（机械制造及其自动化专业论文）曲轴复合车削试验装置床身及尾座的设计与研究.pdf

武汉理t 大学硕十学位论文 摘要 本课题研究的设备是一台新型的曲轴加工实验装置。床身作为该实验装置 的一个重要部件，是整个机床的基础，要求其有较高的刚度以及较好的抗振性 能，因此重点是床身材料的选择和结构的设计。良好的材料和合理的结构能大 大的提高床身的物理性能和机械性能。尾座也是机床的基础部件之一。为了避 免加工过程中，各连杆颈之间的相位误差过大，该曲轴加工实验装置采用的是 机械双驱动，其尾座结构相较一般机床的尾座结构有较大的差别。即使采用的 是机械双驱动，在加工曲轴不同轴颈的时候，也将会有相位误差。为了保证这 一误差在所要求的范围内，就要保证该构件的传动精度。 考虑到所设计的曲轴加工机床的的结构以及铸造难度等方面的要求，本车 床的床身采用组合式床身。床身分为前床身和后床身两部分，采用螺栓来连接 前后床身。本文介绍了前床身以及后床身材料的选择，结构的设计，并对导轨 等重要部位的精度进行了分析。由于采用的是组合式床身，前床身和后床身连 接处的连接精度将直接影响整体床身的精度。为了保证连接精度，一是采用刮 研法精加工结合面，二是从工艺方面来保证结合面处的位置公差。床身的精度 主要是通过专用样板、塞尺以及骄尺等检测工具来进行检测。为了保证尾座的 传动精度，对尾座的传动链进行了具体的设计。尾座有三套轴，本文对这三套 轴进行了设计，并校核了各套轴的刚度和强度。 利用有限元分析软件a n s y s 作为分析工具，对前床身和后床身进行了有限 元分析。首先分析了床身的形变，其结果表明，床身的形变量较小，刚度高， 能满足要求。接着对其模态进行了分析，分析结果表明，前后床身的第一阶固 有频率较高，动念性能好，抗振性能也能满足该机床的要求。 关键词：组合式床身，精度，曲轴加工机床，模态分析 武汉理：j ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h i se q u i p m e n to ft h es u b j e c ti san e w t y p ec r a n k s h a f te x p e r i m e n t a lf a c i l i t y t h e l a t h eb e di sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ee x p e r i m e n t a lf a c i l i t y i ti st h eb a s i so ft h e w h o l em a c h i n e s o ，w en e e di th a sh i g hr i g i d i t ya n dv i b r a t i o n - p r o o f h o wt oc h o o s e t h em a t e r i a la n dh o wt od e s i g nt h es t r u c t u c t i o ni sv e r yi m p o r t a n t w e l lm a t e r i a la n d b e t t e rc o n s t r u c t i o nc a np e r f e c tt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h eb e d t a i ls t o c ki sab a s i sc o m p o n e n to ft h el a t h e t h ec r a n k s h a f te x p e r i m e n t a l f a c i l i t yu s e sm e c h a n i c a l l yd o u b l ed r i v e n t h es t r u c t u c t i o no ft h et a i ls t o c ki sd i f f e r e n t f r o mt h et a i ls t o c ko ft h eg e n e r a ll a t h e t h et a i ls t o c kn e e dh i g ht r a n s m i s s i o na c c u r a c y b e c a u s et h ep h a s ee r r o ro ft h ec r a n k s h a f tm u s tb ei nt h ea l l o w e de r r o r a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s i n gr e q u e s t so ft h ec r a n k s h a f tt u r n i n gl a t h e ，a n dt h e e x i s t i n gi s s u e so fm a n u f a c t u r e i n gt h el a t h eb e d ，s o ，t h el a t h eb e di sc o m b i n e dl a t h e b e d i ti sd i v i d e di n t ot w op a r t s ，t h ef r o n tl a t h eb e da n dt h eb e h i n dl a t h eb e d u s i n g b o l t st oc o n n e c tt h et w ol a t h eb e d s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec h o i c eo ft h em a t e r i a l ，t h e d e s i g no ft h es t r u c t u c t i o na n da n a l y s i s e st h ea c c u r a c yo ft h ei m p o r t a n tp a r t s b e c a u s e w eu s et h ec o m b i n e db e d ，t h ec o n n e c t i o na c c u r a c yo ft h ef r o n tl a t h eb e da n dt h e b e h i n dl a t h eb e di n f l u e n c e s t h ea c c u r a c yo ft h eb e dd i r e c t l y w eg u a r a n t e et h e c o n n e c t i o na c c u r a c yf r o mt w oa s p e c t s f i r s t ，u s et h em e t h o do fh a n d s c r a p i n gt o p r o c e s st h ef i t t i n gs u r f a c e s e c o n d ，g u a r a n t e et h el o c a t i o nt o l e r a n c ef r o mc r a f t u s et h e m o d e l s ，f o re x a m p l e ，s p e c i a l p u r p o sm o d e la n df e e l e rg a u g e ，t ot e s tt h ea c c u r a c yo ft h e b e d i no r d e rt og u a r a n t e et h et r a n s m i s s i o na c c u r a c yo ft h et a i ls t o c k ，w ed e s i g n ! h e k i n e m a t i c a lc h a i nc o n c r e t e l y t h et a i ls t o c kh a st h r e es h a f t s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h e d e s i g no f t h et h r e es h a f t sa n dt h ec h e c ko f t h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t h u s e dt h ea n a l y s i ss o f t w a r ea n s y st oa n a l y z et h ef r o n tl a t h eb e da n dt h eb e h i n d l a t h eb e d f i r s t ，a n a l y z e dt h ed e f o r m a t i o no ft h et w ob e d s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e b e d sh a v el i t t l ed e f o r m a t i o na n dt h es t i f f n e s si sw e l l s e c o n d ，a n a l y z e dt h em o d a lo f t h et w ob e d s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb e d sh a v ev i b r a t i o n p r o o f k e yw o r d s ：c o m b i n e db e d ，a c c u r a c y , c r a n k s h a f tt u r n i n gl a t h e ，m o d a la n a l y s i s 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：进垦i 叁! 鏊日期：竺丝至望 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本 学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：佩嘶豫导师( 签名) ：枸之日期2 j d f 。t i l 武汉理下大学硕十学位论文 1 1 研究的背景与意义 第1 章绪论 曲轴作为发动机的核心部分，提高其精度，将直接提高发动机的性能，大 大降低震动，噪音，减少油耗，废气排放【l 】。现今的曲轴加工技术大多是分别加 工曲轴的主轴颈以及连杆颈，其加工工艺为粗加工，半精加工以及精加工。这 种加工的生产效率低并且其加工余量大，浪费材料。尤其是加工曲轴连杆颈的 时候，不仅加工效率低下，而且加工质量不稳定，尺寸的一致性差。这是由于 加工曲轴连杆颈的时候，其加工中心线为连杆颈的中心线，而整个曲轴的质量 重心在主轴颈的中心线上，这就造成了加工工件的质量重心不在回转中心线上 面，因而惯性矩很大【2 】。惯性矩大，势必造成加工过程中震动大，因此加工精度 低。为了提高加工精度，减少震动，一般采用的是降低主轴的旋转速度，这样， 加工效率也跟着降低。我们课题研究的是一种新型的曲轴加工机床。该机床能 同时加工曲轴主轴颈与曲轴连杆颈。加工连杆颈时，传统加工采取的是刀具不 动，工件旋转的方法来进行加工，而本机床采用的是刀具与工件同步旋转来完 成加工的。我们采用具有平行四边形结构的机构来带动刀具旋转，其转速与主 轴的转速相同。因此在加工曲轴连杆颈时，可以提高连杆颈的n i 精度以及加 工效率。另外此曲轴加工机床是一次装夹，就能将曲轴的主轴颈与连杆颈全部 加工完成。考虑到这些因素，我们可以得知该机床的精度要求很高。如何提高 该机床的加工精度，运用什么方法来提高加工精度，以及提高这种精度的方法 是否合理等等一系列的问题都需要认真考虑。我主要负责该曲轴加工机床的床 身及尾座的设计。 对床身这一块，考虑到所设计的曲轴加工车床的结构以及铸造难度等方面 的要求，本车床的床身分为前床身以及后床身两部分。即本曲轴加工机床的床 身为组合式床身。前床身主要放置头架箱，尾架箱以及电机等；后床身主要放 置十字工作滑台，刀架等等。因为该机床的加工精度要求很高，但是床身又不 是整体式的床身，而为前后床身两大部分，因此前后床身导轨的垂直度很难保 证。该垂直度直接影响到机床的加工精度。当然，前床身上的导轨之间的相互 平行度也有很高的要求的，后床身上的导轨也同样。另外机床床身的刚度也是 武汉理：i ：火学硕十学位论文 影响其加工精度的主要因素。我们采用的是铸造床身，其结构的设计，如什么 地方加筋，什么地方开窗口，以及其壁厚等等，如果设计的合理，将能保证其 需要的刚度。床身作为整个机床的基础，对整体机床的加工精度的影响非常大， 因此要合理的设计其结构，认真的考虑其加工工艺，才能保证整体机床的加工 精度。 对尾座这一块，由于该曲轴加工机床的特别的加工方法，曲轴的主轴颈以 及连杆颈是一次装夹，就能全部加工完成的，因此对一对主轴颈或者是连杆颈 来说，先加工的曲轴颈与后加工的曲轴颈有可能由于该曲轴受到扭转力而相互 之间的相位发生变化，从而使一对曲轴颈加工完成后，不是按照其要求的相位 来分布的，这将使曲轴不平衡，从而形象引擎的质量。为了消除曲轴颈之间的 相位误差，消除这种不平衡，我们采用的是双驱动，即通过花键轴，来驱动尾 座中的主轴，从而使头架主轴与尾座主轴同步转动，消除一端驱动带来的相位 误差。由于是双驱动，尾座的结构与一般机床尾座的结构有很大的不同。在我 们设计的该曲轴加工机床的尾座中，一共有三套轴，一套夹紧装置以及一套手 动摇动的驱动装置，如何安排这些零部件以及箱体的合理设计，都需要认真的 考虑，只有设计的合理，才能节省材料，降低制造难度，提高整体机床精度， 才能提高曲轴的质量，进而提高引擎的性能。 在本课题中，我们围绕的中心就是如何来提高整体机床的加工精度，以及 在保证此精度要求的前提下，各个部件相互之问的佰置合理，制造容易，装配 简便，成本较低来进行讨论分析的。床身作为机床的基础，是机床中最大的一 个部件，对机床的加工精度影响很大，因此要合理设计。此机床中的尾座由于 有特需的要求以及限制，其结构设计也需要认真考虑。总之，一切的设计都是 为了保证机床的加工精度。 1 2 曲轴加工车床床身及尾座的关键技术与研究现状 1 2 1 曲轴加工车床床身的关键技术与研究现状 曲轴是内燃发动机的关键零件之一。曲轴在发动机中将活塞连杆的往复运 动变为旋转运动，其在工作过程中会不断承受很大的弯曲应力和扭转应力，且 受力情况异常复杂。所以对曲轴的抗拉强度、刚度、耐磨性及冲击韧性等都提 2 武汉理一f 大学硕士学位论文 出了很高的要求，因此对曲轴在机械加工技术有着很高的要求。另外，曲轴也 是最难加工的工件之一，因为它极不对称、又细又长，所以对其的制造要求非 常高。曲轴加工机床作为曲轴的加工工具，因此将有着更高的要求，其精度将 直接决定着所加工的曲轴的质量。而机床床身作为机床的底座，个重要基础 部件，床身的性能将直接影响到机床的加工精度。提高机床床身的静、动态性 能，是当前各国的主要研究内容。床身的静、动态性能直接影响被加工零件的 尺寸、形状和位置误差值。如如何提高机床床身的抗压、抗拉、抗弯强度，如 何提高机床床身的抗振动性能、热稳定性能以及抗环境干扰性能。当然，降低 机床床身的成本，提高机床床身的使用寿命也是一个关键技术。在当前，为了 提高机床的加工性能，对床身的要求一般是从其结构、材料以及制造工艺等方 面来着手考虑的。在结构方面，对不同的机床，其结构有很大的不同，像一般 的普通车床，它是水平加工或者是垂直加工，另外也有斜车床结构，即它的加 工方向是倾斜。其材料也有许多，最常见的就是铁质材料，如铸铁，钢等。另 外，还有大理石、陶瓷、普通混凝土、钢混凝土等，现在发展到复合材料，如 钢纤维混凝土等，这些材料各有各的优缺剧3 1 。从制造方式方面，如铸造，焊接 等。其制造工艺的优秀与否也将直接决定床身的性能是否优秀。 1 2 - 2 曲轴加工车床尾座的关键技术与研究现状 尾座是曲轴加工车床上的常用部件，其工作状况对零件的加工质量有较大 的影响。机床工作时会产生振动，特别是加工曲轴，因为曲轴较长，质量又比 较大，旋转时产生的惯性量很大，而曲轴的加工精度又非常高，因此如何提高 曲轴加工车床的抗振性非常重要。大量实践可以证明，机床产生的振动系统， 主要是主轴工件尾架这三部件组成的系统。尾座跟头架一样，作为与 工件直接相连的部件，加工时产生的振动将直接传递到它的身上。提高尾座的 抗振性是一个关键技术。即要提高其刚度，增加其阻尼质。作为曲轴加工机床， 尾座在工件的加工过程中，一直存在着运动，这将出现磨损以及定位偏差，这 不仅将影响工件的加工精度，机床的使用寿命也将降低。当i j 尾座的材料一般 是铸铁，随着科学的不断进步，也有其它的材料作为尾座的制造材料，如，聚 合物树脂混凝土，有很好的阻尼特性，可以改善机床的动态特性，、其热变形也 小，热稳定性高。为了提高尾座的性能，材料是一方面，而现今是主要从改进 尾座的结构，提高其静、动态性能这方面来提高尾座的性能的。 3 武汉理工人学硕士学位论文 1 3 曲轴加工车床床身及尾座的国内外发展趋势 1 3 1 曲轴加工车床床身的国内外发展趋势 随着社会的高速发展，曲轴加工机床也向着高精的方向发展。机床的高精 加工，要求机床的刚度，抗振性能优异，作为曲轴加1 = 机床的基座的床身，其 刚度以及抗振性能也需要大大的提高。从结构上，不再是像以往那样常见的平 床身，现在斜床身也越来越多。斜床身比之平床身，它更大的优点是刚性十足， 可以增加机床的稳定性以及抗振性，从而提高机床加工精度。当然，斜床身还 有一些其它的优点，例如它容易排屑，清洗也比平床身方便，另外，由于是倾 斜的，其占地面积也比平机床床身小的多，在当今社会土地越来越贵的情况下， 其占地面积越小，相当于在相同的土地面积上能够放嚣更多的机床，因此其成 本也相对来说比平机床要低。 图1 1 斜床身圈12 平床身 不仅从结构上面束提高机床床身的性能，还可以从材料方面来提高其性能。 我国机床床身的材料主要为铸铁以及钢，铸铁一般生产铸造床身，而钢质材料 一般生产焊接床身。社会的不断进步，科技的不断发展，一些新型材料的出现， 也应用到机床床身的生产中去了。1 9 7 1 年，德国的s c h l e s i n g e r 首先采用钢筋 混凝土制造机床床身。上世纪4 0 年代，德国b o e h r i n g e r 公司经研究后，成批 生产了混凝土机床，这是为了节约钢材料，降低成本”j 。前苏联与美国也先后于 武汉理一i ：入学硕十学位论文 上世纪6 0 年代在机床床身的生产上应用了混凝土结构。上世纪7 0 年代，以钢 筋混凝土构件和人造花岗岩( 聚合物混凝土) 为材料的床身在瑞士、联邦德国 以及意大利推出。上世纪8 0 年代，r 本陶瓷公司k y o c e r a 与日本小型精密机床 制造公司e f u r o 在1 9 8 4 年在东京机床展上展出了以热压陶瓷制成的机床床身。 我国曲轴加工机床床身的新型材料应用起步较晚。上世纪5 0 年代末，曾尝试用 钢筋混凝土制造机床床身，但防腐等关键技术不能解决，而停止了研究。1 9 8 5 年以来，在人造花岗岩机床技术领域取得了很大的成就，其高的强度、阻尼及 较好的耐腐蚀性和较短的固化时间，收缩、蠕变和热变形等性能均满足制造床 身的要求。上世纪9 0 年代新型材料钢纤维聚合物混凝土的研究有较大成果，其 良好的物理、机械性能，能大大的提高机床床身的各项静、动态特性。 1 3 2 曲轴加工车床尾座的国内外发展趋势 曲轴加工车床的尾座国内外的发展趋势与床身的大同小异，主要也是从结 构和材料两方面来着手考虑的。结构方面，由于机床的类型不同，因此也要求 其相对应的尾座的结构有很大的区别。但是尾座的结构设计也是按照抗震性好、 刚度高、重量轻、成本低、加工简便等方面来考虑的。因此，尾座结构上没有 什么很特别的区分点，现今主要是对尾座进行一些改进。另外，在尾座的生产 加工工艺这方面也加以改进。在材料上，传统也是以铸铁以及钢为主，现在由 于高分子材料技术的快速发展，也出现了一些别的材料来制作尾座。由于尾座 是对加工工件进行定位央紧的一个部件，其精度将直接影响到工件的加工质量， 因此其刚度、热变形以及抗振性能都要求很高，又因为它有不是静止不动的， 而需要经常来回运动，因此一些部件的耐磨性也需要很高的要求【5 h t 。尾架由很 多部分组成，对一些部件，由于其特需的要求，一般还是按照要求取材料进行 制造，但是对一些部件，如尾架体，即尾架的箱体机构，我们可以用一些性能 更优秀的材料来制造【8 卜 i o 】。目前，国内外的发展趋势就是朝着高分子材料、复 合材料这一方向发展的。如聚合物混凝土复合材料，它是一种以热固型树脂作 为粘接剂，将石英、花岗岩等骨料通过聚合反应固化成型的一种高充填的复合 材料。它有很好的阻尼特性，能改善尾座的的动态性能，减小加工振动，提高 加工精度。另外，其比重小，只有铸铁的1 3 ，重量轻，但是其刚度却更大】【1 3 j 。 s 武汉理1 ：犬学硕士学位论文 1 4 研究内容 本课题研究的设备是用于曲轴轴颈加工的项目，是一台新型的曲轴加工机 床。其采用平行四边形结构来带动刀具跟随曲轴连杆颈同步旋转来加工连杆颈， 这种新的曲轴加工机床可以一次装夹，完成曲轴所有主轴颈和连杆颈的车削加 工。由于此种新加工方法的特性，此曲轴加工机床在外型以及结构上都与大部 分机床有很大的差异。本课题的研究是关于此曲轴复合车削实验装置的床身以 及尾座的。考虑到该车床的结构以及铸造难度等方面的要求，因此，该机床床 身分为前床身与后床身两部分。而尾座，考虑到加工精度的要求，采用双驱动， 因此，尾座也是专门设计的。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 对床身以及尾座的结构进行设计。该设计要求是刚度足够，重量轻、 各个位置的尺寸能对上。具体为什么地方加筋，什么地方开窗口，以及刀架回 转中心、主轴中心线和尾座中心线在同一高度。外观合理美观，工人操作轻松 方便。 ( 2 ) 介绍了对关键部位进行分析检验的方法及要求，以确保生产出的零部 件能满足该机床的精度要求。校核了该机床的导轨等关键部位，确保所设计的 部件能满足相应的要求。 ( 3 ) 对所设计的关键零部件进行实体建模，进行有限元分析，分析其静、 动态特性能否满足要求，从而对其结构加以改进，使其满足要求。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章床身的设计 2 1 床身的总体布局 2 1 1 床身制造方法的选择 在刚开始设计该曲轴加工机床的床身时，考虑了两套设计制造方法，即一 种方案为铸造床身，另一种为板材焊接床身。床身的焊接件与铸造件各自有各 自的优缺点。当然，由于本曲轴加工机床是一台实验装置，还没有大批量生产， 因此在此比较的只是对于生产一台机床，焊接与铸造的优缺点【i3 1 。 焊接床身的优缺点：其优点为，由于它是将小拼大，化大为小，因此，可 以制作设计复杂的部件，设计的时候只要考虑焊缝的强度就可以了。采用焊接 方式制造床身，其设计灵活，周期短，省时省力，能很快的将设计变为成品， 重量轻，生产成本较之铸造低。其缺点为，由于焊接时有大量的热，容易产生 热变形，集中应力，可靠性能不好。另外，其吸振、抗振性能不好，容易产生 形变。 铸造床身的优缺点：其优点为，适用范围广，铸造法几乎不受铸件的大小、 壁厚、形状的限制，其壁厚可达0 3 到1 0 0 0 m m ，长度从几毫米到几米，重量从 几克到3 0 0 t ，适合生产内腔复杂的零件，如箱体等。其材料也很广，如铸钢、 铸铁以及铝合金等。具有一定的尺寸精度，加工余量小，工艺灵活性大。有着 优良的物理及机械性能，还具有耐磨、耐腐蚀、吸振、抗振、承载能力大以及 不易产生形变等综合性能。其缺点为，需要制作木模，费时费力，制作周期较 长，由于本曲轴加工机床只是一台实验装置，木模不一定全部有用，可能是一 次性的，因此，其成本相对来说可能比较高【i 引。由于多种因素，铸造通常有气 孔、央沙、裂纹等一些铸造缺陷，特别是铸造大型铸件的时候，这些都会对其 性能产生很大的影响，从而影响机床精度。 本曲轴加工实验机床，主要是为了测试该机床能否通过新的工艺方法，加 工出所要求精度的曲轴，因此机床的精度要求比较高。虽然焊接床身的成本低， 生产时间也短，但是其吸振、抗振性能不好，容易产生形变的特点却是我们不 能够接受的。机床的加工精度不够高，加工出的曲轴不能满足要求，就算加工 7 武汉理工大学硕十学位论文 工艺再好，加工方法再先进，那也是失败的。在测试阶段，机床的精度是一个 关键。铸造床身，虽然成本高，生产时间长，但是其有很好的吸振、抗振、承 载能力大以及不易产生形变等机物理、械性能，因此，作为一台精度要求比较 高的机床的床身，它比焊接床身要好。 综上所述，为了保证机床的加工精度，因此采用铸造的方法来制造床身。 材料采用灰口铸铁，即h t l 5 0 - 2 5 0 。灰口铸铁含碳量高，碳主要以片状石墨形态 存在，其熔点低，凝固时收缩量小，抗压强度和硬度高，减震性好，用于制造 机床床身、气缸、箱体等构件。 2 1 2 床身的形状及形式 本曲轴复合车削实验装置一共包括以下几个部分：尾架箱、头架箱、床身、 十字工作台、行星差速器、刀架、可变距挂轮机构、操纵控制台以及补偿机构 与电机等。其中与床身直接相连的部件有尾架箱、头架箱、十字工作台、操纵 控制台以及电机。刀架放置在工作台上，与行星差速器相连。行星差速器通过 可变距挂轮机构与主轴箱连接。用于本机床的加工原理，刀架是要带动刀具与 工件同步旋转的，采用的是平行四边形结构，因此刀架的总长很长，有1 4 0 2 m m ， 宽度有4 7 6 m m ，总体来说，占用的空间比较大，还要有一定的旋转空间以及加工 时的横向进给。另外所设计的该曲轴加工机床加工的曲轴型号多样，曲轴长短 不一，最长的接近1 m ，因此尾座的进给范围也比较宽，有5 8 0 m m 。考虑到该机 床的总体结构形式以及床身结构、用料量等方面的问题，该机床的床身外型像 一个大写的t 字。 我们知道，整体式机床床身的精度比组合式机床床身的精度高，容易控制 在所要求的精度范围内【5 j 。它不需要进行装配，不会有装配误差，也不会考虑 它的连接方式以及连接精度。由于是整体的，其可靠性与抗震性也比组合式床 身好。在床身设计生产中，一般优先考虑的都是整体式床身。但是我们所设计 的该曲轴加工机床由于其结构的关系，床身设计的总体结构不规则，成t 字型。 头架箱与尾架箱放在前面，而工作台放在后面。本曲轴加工机床要求头架箱和 尾架箱的中心线与刀架的旋转中心在同一水平面，而由于刀架、尾架箱、头架 箱结构的影响，要求该床身前面部分与后面部分高低不等，前面部分高于后面 部分。另外，在导轨的安置方面，采用的整体铸造的方式，即导轨与床身铸造 在一起，铸造完成后再对导轨进行加工。由上所述，我们可以看出，该曲轴加 8 武汉理工大学硕+ 学位论文 工机床床身的结构复杂，形状不规则，考虑的这些因素对铸造和机械加工的难 度，我们可以得出：采用整体式机床床身，虽然其精度高，可靠性以及抗振性 高，但是其铸造和机械加工的难度太大，而采用组合式机床床身，虽然有一些 缺点，但是其铸造和机械加工的难度低、成本低。综合分析，对于本曲轴加工 机床的床身来说，组合式床身优于整体式床身，因而我们采用组合式床身，即 将床身分为前床身与后床身两部分，通过螺栓将它们连接在一起。床身俯视图 与左视图如下所示。 图2 - 1 床身俯视图 图2 - 2 床身左视图 9 武汉理r 大学硕十学位论文 2 2 前床身与后床身的结构设计 2 2 1 前床身的结构设计 在上一章已经介绍了前床身所放置的部件，主要就是头架箱、尾架箱，这 两个部件占主要位置，也是最重要的两个部件。当然，电机以及电机的支撑座、 操纵控制台，还有使尾架箱移动的传动装最也是放在前床身上面的。 前床身的设计，主要是从其承重受力状态、强度、刚度、精度、重量、铸 造难度以及加工工艺等方面出发考虑的。另外，人机相互之间的关系也要考虑， 即人在操作这台机床的时候，操作方便、轻松，不能觉得碍手碍脚，费时费力。 前床身采用铸造件，材料采用h t l 2 0 - 2 5 0 ，其壁厚为2 0 r a m ，里面的承重筋板 以及加强筋也采用2 0 m m 的厚度。2 0 m m 的厚度，是按照有经验的高工的建议来采 用的，能够满足该机床所要求的床身应该所要求的刚度。 由于床身是整个机床的基座，其总长、总宽和总高是按照头架箱、尾架箱、 工作台以及配合人的操作方便轻松所要求的尺寸来确定的，因此，床身的尺寸 以及结构都要与以上方面配合。只有配合的优良，才能保证整体机床的外观美 观、操作方便、精度高，才是一台性能优异的机床。前床身的尺寸主要与头架 箱、尾架箱以及加工工件的大小有关。其结构与头架箱、尾架箱的放置以及受 力情况有关。 前床身的总体长度为2 2 2 7 m m 。其总体长度是按照所设计的头架箱、尾架箱 的尺寸和最大加工工件的尺寸来确定的。所设计的头架箱箱体长5 1 4 m m ，尾架箱 长4 4 0 m m ，加工工件的最大长度接近1 0 0 0 m m ，再加上两端央具所占用的尺寸以及 尾架箱在装夹工件是要有一定的余量，这些相加起来，床身的长度为2 2 2 2 m m 。 余下的5 m m ，是在该床身的最左面做一个凸台，其厚度为5 m m 。该凸台是作为测 量基准的。长度方向的尺寸，都是以它为测量起点。 前床身的总宽为7 1 4 m m 。前床身的总宽不仅与头架箱、尾架箱的宽度有关， 还与电机以及放置电机的电机调整座有关。本课题所设计研究的曲轴加工机床 是一台实验装置，由于一些相关的要求，希望所要求的电机能变频调速，这样 能够更容易的在各个加工转速下进行测试。电机的功率要求比较大，要求该机 床能够做强力切屑，其功率最终确定为1 5 k w 。最终选择型号为y v p l 8 0 m 一6 的变 频调速三相异步电动机。操纵控制台也是放置在前床身上的，因此前床身的宽 1 0 武汉理一l 人学硕+ 学位论文 度与其也有关系。当然，还要考虑各个部件相互之间的关系，看各个部件之间 是否存在干涉。 前床身的总高为8 4 5 m m 。总高的确定主要与两个方面有关：一是人机的关系， 二是与头架箱与尾架箱的主轴中心到它们底部的尺寸有关。人机的关系即加工 工件的装夹与拆卸容易，主要与主轴中心线的高度有关。一般此高度取值不是 确定的，各个国家由于人的身高不同而不同。我们的最终取值为1 3 1 3 r a m 。这一 取值是按照所设计的部件大体上取的，不是事先设计。头架箱主轴中- l , 足f i 离其 箱体底面为4 7 7 m m ，尾架箱其主轴中心距离其底面4 9 2 m m 。 图2 3 前床身主视图 图2 4 前床身俯视图 1 1 武汉理i ：人学硕士学位论文 图2 - 5 前床身左视图 图2 - 6 前床身后视图 上面三幅图为前床身三视图。如图2 - 4 前床身俯视图所示，在其最左边放 置的是头架箱。头架箱放置在两个长方形的凸台上面，此凸台是为了确保头架 箱与尾架箱的中心高一致而设计的，通过螺栓将其固定在前床身上面，一边四 个，总共八枚螺栓，另外两孔为0 1 2 h 7 的销孔，此销孔配作。在放置头架箱的 凸台前面的环形凸台，是操纵控制台的基座，是通过4 枚螺栓将其固定在i j 床 身的上面。此环形凸台中问是0 8 0 的通孔，与控制台的连线都是通过此孔与接 线盒相连接的。右边为两条导轨，一条山型导轨与一条平导轨，尾架箱就是在 此对导轨上来回滑动，进行工件的装央与拆卸【l 引。在两条导轨中间的凸台，是 武汉理一t ：人学硕士学位论文 齿条的安装基座，也是通过螺栓拧紧固定的。本曲轴加工实验装置的尾座是手 动的，通过手柄的摇动，带动齿轮在齿条上滚动，最终带动尾架箱在导轨上的 滑动。切屑与切屑液是通过前床身中问的方形开口流到其下面的接屑盒。在图 2 - 3 中，j 下中间的四块三角形的筋板支撑的两块横筋板上面放置的就是接屑盒。 另外，为了方便切屑液能更容易的流出，前床身的上平面是有一定斜度的。以 中间的方形开口为中心，四周随着距离其越远而相对越高，此斜度为l 。也为 了切屑液不流到机床的外面而使得地面到处都是切屑液，在前床身的四周起了 高度为2 0 姗，宽度为1 5 m 的边沿凸台。当前床身铸造完成后，对该床身的一些 部位还要进行加工，而此床身的结构较大，重量很重，不能通过人工的方法来 将其放置在加工机床上进行加工。考虑到加工前床身如导轨、底面以及和后床 身接触面的方便，在该前床身上设计了一对起吊孔。如图2 - 4 所示，其上面的 一对孔就是起吊空。这对孔穿个整个床身，为了铸造的方便，以及使其在起吊 是所受到的压力更小，不容易损坏，在孔的周围设计了一圈凸台。在前床身的 左下角放置电机以及电机调整座。电机调整座通过螺栓和一个螺纹杆与前床身 底部相连，电机放置在调整座上面，用螺栓及螺母固定。在前床身的底部，一 共有6 个安装调整螺栓的部位，主要分布在左边和右边，一边3 个，主要是因 为头架箱和尾架箱是放在两边的，前床身受到的力主要是集中在两边。如图2 - 6 所示，前床身与后床身相连接的部位起门形凸台，这样不仅可以减少加工面积， 还可以增大抗扭、抗剪切等性能。其与后床身也是通过螺栓相连接，其上面的 销孔也是配作。以上是从前床身主要能实现的功能和与其它部件相互配合的角 度出发来进行结构设计的，即是与它相关联的部件应该如何放置，怎样放置更 加合理的方面来进行考虑的。 从其功能和与其相关联的部件的配合出发进行设计，要加重注意以下几个 方面：一是，头架箱与尾架箱的 轴中心线应该在同一高度，为了能够保证这 一精度，在设计的时候，头架箱与床身相连接的部位放置了5 m m 的调整块；二 是前床身上的静平导轨要与尾架箱上的动平导轨配合，同时前床身上的静山型 导轨也要与尾架箱上的动山型导轨配合：三是导轨高度的设计，导轨不仅要与 尾架箱底部相配合，由于该队导轨是放在前床身的中间位置，相距两边有一定 的距离，所以还要保证在上导轨下压板的时候有扳手空间：四是电机及其调整 座方面，由于本曲轴加工机床的结构特别，头架箱不仅要通过皮带与电机相连， 还要与可变距挂轮机构相连，两者的轴相距很近，而挂轮机构的挂轮比较大， 并可运动，如果设计的不好，皮带轮与挂轮很容易相互干涉；五是与后床身连 武汉理工大学硕士学位论文 接部位门形凸台放置的位置。 不仅要从其功能能否实现，与其它部件的配合是否合理这些方面来设计， 还要从其刚度、精度、成本以及铸造难度等工艺方面对其进行设计。虽然功能 能够实现，能够加工出零件，但是零件的精度要求不能满足所需，或许零件根 本就是废品，这是不行的，如果零件的精度要求能够满足所需，其成本更低、 更容易制造出来，那么，这样的机床才是一台好机床，才能更容易的推广。 从上面的分析我们已知前床身的主要受力部分在两头，即是头架箱和尾架 箱对床身的作用力，因此在放置头架箱与尾架箱的部位做成立柱式，这样可以 提高此部分的刚度，保证在受到较大的力的情况下，不发生形变，保证精度。 在此曲轴加工机床中，电机的设计是放在前床身的内部的，这样可以节省空间， 减少占地面积。电机放在头架箱的正下方，由于是选取的功率为15 k w ，型号为 y v p l 8 0 m 一6 的三相异步电动机，该电机体积比较大，长8 1 0 m m ，宽4 6 5 m m ，高2 4 5 m m 。 由于电机的长度的原因，放置头架箱部位的立柱的长度相对头架箱的长度来说， 要长的多。该立柱的长度有8 2 4 m m ，而头架箱的长度只有5 1 4 m m 。为了确保床身 在放置头架箱处的刚度，因此，在立柱的上端面设计了一块板筋，筋厚2 0 m m ， 高1 6 0 m m 。为了保证电机的安装、拆卸方便，该立柱的前面和左面是开口的，没 有遮挡物。另外，头架箱与尾架箱下面的立柱相隔的太远，在它们之间还加了 一条横筋，如图2 3 所示。为了方便工人操作，在前床身前面的中部位置没有 设计成一整块，而是将其下面部分去掉，这样工人更容易操作，而其后面，为 了保证其刚度，则设计成一整块，在在其中自j 合适的部位开窗口的形式。对整 个前床身来说，其上面是一整块板，底部也是一整块板，后面同样，前面留有 一个开口中间有立柱以及筋板。为了使其不笨重，起吊、加工方便，节约材料， 以及铸造工艺方面的考虑，在一些地方设计成有窗口的形式。如床身的底部开 了三个窗口，其后面开了四个窗口，中间的竖板都设计成中间有窗口的形式。 对前床身的上部来说，考虑到切屑液，就没有丌窗口，就一个切屑液流出的通 道。 这是前床身的最终设计方案，该床身能够满足其所需要的功能，刚度高， 能满足该机床的一些精度要求。重量由于除去了一些不影响床身刚度的部分而 较轻，设计的窗口比较合理，也降低了铸造的难度。 在这套方案确定前，由于设计的经验不足，常常出现一些问题，做了几次 大的修改。之前的设计，虽然能够和其它的部件相互配合，但是床身的精度能 否保证加工精度、是否有足够高的刚度、能否铸造出成品以及铸造的难度大不 1 4 武汉理工人学硕士学位论文 大等等方面没有考虑全面，而出现了重大的失误。设计出现床身部分刚度不够， 该部分容易产生变形；部分设计的不合理，提高了铸造难度，有些地方根本就 不能通过铸造的方法来实现。还有一些地方，例如起吊孔没有设计，床身上表 面是平的等。 以下两张图是在设计的时候没有考虑全面，而出现问题的设计图。 图2 7 有设计问题的前床身俯视图 f 图2 - 8 上图f - f 向剖视图 从上面的两幅图中，可以看出设计存在以下几个问题。一是没有起吊孔。 没有设计起吊孔，在对该床身进行加工的时候，如何对其起吊、搬运都将是一 个难题，靠人力来进行搬移与起吊，对重量非常重的该前床身来说，这种方法 不可取。二是刚度不够。在该床身的中问部位，它只有上面的一小部分与左右 两边相连，而左右两边是该床身的主要受力部位，在加工的时候，切屑力在该 床身的中问部位，由于力矩的作用，中问部位的刚度不够而发生形变，从而使 床身的中间凹陷，影响机床的加工精度。在改进后的设计方案中，前床身的底 武汉理l ：犬学硕十学位论文 部是一整块板，这样可以大大的提高床身中间部位的刚度。三是其与地面连接 部分设计成如图2 8 所示，是四条比较窄的竖条的形式。这样设计的本意是比 较容易的放平，另外，床身的底部是一个尺寸基准，需要进行加工，即经过龙 门铣床铣一刀，这样可以减少加工面积。但是这样的设计的缺点是不容易放稳。 由于床身放不稳，加工其上面的导轨以及其它的接触面时，会出现较大的误差。 如果机床的床身不稳定，加工工件的时候有较大晃动、振动，都会使机床的加 工精度降低。 通过上面的对比，使我知道了床身的设计首先要确保的是其刚度、稳定性， 而后才是在此基础上的结构改进、位置分布。 2 2 2 后床身的结构设计 该曲轴) j n t _ 实验装置的后床身主要放置的是十字工作台滑台。如何与十字 工作滑台配合以及如何保证后床身的刚度是设计好后床身的关键问题。后床身 的承重很大，其上面不仅包括十字工作滑台，还包括十字工作滑台上面的刀架 机构、行星差速器以及部分的可变距挂轮机构，这些机构的总重量相加大于2 吨，再加上切削时产生的大约3 k n 的切屑力，因此，要求后床身的刚度大。由 于该曲轴加工机床的特殊性能，要求其可旋转刀架机构的旋转中心与该机床的 主轴中心高一致，所以在设计的时候，其高度有限制。其高度与最终确定的主 轴中心高、刀架旋转中心到其底部、十字工作滑台高度这三个方面有关，与这 三个方面协调，是设计后床身的关键之一。 后床身也采用铸造件，材料采用h t l 2 0 2 5 0 ，其壁厚为2 0 m m ，床身内筋板厚 为1 5 m m ，成两横一竖形式。其壁厚与筋板厚度是按照有经验的高工的要求设计， 经检验能满足床身所需要的刚度要求。 后床身总长1 2 8 5 m m 。其长度是按照所设计的十字工作滑台的宽度以及纵向 进、退刀所需要的空间，最后按照大件的总尺寸要求其尾数为偶数或者5 来确 定的。 后床身总宽1 2 4 5 m m 。该尺寸与十字工作滑台下滑板有主要关系。十字工作 滑台下滑板的动导轨与后床身的静导轨配合，下滑板的山型导轨中心距平导轨 的最； i - n 就有1 0 1 2 m m 。后床身的调整螺栓是放在两侧的外面的，一边3 个。这 些相加起来，后床身的总宽为1 2 4 5 m m 。 后床身总高8 0 2 m m 。后床身总高与前床身上装配后的头架箱主轴中心高到前 1 6 武汉理工大学硕七学位论文 床身的底部高度、刀架的旋转中心到与其相配合的十字工作滑台上的基座以及 该基座到十字工作滑台下滑台山型导轨的端面这三者有关。其中，前床身上装 配后的头架箱主轴中心高到前床身的底部高度是工人的作业高度。 图2 - 9 后床身主视图 图2 - 1 0 后床身俯视图 武汉理t 大学硕士学位论文 图2 - 1 1 后床身左视图 图2 9 、2 - 1 0 、2 - 1 1 分别为后床身的主视图、俯视图以及左视图。如图2 9 所示，其最上面是一对导轨，左边为平导轨而右边为山型导轨，十字工作滑台 就是放置在导轨上面的。十字工作滑台的纵向进给是通过滚珠丝杠带动的，滚 珠丝杠的支撑座安装在床身上，螺母与十字工作滑台下滑台相连。如图2 1 0 中， 两条导轨中间两凸台就是滚珠丝杆的三个支撑座的基座。它是通过螺栓来固定 的，由于该凸台在床身的中间，如果通过螺母来拧紧，操作起来很不方便，因 此后床身上面凸台是m i o 的螺纹孔，攻通，这样操作起来就很方便，只要在上 面拧紧螺栓就行。另外，由于装配可能出现误差，所以这些螺纹孔不是事先设 计好的，而是在装配时配作的，这样可以保证装配时不会出现床身上的螺纹孔 与滚珠丝杆的支撑座上的孔不配合，而出现螺栓不能拧进去的