的抗弯、抗扭能力，而且单位重量的刚度比其他结构的刚度要高。主轴箱装在立柱中间，沿立柱导轨上下运动。这种结构符合刚度大、热对称性好和稳定性好的特点。整个结构也是采用Q235-A钢焊接实现。如图4所示：这种结构的特点是：（1）由于力的作用点在立柱的中央，因此立柱受扭矩力的因素少;（2）热对称性好，主轴箱式机床的主要热源，而它正好处于框形中间，使立柱结构成为热对称结构，这就减小了热变形的影响；（3）稳定性好，由于立柱结构采用框架结构箱式布置，立柱的抗弯、抗扭刚度以及构件的固有频率都能得到提高。图4 V400加工中心框架式立柱结构3.2 丝杠的设计计算及选用已知：工作台最大载重量400Kg，及W=4000N；工作台最大行程=400mm;工作台导轨的摩擦系数：动摩擦系数=0.1，静摩擦系数=0.2；快速进给速度=10000mm/min；定位精度0.01mm；重复定位精度0.01mm；设计寿命20000小时。其它状况见表-1：表1 基本参数切削方式纵向切削力（N）纵向切削力（N）进给速度（m/min）工作时间百分比丝杠轴向载荷（N）丝杠转速（r/min）强力切削200012000.610292060一般切削10005000.850185080精切削5002001301320100快速进给00101080018003.2.1 确定滚珠丝杠副的导程 （3-1）：滚珠丝杠副的导程，mm：工作台最高移动速度m/min:电机最高转速r/min：传动比因电机与丝杠直联，=1由表-1查得 =10000mm/min =1800r/min代入公式（3-1）得=5.6mm，圆整为6mm。3.2.2 确定当量转速与当量载荷（1）各种切削方式下，丝杠转速 （3-2） ：丝杠转速 r/min i=1，2，3，：进给速度 m/min i=1，2，3，由表-1查得=0.6，=0.8，=1，=10代入（3-2）得=100， =133， =167， =1670（2）各种切削方式下，丝杠轴向载荷 （3-3） ：丝杠轴向载荷 N i=1，2，3， ：纵向切削力 N i=1，2，3， ：垂向切削力 N i=1，2，3，由表-1查得=2000N，=1000N，=500N，=0N=1200N，=500N，=200N，=0N已知：W=4000N代入式（3-3）得 =2520N，=1450N，=920N，=400N（3）当量转速 + （3-4） ：当量转速r/min，：工作时间百分比由表-1查得=10，=50，=30，=10代入式(3-4)得=295r/min（4）当量载荷 （3-5）：当量载荷 N分别代入数值得=922N3.2.3 预期额定动载荷（1）按预期工作时间估算 （3-6）：预期额定动载荷N：负荷性质系数，查得：轻微冲击取=1.3：精度系数，查表，1-3取=1:可靠性系数，查表，可靠性97%取=0.44已知：=20000小时分别代入式（3-6）得=19270N（2）拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载计算= （3-7）查表知，中预载取=4.5分别代入式（3-7）得=11340N取以上两种结果的最大值=19270N3.2.4 确定允许的最小螺纹底径（1）估算丝杠允许的最大轴向变形量（1/31/4）重复定位精度（1/41/5）定位精度：最大轴向变形量 m已知：重复定位精度10m，定位精度10m =3=3所以取=3m（2）估算最小螺纹底径取一端固定一端浮动的支承形式 （3-8）：最小螺纹底径：杨氏弹性模量2.1×N/：估算的滚珠丝杠最大允许轴向变量（m）：导轨静摩擦力（N）。=W=0.2×4000=800N（为静摩擦系数）L:滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支承的最大距离（mm），L（1.051.1）行程+（1014）=（1.051.1）400+（1014）6=500mm分别代入式（3-8）得=28.5mm3.2.5 确定滚珠丝杠副的规格代号由计算出的螺距、预期额定动载荷和允许最小螺纹底径，在样本中选取THK公司的BIF 3206-10的滚珠丝杠，=6, =19501927,=3228.53.2.6 确定滚珠丝杠副预紧力 （3-9）其中=2520N，=840N3.2.7 丝杠螺纹长度 = ：余程，查表40mm =行程+螺母长度=400+99=499mm =499+2×40=579mm，取=580mm3.3 导轨的设计计算及选用已知：所设计的加工中心计划标准使用d=100mm的圆柱形硬质合金铣刀，齿数z=8，主轴正常铣削转速为150r/min，正常切削深度=5mm，切削宽度=60mm，进给量f=0.4mm/r，铣削条件是逆铣，每分钟往返次数n1=4opm，行程长度ls=400mm，及0.4m。3.3.1 计算正常切削各个方向的力由参考文献13中的表1.6-10和表1.6-11查到以下公式和参数：正常切削时的圆周力 （3-10）根据刀具类型和材料可在表1.6-10查得：=967，=1.0，=0.75，=0.88，=0.87，=0，已知参数：=60，=5，=-0.05分别代入式（3-10）得到=3525N。由参考文献13中的表1.6-11中各铣削分力的经验比值知道：=1.0，=0.3，=0.4，代入可分别求出=3525，=1058，=1410.3.3.2 对四个滑块进行受力分析并求出额定动载荷在设计的导轨上，四个滑块受力情况如下图5所示，.图5 滑块受力示意图在机床的结构设计中:L0=250mm，L1=400mm,L2=200mm,L3=30mm,L4=200mm,L5=118mm当Fx作用时，=×当Fz作用时，=+，=当Fy作用时，=分别代入数据可以计算出Pxmax=832kgf，Pymax=53kgf，Pzmax=688kgf则系统实际工作时的负荷P=1081kgf寿命时间的计算公式为： （3-11）：寿命时间，20000小时；：额定寿命（Km）；ls：行程长度，0.4m；n1：每分钟往复次数4opm分别代入式（3-11）可以求出L=3840Km。适用滚柱导轨时有L=×100 （3-12）已求出L=3840Km，P=1081N，可以得到额定动载荷C=3265kgf3.3.3 确定导轨的规格代号由C=3265Kgf，在样本中选取THK公司的型号为HSR 35CR的直线导轨，它的基本额定负荷C3800kgf3265kgf。3.4 伺服电机与丝杠的联结伺服电机与丝杠的联结，必须保证无间隙。在数控机床中，伺服电机与滚珠丝杠主要采用三种联结方式：直联式、齿轮减速式、同步带式。在加工中心进给驱动系统中大都采用直联式。这里设计的V400型加工中心也是采用直联式。如图6所示。交流伺服电动机通过一个挠性联轴器以直联方式联结在滚珠丝杠上。交流伺服电动机由其端口的止口定位，螺栓锁紧安装在轴承支座上。轴承支座由销钉定位，通过螺栓与床身相联，承受加工中该方向的切削载荷。滚珠丝杠由一对60度接触角向心推力球轴承支撑，轴承预加载荷间隙由两轴承间的隔套修配调整实现。图6 V400进给系统结构1-伺服电机 2-联轴器 3-轴承支座 4-支撑轴承 5-螺母 6-滚珠丝杠在所设计的V400卧式加工中心上，X、Y、Z三方向的滚珠丝杠均采用一端固定一端浮动的联结方式。4设计总结历时一个学期的毕业设计接近尾声了，从最初看到的设计题目，到分析题目，老师讲解，查阅资料，根据老师的指导，同学们的帮助，一步一步到现在，做出的理论成果达到了预期的要求。在这段时间里，我大量借鉴了国内已有的理论成果和实际产品，根据自己的要求，结合自己对加工中心的理解和设计想法，借助老师的帮助，设计出了H400加工中心的床身、立柱的具体结构；通过理论计算、受力分析，选出了符合任务要求的滚珠丝杠和滚动导轨；都通过图纸的形式表现了出来。这次毕业设计是我四年大学历程中的最后一门课，也是对四年大学的一个总结。我不仅从中进一步了解了加工中心在机械加工行业中的突出作用，以及它的工作原理、机械结构和发展趋势，对机械结构、原理的设计进行了一定的探索，对机械设计的具体环节及过程有了更深入的体会，也巩固了自己的专业知识，锻炼了分析问题、解决问题的能力，培养了一定的设计思想，所有的收获都将令我终生受益。但是，由于自己的知识水平有限，实践经验缺乏，设计思想不完善，设计中难免出现错误，存在问题，希望大家批评指正，我会继续努力，以便进一步提高和完善。致谢这次毕业设计时间长，任务重，需要知识和资料多，由于自己的水平有限，如果没有身边老师和同学们的耐心指导和无私帮助，我很难完成这此设计。在这里，我首先要感谢我的指导老师薛东彬老师。从设计题目的下发、讲解，设计资料的收集，外文的翻译，方案论证报告的撰写，图纸的绘制，到最后说明书的撰写，我遇到过很多的问题，有专业上的，也有生活上的，只有向薛老师提出，他都会耐心地给我讲解，帮我查找相关文献，有时还手把手教我一些东西，并纠正了我的专业知识中的很多错误，薛老师的专业水平让我佩服。薛老师不仅指导了我的这次毕业设计，他还用自己在生活中的经历和感受告诉我们许多为人处事的道理，这些将会积极影响我以后的工作和生活。其次，我要感谢我身边的同学们，是他们从头到尾陪着我走过这四年的大学生活，是他们帮着我走完毕业设计这最后的一段路。愿我们的友谊地久天长。我还要感谢大学里所有教过我的老师，是他们教会了我专业知识，帮助我不断提高。感谢母校对我的培养。在以后的人生中，我会更加努力，用自己的成就来报答母校，报答老师和同学们。参 考 资 料1 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