【文章內容簡介】 動；主軸箱可以沿立柱上、下運動；立柱連接在滑座上并可以通過滑座在床身上滑動。本機床可運用于對大重型工件，如箱體、支架、機體、機座、 吊臂、車架等零件的孔系、平面以及槽等進行加工，并可加工大直徑孔，是重型機械、機車車輛、礦山、冶金、鋼鐵、化工、發(fā)電、船舶、軍工等機械制造部門的必不可少的大型精密加工設備，加配數(shù)控回轉工作臺還可實行四面加工和多軸聯(lián)動加工。 課題分析 任務 本次課題主要以 tk6920重型鏜銑數(shù)控機床為研究對象，對機床床身進行設計及模態(tài)分析，對立柱進行設計及模態(tài)分析，對滑枕，以及整機進行模態(tài)分析。繪制 一 張標準 整機 裝配圖，和兩張零件圖，和三維圖。 首先，對床身進行設計。 第一對床身的材料進行選擇，其次對床身的壁厚進行設計計算，第三隊床身的制造方法進行選擇，最后根據(jù) tk6920重型鏜銑機床的說明書中提供的數(shù)據(jù)，對機身進行強度校核。 然后進行對立柱的設計計算。其步驟與床身類似。首先 對立柱的材料進行選擇，第二，對立柱截面進行選擇確定。第三，對立柱的尺寸進行設計。第四，進行立柱壁厚的設計。第五，對立柱加強筋的設計。最后，對立柱進行校核。 接下來是對上面已經設計好的床身和立柱進行 2維圖的繪制，用 CAD軟件進行繪圖。用solidworks進行三維制圖，為接下來的模態(tài)分析做準備。 某型重型數(shù)控機床床身設計及模態(tài)仿真分析 3 第三部分，是模態(tài)分析。分別對滑枕，床身，立柱和整機進行模態(tài)分析。首先，我對 ANSYS軟件進行了一個整體的學習，包括模型的導入分析，算法的了解和選擇，靜態(tài)分析的作用，具體過程和結果的分析，以及模態(tài)分析的作用，具體過程和 結果的分析。通過具體的學習之后，對 ANSYS軟件有了一個詳細的了解，接下來進行課題部分的研究，并得出一定的得出結論，根據(jù)軟件分析的結果對比計算的結果，進行一定的思考與反思。 最后，對整個研究過程進行總結分析。 在研究整個課題過程中，存在很多難點。在剛開始進行調研時，重點在于需要對整個機床進行調查和了解，包括鏜銑機床的功能和發(fā)展 過程 ， 國內外的專家對機床的整體研究設計和分析，以及優(yōu)化。 剛開始時，難點在于對床身和立柱的計算方面不知從何處下手進行計算，后來通過詳細的受力分析，和一些參考書的 指導，知道如何進行校核，開始計算。 在進行靜力分析和模態(tài)分析的時候，仍然存在很大的難點。首先先要對整個軟件進行整體的學習和熟練掌握。包括其中的計算方法的選擇，和算法的運用，對于我來說都是一個全新的知識，需要進行整體的學習。在對軟件有了了解之后，進行靜力分析和模態(tài)分析。在起初的分析階段，網(wǎng)格劃分的不好，載荷計算的不正確，導致了整個結果與實際偏差較大。在經過反復實驗后，針對不同的模型，都找到一個較為合理的劃分方法。由于對方法掌握的熟練度不夠，倒置花費了很多時間，并且效率低下，浪費了很多不必要的時間。 某型重型數(shù)控機床床身設計及模態(tài)仿真分析 4 第 二 章 床身和立柱設計 床身材料選擇 作為銑鏜床的重要部件，銑鏜床工作時的大部分力都作用在床身上，因此床身的材料選擇非常重要，選擇合理，不但能滿足設計要求，而且能節(jié)約材料，降低成本，減輕自身重量。 表 21 常用鑄造金屬材料的鑄造性和結構性特點 類 別 性能特點 結構特點 灰鑄鐵件 流動性好，體收縮和線收縮性小。綜合力學性能低，抗壓強度比抗拉強度高 3— 4 倍。吸振性好。彈性模量低。 形狀可以復雜，結構允許不對稱，有箱體形、筒形等。用于發(fā)動機的汽缸體、筒套、各種機床床身、底版、平板、平臺等。 球墨鑄鐵件 流動性與灰鑄鐵相近；體收縮比灰鑄鐵大，而線收縮小，易形成縮孔、疏松。綜合力學性能高；抗磨性好；沖擊韌性、疲勞強度較好。消振能力比灰鑄鐵低 一般多設計成均勻壁厚；對于厚大斷面件，可采用空心結構，如球墨鑄鐵曲軸軸頸部分。 可鑄鐵件 流動性比灰鑄鐵差，體收縮很大，退火前，很脆，毛坯易損壞。綜合力學性能稍次于球墨鑄鐵，沖擊韌性比灰鑄鐵大 3— 4 倍 由于鑄態(tài)要求白口，一般薄壁均勻件，常用厚度為 516 ㎜。為了增加其剛性，截面形狀多加工成工字形或箱形，避免十字截面；零件突出部分應用肋條加固。 鑄鋼件 流動性差，體收縮、線收縮和裂紋敏感性都較大。綜合力學性能高；抗拉強度與抗壓強度幾乎相同，吸振性差。 結構應具有最少的熱節(jié)點，并創(chuàng)造順序凝固的條件。相鄰壁的連接和過度更應圓滑；鑄件截面應采用箱行和槽形等近似封閉狀的結構；一些水平壁應改成斜壁或波浪形；整體改成帶窗口的壁，窗口形狀最好為橢圓形或圓形，窗口邊緣須作出凸臺，以減少產生裂紋的可能 對于銑鏜床，床身作為支撐件，形狀復雜，并承受銑床的打不部分力，并且在工作時，床身震動較為嚴重。 結合以上分析，灰鑄鐵件吸震性好，并能達到強度要求，且鑄造容易，經濟性好，因此確認灰鑄鐵銑鏜床床身的材料。 壁厚的設計 通過以上分析，由于銑鏜床床身要進行砂模鑄造，查閱資料可知，其外壁可由當量尺寸 C 來確定。 2 3L B HC ??? (式中， L、 B、 H—— 床身的長、寬、高。 ) 將 L= B= H= 代入 得 C= 某型重型數(shù)控機床床身設計及模態(tài)仿真分析 5 由下表可得床身壁厚為 10mm. 表 22 床身壁厚計算當量尺寸對照表 當量尺寸 C 3 壁厚（ mm） 8 10 12 14 16 18 20 22 由于銑鏜床床身的材料選用鑄鐵，適于進行鑄造，而且鑄造生產成本低，鑄造工藝靈活性大，幾乎不受零件大小、形狀、重量、結構復雜程度的限制，所以床身用鑄造方式制造出來。 鑄造方法可分為砂型鑄造和特種鑄造兩種，銑鏜床床身的鑄造屬于基本零件的鑄造，可采用砂型鑄造，主要原因是砂型鑄造較之其它鑄造方法成本低、生產工藝簡單、生產周期短。 在床身設計中，床身強度是一個重要的限制因素，因此必須進行床身強度的校核。 床身長度 9152mm，沿床身縱向設計一些垂直筋板。 已知鋼的彈性模量 10cE MPa?? ，最大載荷 10FN?? 。 計算床身的慣性矩 I ， 3 3 3 3 2 4( ) / 1 2 ( 8 6 1 4 0 8 0 1 3 4 ) / 1 2 3 .6 4 1 0I B H b h c m?? ? ? ? ? ? ? ? 計算組合界面的形心距 cz , / 5 0 8 3 6 / 9 9 4 .5 5 1 .1 2cz S A c m? ? ??? 圖 211 床身受力分析 示意圖 22m a x 11 5 0 0 9 . 1 5 2 5 2 3 . 988M a l K N m? ? ? ? ? ? 由彎矩圖可見，左端梁段內各橫截面的彎矩相等且為最大值， Mmax= m。所以這段梁上各橫截面均為危險截面。由梁的正應力強度條件式，工字鋼梁所需的彎曲截面系數(shù)為 某型重型數(shù)控機床床身設計及模態(tài)仿真分析 6 3m a x 6523900 0 . 0 5 2[ ] 1 0 1 0z MWm?? ? ?? 切應力的分布規(guī)律與梁的橫截面形狀有關，所以對 矩形截面梁 受力分析。 根據(jù)《機械結構設計》書中指導，得到以下分析計算過程 圖 212 矩形截面梁 受力分析 ? ?? ?*12 **1*AAZAZZM M yF A AIMMyAIMMSI????????????dddddd 式中： ?? * 1* Az AyS d 為離中性軸為 y的橫線以下面積對中性軸之靜矩。 *111* * * zA A AZ Z ZM y M SMF A A y AI I I?? ? ? ? ?? ? ?d d d 考慮到微塊頂面上相切的內力系的合力 39。SF b x???dd 00 39。12 ????? ?? Sx FFFF d ? ? 0** ????? xbSIMSI MM ZzZ dd ? 某型重型數(shù)控機床床身設計及模態(tài)仿真分析 7 bISxM ZZ*dd??? SFxM?dd bISFZ*ZS??? 由切應力互等定理，橫截面上 pq線處切應力為 bI SFZ ZS*?? 矩形截面如圖 213 1ybA dd ? ?? ???????? ???? 2/ 2211* 1* 42hyAZ yhbybyAyS dd or ∴ 說明切應力τ沿截面高度按拋物線規(guī)律變化。 當 2hy ??時，τ =0 )4(2)2(21)2()]2(21[* 22* yhbyhyhbyhyAS z ?????????????????? ?? 222 42 yhIFS?某型重型數(shù)控機床床身設計及模態(tài)仿真分析 8 當 y=0時， ZSIhF8 2m ax ???? 考慮到 123bhIZ ? bhFbhF SS ??? a x? 6032 hbh 12/bhAIi 3Zh ????? 94011 ???? zz il?? 兩端簡化為固定，繞 y軸彎曲μ = 253212/3 ????? bbhhbAIi yy mm ???? yy il?? 圖 214 立柱位于床身中間受力示意圖 當負載處于中間位置時，可知 A,B 界面的最大負彎矩相當，數(shù)值上小 于 C 界面的最大彎矩，但因中性軸不是截面的對稱軸，最大拉應力的點和最大壓應力的點至中性軸的距離不等。所以最大拉應力和最大壓應力不一定都發(fā)生在最大彎矩的界面上，即 A,B,C 三個界面都可能是危險界面。 C 點截面的剪力最大，該截面上的切應力為 A B C 某型重型數(shù)控機床床身設計及模態(tài)仿真分析 9 5m a x35 10 ( ) 7 [ ]1 QzzFS M PaIb??? ? ? ?? ? ? ?? ? ? 最大彎矩發(fā)生在 C 端界面，其值為： 22m a x 11 5 6 0 0 4 . 3 5 1 7 7 222M q l k N m?? ? ? ? ? 3m a xm a x 2517 72 10 [ ]13 M M PaW???? ? ? ??? 可見滿足梁的正應力強度要求。 立柱 設計 立柱采用 灰 鑄鐵 利用樹脂砂型鑄造 而成， 均經過完全退火處理，消除殘留內應力。 具有抗振性好、接近零件形狀和尺寸、成本低廉、工藝靈活性強等特點。 灰鑄鐵件的特點 ： ① 耐磨性與消震好 。 由于鑄鐵中石墨有利于潤滑及貯油 ， 所以耐磨性好 。 同樣 ， 由于石墨的存在 ， 灰口鑄鐵的消震性優(yōu)于鋼 。 ② 工藝性能好 。 由于灰口鑄鐵含碳量高 ， 接近于共晶成分 ， 故熔點比較低 ， 流動性良好 ， 收縮率小 ， 因此適宜于鑄造結構復雜或薄壁鑄件 ， 另外 ， 由于石墨使切削加工時易于形成斷屑 ， 所以灰口鑄鐵的可切削加工性優(yōu)于鋼 。 表 23 鑄鐵機架常有材料 牌號 應用 HT100 機床導軌的支持件 HT150 機床底座，齒輪箱箱體 HT200 HT250 機床立柱，齒輪箱箱體，泵體，汽輪機機架 HT300 重型機床床身，高壓油泵的泵體 QT450— 10 QT800— 2 沖擊韌度和疲勞強度比灰鑄鐵好 用于曲柄壓力機機身，冶金礦山用減速機機體 對比上表，選用 HT250 做為立柱的材料。查表可知 灰鑄鐵 牌號、性能和用途： 表 24 灰鑄鐵 牌號、性能和用途 牌號 預計的鑄件力學性能 用途 壁厚 /mm 抗拉強度 bσ /MPa ≥ ＜ ≥ 某型重型數(shù)控機床床身設計及模態(tài)仿真分析 10 HT250 10 220 一般機床床身，機體，中等壓力 (小于 7840KPa） 10 20 195 20 30 170 30 50 160 立柱過渡壁結構（立柱截面）的確定 參考相關資料，考慮立柱 內部空間用于安放平衡錘 ， 設定立柱截面如下圖所示： 圖 221 立柱截面 但是提高導軌過渡壁的剛度，只有在提高大件本體剛度的前提下，才是有效的。提高大件本體剛度的主要措施：一是合理的選擇截面形狀和壁厚，二是合理的布