【文章內(nèi)容簡介】 絲杠、滾珠絲杠上軸承以及伺服電機與進給絲杠的聯(lián)結的設計計算及選型；主傳動系統(tǒng)中主軸箱結構、傳動齒輪、液壓缸結構及主軸結構設計計算 輔助裝置中刀庫結構的選型設計及換刀機構選型。 擬定總體設計方案擬定總體設計方案的設計原則1）總體布局流暢，結構合理緊湊，實現(xiàn)機電一體化，外形美觀。2）結構簡單，功能齊全，操作安全方便。3）滿足功能要求，造型要求，技術參數(shù)要求，便于制造，安裝和維護。擬定總體設計方案經(jīng)過收集了有關立式加工中心布局的各方面資料，確定如下布局方案：1）加工中心床身取 T 字型結構，立柱固定在其上，床身與立柱都通過雙頭螺栓連接；2）工作臺為矩形工作臺，在床身導軌上做 X、Y 兩向移動；3）立柱采用封閉的箱型結構，主軸箱內(nèi)采用滑移齒輪進行二級變速。主軸箱在立柱導軌上上下移動實現(xiàn) Z 軸的進給運動、主軸箱配重采用鏈條、鏈輪機構，配重置于立柱內(nèi)，使整體結構緊湊、美觀；4）X、Y、Z 三向導軌均采用滾珠絲杠導軌，三個進給方向通過伺服電機及聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠轉動，從而帶動工作臺作 X、Y、Z 三個方向的直線運動；5）機床電柜及操縱站放置在機床主機（正對機床）的右側，操縱者在機床右邊操作，刀庫及交換裝置放置在機床的左側，換刀裝置采用圓盤式換刀裝置；6）潤滑油冷卻液由外部液壓泵提供，設計中要留出液壓泵的安裝位置；7）整個機床用防護罩罩起來，有利于保護機床和操作人員，外形也相對美觀。7 / 39根據(jù)以上布局形式的初步確定，立式加工中心的總體布局圖如下： 以上為本次設計的總體方案，在設計中會根據(jù)不同的實際問題和具體的情況做出改動，不斷完善此設計。立式加工中心總體布局圖圖 3 小型加工中心的總體布局圖8 / 39第 4 章 基礎結構部件的設計基礎結構部件通常是指構成立式加工中心主體的那些功能部件，如床身部件、立柱部件和工作臺部件等。基礎結構部件是機床的承載與支承的基體，它支承各構件并為運動部件導向。這些部件要承受一定的重力、切削力、摩擦力、夾緊力以及相應的彎矩和扭矩 [5]。 床身的設計 床身的作用床身是整個加工中心的基礎支承件，一般用來放置導軌、主軸箱和工作臺等重要部件。為了滿足加工中心機床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動化要求，加工中心床身主要有以下兩大功能： 支承作用 即支承其它零部件，在機床承受切削時，承受著一定的重力、切削力、摩擦力、以及夾緊力； 基準作用 即保證機床在使用中或者長期使用后，能夠保證各部件之間正確的相互位置關系和相對運動軌跡。 床身的基本要求剛度要求 在切削力、機床部件的和工件重量的作用下，床身本身與其它部件的接觸面就會產(chǎn)生形變，機床原有的幾何精度就會被破壞，從而給加工帶來誤差；如果床身的剛度不足，不僅會產(chǎn)生變形，還會產(chǎn)生爬行和振動，從而影響機床的定位精度及其它性能。因此床身要有足夠大的剛度。 抗震性要求 振動不僅會使機床產(chǎn)生噪聲，同時也會影響加工質(zhì)量，因此床身應有足夠的抗震性，具有合乎要求的動態(tài)特性。熱變形要求 機床工作時，電動機、傳動系統(tǒng)的機械摩擦及切削過程都會發(fā)熱，機床周圍環(huán)境溫度的變化也會引起床身溫度變換，產(chǎn)生熱變形。從而影響機床的工作精度和幾何精度。因此應對床身的熱變形及熱應力加以控制。內(nèi)應力要求 床身在鑄造、焊接以及粗加工過程中，材料內(nèi)部會產(chǎn)生內(nèi)應力，導致變形。床身的設計應從結構、材料上保證其內(nèi)應力要小，例如對于鑄造床身，各處金屬分布應均勻，盡可能避免壁厚突然轉換的過度面。其它 床身還應該使排屑通暢，操作方便，吊運安全，切削液及潤滑油回收方便，加工及裝配工藝性好等。9 / 39 床身結構設計及材料選擇結構設計床身是機床的關鍵基礎件之一，要求有足夠的靜、動剛度和精度保持性。為減少連接環(huán)節(jié)，增大支承件的重量，提高床身的剛性，通常都把它設計成整體件，并選擇穩(wěn)定性較好的橫截面形式。床身設計往往會受機床總體設計和工藝手段的制約在滿足總體設計要求的前提下，應盡可能做到既要結構合理、肋板布置恰當，又要保證良好的冷、熱加工工藝性。中、小型立式加工中心，一般都采用固定立柱式，把床身與支承立柱的底座連接在一起，構成了一個整體床身，這類床身的加工工藝性、剛性、精度保持性都比較好。平面上的兩個坐標移動是由滑塊和工作臺實現(xiàn)的，床身結構比較簡單 [13]。本立式加工中心采用立柱全行程移動、工作臺固定。這樣不僅便于操作，易于配置 NC 轉臺，還可以有效提高生產(chǎn)效率。 （下圖為某立式加工中心床身圖）圖 小型加工中心床身床身材料材料選擇灰鑄鐵 HT250，因為灰鑄鐵的鑄造性能好，便于鑄成形狀復雜的零件，10 / 39而且抗震性較好，價格也便宜，因此選用灰鑄鐵為床身的材料。由于鑄件在鑄造成型后，冷卻過程中會因為收縮造成內(nèi)應力，而內(nèi)應力的產(chǎn)生會影響機床精度，是加工出的零件精度受到影響，所以要進行時效處理以消除內(nèi)應力。床身鑄件的壁厚要均勻，拐角處要采取圓滑過渡，要有足夠大的清砂口，加工平面應盡可能在一個平面內(nèi)以便加工。 床身的肋板布置和截面的形狀加工中心的靜剛度和適當?shù)墓逃蓄l率靠合理的截面形狀與尺寸、恰當?shù)睦甙宀贾脕慝@得。加工中心內(nèi)部肋板布置形式很多，歸納起來可分為縱向、橫向和斜向三大類?？v向肋板可以加強縱向抗彎強度；橫向肋板對提高抗扭剛度有顯著效果；斜向肋板對提高抗彎、抗扭剛度又較好的效果。雖然斜向肋板抗彎扭剛度綜合效果好一些，但考慮到斜向肋板鑄造工藝的復雜性及機床經(jīng)濟性要求，所以很少甚至根本不采用斜向肋板。當肋板厚度相同時，米字形肋板結構的抗彎剛度接近與字形肋板結構，而抗扭剛度卻是井字形肋板結構的兩倍。但制造工時卻比字形肋板多 2～3 倍，而工藝性差。綜合考慮，本次設計采用了字形肋板 [13]。 立柱的設計 設計立柱的基本要求加工中心的立柱，隨臥式加工中心和立式加工中心的不同，其結構形式亦不相同，但是他們既然是加工中心的立柱，就要支撐主軸箱，使之沿垂直方向上下移動。這就使它在承受切削力、振動、溫度變化等惡劣環(huán)境條件下進行工作。因此，立柱亦和床身一樣，是加工中心的主要基礎零部件，是主軸箱支承和導向的主體，要求具有足夠的構建剛度和良好的抗震性以及熱變形性。為了滿足對立柱的這一要求，在設計結構和肋板布局上，要有合理的安排。 立柱的結構設計結構設計由于立、臥式兩種加工中心結構上的差異和受力不同等原因，通常把立式加工中心的立柱的橫截面設計成矩形或下正方形。米字型肋板，它的抗扭剛度比字形肋板的高得多。只是米字型肋板的鑄造工時比字形肋板多 2~3 倍。出于這種原因，本立柱，仍采用井字型肋板。11 / 39平衡主軸箱重量的平衡重，一般設在立柱里腔，隨主軸箱的升降而升降。采用這種平衡方式的立式加工中心，其立柱內(nèi)腔是空的[13]。故本立柱內(nèi)腔是空的。在設計立柱時，還要考慮在運輸中固定平衡重的穩(wěn)妥可靠地方法。立柱的材料選擇立柱材料選為灰鑄鐵 HT250，因為灰鑄鐵的鑄造性能好，便于鑄成形狀復雜的零件，而且抗震性較好，價格也便宜，因此選用灰鑄鐵為立柱的材料。由于鑄件在鑄造成型后，冷卻過程中會因為收縮造成內(nèi)應力，而內(nèi)應力的產(chǎn)生會影響機床精度，是加工出的零件精度受到影響，所以要進行時效處理以消除內(nèi)應力。立柱鑄件的壁厚要均勻，拐角處要采取圓滑過渡，要有足夠大的清砂口，加工平面應盡可能在一個平面內(nèi)以便加工。 立柱導軌形式及精度導軌形式從工藝性角度考慮，采用平—平導軌形式。導軌精度本次設計的是高精度的中型立式加工中心，立柱導軌精度可取推薦值如下:直線度: ～兩導軌扭曲度：～立柱底面對主導向面垂直度：小于 安裝滾動導軌基面的直線度：～ [13]。 立柱與床身的聯(lián)結立柱與床身的聯(lián)結，一般采用螺栓緊固和圓錐銷定位方式。為了提高圓錐銷的定位效果，必須用專用圓錐銷。它是根據(jù)所用錐鉸刀的實際錐角，配磨圓錐銷，以提高圓錐銷在圓錐孔內(nèi)的接觸效果。標準圓錐銷，因與實際錐鉸刀有角度差別，接觸效果不理想，故在關鍵定位部位不能用標準圓錐銷，而必須用專用圓錐銷。為了提高立柱與床身的聯(lián)結剛度，通常采用如下措施：1）采用預緊力 螺栓聯(lián)結時，應使結合面保持在不小于 2Mpa 的預緊力。2）提高有效接觸面積的平面度，減小接觸面的粗糙程度值，以提高結合強度。通常采用刮研或磨削手段來實現(xiàn)。3）增加局部剛度 在緊固螺栓位置處，加大加厚凸緣或增添加強肋 [13]。12 / 39 工作臺的設計工作臺乃是加工中心最重要的零部件，它是工件和夾具安裝的基準。其精度和剛性都會直接影響到工件的加工質(zhì)量。該部件要承受工件的夾緊力和加工過程中產(chǎn)生的切削力、彎矩和轉矩。因此要求工作臺及工作臺部件有較高的精度和剛度[5]。 工作臺的設計尺寸圖立式加工中心和臥式加工中心的工作臺結構形式是不同的。立式加工中心的工作臺不作分度運動，其形狀一般為長方形，臺面采用 T 型槽形式[13]，如下圖所示。5 槽為裝夾用 T 型槽，4 槽為基準 T 型槽。工作臺設計參數(shù)：350350mm根據(jù)立式加工中心工作臺寬度尺寸系列及工作臺長度尺寸系列，設計工作臺尺寸如圖：圖 4. 2 工作臺T 型槽形狀如圖： 圖 第 4 槽 圖 第 5 槽13 / 39 工作臺的其他結構設計1）為了安裝方便，使零件盡量減少，我們采用工作臺在導軌上滑動的形式，所以需要在工作臺上鉆出油孔和油槽，以便于潤滑。2）為了安裝方便，Y 向絲杠螺母座采用的是與工作臺分離式結構，具體結構見裝配圖。3）為了防止切屑落入螺紋孔中影響螺釘?shù)陌惭b，用橡膠塞堵住。4）防止切屑對導軌影響，安裝防護板，大小由加工中心工作需求而定，其具體尺寸見裝配圖。5）防止切屑對防護罩影響，在工作臺兩邊加擋板。 工作臺的材料工作臺材料選用 HT因為灰鑄鐵的鑄造性能好，便于鑄成形狀復雜的零件，而且抗震性較好，價格也便宜，因此選用灰鑄鐵為工作臺的材料。由于鑄件在鑄造成型后，冷卻過程中會因為收縮造成內(nèi)應力，而內(nèi)應力的產(chǎn)生會影響機床精度，是加工出的零件精度受到影響，所以要進行時效處理以消除內(nèi)應力。工作臺鑄件的壁厚要均勻，拐角處要采取圓滑過渡，要有足夠大的清砂口，加工平面應盡可能在一個平面內(nèi)以便加工。 導軌的設計 導軌的功用及要求機床導軌的功用是起導向及支承作用，它的精度、剛度及結構形式等對機床的加工精度和承載能力有直接影響。為了保證數(shù)控機床具有較高的加工精度和較大的承載能力，要求其導軌具有較高的導向精度、足夠的剛度、良好的耐磨性、良好的低速運動平穩(wěn)性，同時應盡量使導軌結構簡單，便于制造、調(diào)整和維護。對導軌設計的具體要求如下：導向精度 導軌在空載和在切削時都應具有足夠的導向精度。也就是運動部件沿著導軌運動時的直線度，以及與有關基面間的相對位置的準確性。精度保持性 精度保持性是導軌設計的關鍵，也是衡量機床質(zhì)量好壞的關鍵指標之一，精度保持性主要是有導軌的耐磨性決定的，它與導軌的摩擦性質(zhì)、導軌材料、制造導軌的方法以及受力情況有關。低速運動的平穩(wěn)性 導軌低速運動的平穩(wěn)性，是指要保證導軌在低速運動或微量位移時不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。它與導軌的結構與潤滑、動靜摩擦系數(shù)的差值以及14 / 39傳動導軌運動的傳動機構的剛度有關。剛度 導軌受力后變形會影響各個部件之間的相對位置和導向精度，因此，要求導軌油足夠的剛度。結構工藝性 在滿足設計要求的前提下，應盡量做到加工、裝配和維修方便，成本低廉等。移動靈敏度和定位精度 移動靈敏度指工作臺完成一次移動能達到的最短距離。定位精度指工作臺按要求由運動狀態(tài)停止在某一指定點的能力。靈敏度和定位精度與導軌類型、摩擦特性、運動速度、傳動系統(tǒng)剛度、移動件質(zhì)量等因素有關。振動性和穩(wěn)定性 對于閉式控制的數(shù)控機床，不僅要求導軌的起動、制動跟蹤靈敏度高，還要求有適當?shù)恼硿枘崽匦裕苑乐乖谄饎?、制動過程中發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。對溫度變化的適應能力 環(huán)境溫度變化和局部熱源產(chǎn)生的不均勻的溫度場，都會引起導軌變形，導軌應有較好的適應能力。 導軌的結構類型加工中心的伺服進給系統(tǒng)無論是靜態(tài)誤差還是動態(tài)誤差都與導軌的摩擦力有關。因此數(shù)控機床、加工中心要求機床的導軌剛性好，運動平穩(wěn)，精度高，有良好的起動特性：高速無沖擊，低速無爬行，運動方向變化時響應速度快、靈敏。能滿足上述要求的有滑動導軌、滾動導軌、靜壓導軌、氣浮導軌。目前，加工加工中心中用得最多的是滑動導軌與滾動導軌這兩種。滾動導軌的最大優(yōu)點是摩擦系數(shù)小，動靜摩擦系數(shù)很接近。因此，運動靈活，運動所需功率小，摩擦發(fā)熱少，磨損小，精度保持性好，低速運動平穩(wěn)性好，一般沒有爬行現(xiàn)象，移動精度和定位精度較高。此外，滾動導軌潤滑簡單（可用脂潤滑） ，維護比較方便（只需更換滾動體） ，高速運動時不會像滑動導軌那樣因動壓效應而浮起。根據(jù)設計要求本設計選用直線滾動導軌。直線滾動導軌副是由長導軌和帶有滾