（机械电子工程专业论文）高速数控铣床结构设计及动态性能研究.pdf

摘要 摘要 随着科学技术和社会生产力的不断发展，对机械产品的质量和生产效率提 出了越来越高的要求。尤其对高速、高精密数控加工需求显著提高。由此应运 而生了高速数控铣床。高速数控铣床因其具有在加工中普通数控铣床无法比拟 的切削力小、工件热变形小、材料切除率高、工艺系统振动小、可加工难加工 材料等优点，成为各国装备制造业竞相发展的方向。我国于2 0 世纪9 0 年代开 始高速数控机床的研发，但相比于西方发达国家，还有比较大的差距。 就目前而言，机床设计理论中还没有一个比较系统完整的高速数控铣床设 计方法。本课题在借鉴国内外大量高速数控铣床资料的基础上，按照模块化设 计原则，对影响高速数控铣床刚度、稳定性和抗震性的主要部件，如立柱、横 梁及床身进行分析设计。根据设计要求建立三维实体建模，然后建立有限元模 型，在工作极限载荷条件下进行应力、应变等分析。并以此为依据对机床零件 进行优化尺寸设计。具体研究内容如下： ( 1 ) 在分析国内外高速数控铣床发展趋势的基础上，提出高速数控铣床的 整体设计方案。 ( 2 ) 根据高速切削加工对高速数控铣床本身的设计要求，确定机床主要部 件尺寸参数，并使用s o l i d w o r k s 软件进行机床主要零部件三维实体建模。 ( 3 ) 使用s o li d w o r k s 软件完成机床主要部件虚拟装配。 ( 4 ) 使用a n s y s 软件建立高速数控铣床主要部件立柱、横梁及床身的有 限元静力学模型，并进行结构静力分析计算。 ( 5 ) 对高速数控铣床主要零部件进行动力学建模，并进行动态性能研究和 优化。 在当今世界各国争相发展高速数控铣床的时代背景下，我们尝试总结出高 速数控铣床的设计流程与方法，希望能为今后高速数控铣床的研发提供具 有实用意义的参考。 关键词：高速数控铣床结构设计有限元分析动态分析 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dm o d e mt e c h n o l o g y a n dt h es o c i a l p r o d u c t i v ef o r c e s ，t h e m e c h a n i c a lp r o d u c tq u a l i t ya n dp r o d u c t i o ne f f i c l e n c yp u t f o r 、) ，a r dm o r ea n dm o r eh i g hd e m a n d e s p e c i a l l yf o rh i g h - s p e e d ，h i g hp r e c i s i o nc n c p r o c e s s i n gd e m a n ds i g n i f i c a n t l ye n h a n c e d b e c a u s et h eh i g hs p e e d n u m e r i c a lc o n t r o l m i l l i n gm a c h i n eh a sm a n ya d v a n t a g e so v e ro r d i n a r yc n c m i l l i n gm a c h i n e s ，s u c ha s s m a l lc u t t i n gf o r c e ，s m a l lt h e r m a ld e f o r m a t i o no fw o r kp i e c e ，h i g hm a t e r i a lc u t t i n g r a t e 1 0 wv i b r a t i o no ft h ep r o c e s s i n gs y s t e ma n db e i n ga b l e t oc u td i f f i c u l tc u t t i n g m a t e r i a l s ，t h eh i g hs p e e dc n cm i l l i n gm a c h i n eb e c o m e sd e v e l o p i n gd i r e c t i o no l v a r i o u sc o u n t r i e s e q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y w es t a r tt h eh i g hs p e e dc n c r e s e 孤c ha n dd e v e l o p m e n ti n19 9 0 s ，a n dh a s t h el a r g eg a pc o m p a r i s o nw i t ht h e w e s t e r nd e v e l o p e dc o u n t r i e s f o rn o w , t h em a c h i n et o o ld e s i g nt h e o r yh a sn o tam o r ec o m p l e t es y s t e md e m g n m e t h o df o rh i g h s p e e dc n cm i l l i n gm a c h i n e t h i st o p i cr e f e r e n c e st h ed o m e s t i ca n d f o r e i g nm a s s i v eh i g hs p e e dc h i cm i l l i n g m a c h i n ed o c u m e n t ，a c c o r d i n gt o t h e m o d u l a t i o nd e s i g np r i n c i p l e ，t h i st o p i ch a sd e s i g n e dt h em a i nc o m p o n e n t s ，s u c ha s m a c h i n et 0 0 1p i l l a r ，m a c h i n et o o lb e a m ，m a c h i n et o o lb e d ，w h i c ha f f e c tt h es t i f f n e s s ， s t a b i l i t ya n dv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o ft h e h i g hs p e e dc n cm i l l i n gm a c h i n e t 0 0 1 a c c o r d i n gt od e s i g nr e q u e s t s ，t h r e ed i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo f t h eh i g hs p e e d c n cm a c h i n et o o lw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h e nf i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rt h em a c h i n e w a sa l s oe s t a b l i s h e d 。a n a l y s e so fs t r e s sa n ds t r a i nw e r ec a r d e do nu n d e rt h el i m i t e d w o r kl o a dc o n d i t i o n s a n dt h em a c h i n et o o lp a r t sw e r eo p t i m i z e da n dd e s i g n e db y s l z e s t h es p e c i f i cr e s e a r c hc o n t e n ta sf o l l o w s ： ( 1 ) o nt h ea n a l y s i so ft h eh i g h - s p e e dc n cm i l l i n gm a c h i n ed e v e l o p m e n t t r e n da t h o m ea n da b r o a d ，a u t h o rs u g g e s t s t h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m eo fc n cm i l l i n g m a c h i n e ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so f h i g h s p e e dc n cm i l l i n gm a c h i n ef o r h i g hs p e e dc u t t i n g ，s i z ep a r a m e t e r so ft h em a j o rc o m p o n e n t s o ft h em a c h i n et o o lw e 他 - i l a b s t r a c t d e t e r m i n e d ，a n d3 - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e l sw e r ec o n s t r u c t e df o rt h em a c h i n et o o l m a i nc o m p o n e n t sb ys o l i d w o r k s ( 3 ) c o m p l e t et h ev i r t u a la s s e m b l yo ft h em a i nc o m p o n e n t so fm a c h i n et o o lb y s o l i d w 6 r k s ( 4 ) f i n i t ee l e m e n tm o d e l sw e r eb u i l tb ya n s y s f o rt h em a j o rc o m p o n e n t so ft h e h i g h s p e e dc n cm i l l i n gm a c h i n e ，s u c h 弱t h ep i l l a r , b e a ma n db e d ，a n dt h es t r u c t u r e s t a t i ca n a l y s e sw e r ea n a l y z e d ( 5 ) d y n a m i cm o d e l so fm a j o rc o m p o n e n t so fh i g h s p e e dc n cm i l l i n gm a c h i n e w e r ee s t a b l i s h e d ，a n dc a r r i e do nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c er e s e a r c ha n do p t i m i z a t i o n u n d e rt o d a y sw o r l db a c k g r o u n do fm a n yc o u n t r i e ss c r a m b l i n gt od e v e l o p h i g h s p e e dc n cm i l l i n gm a c h i n e ，w et r yt os u m m a r i z et h ed e s i g np r o c e s sa n d m e t h o do fh i g h s p e e dc n cm i l l i n gm a c h i n e ，a n dh o p et op r o v i d em e a n i n g f u l r e f e r e n c ef o rt h er e s e a r c ho fh i g h s p e e dc n cm i l l i n gm a c h i n ei nf u t u r e k e yw o r d s ：h i g h - s p e e dc n c ；s t r u c t u r ed e s i g n ；f e a ：d y n a m i ca n a l y s i s 1 绪论 1绪论 1 1引言 当今世界，机械制造业仍然是国民经济发展的支柱。世界上各发达国家经 济领域的竞争，主要是制造技术的竞争。在各国企业生产力的构成中，制造技 术的作用一般占5 5 - - 6 5 ，日本及亚洲四小龙的发展，在很大程度上都是与他 们重视制造技术有关。现代的专用机床、夹具、刀具、量具组成的流水式生产 线已替代了原先传统的机床加工。先进制造科学与信息科学、材料科学、生物 科学一并被列为当今世界四大支柱科学。美国政府在1 9 9 6 年把先进制造技术列 为国家预算唯一重点支持的科技领域。现如今机械制造业的发展趋势已演变为 柔性化、敏捷化、智能化和信息化。 ( 1 ) 柔性化：使工艺装备与工艺设计能适用于各种产品的需要，能用于迅 速更换工艺； ( 2 ) 敏捷化：使产品推向市场准备时间缩为最短，使生产厂家的生产机制 可以灵活转向； ( 3 ) 智能化：它是柔性自动化的新的发展方向与延伸。工人不仅要摆脱繁 重的体力劳动，还要管理技术人员从繁琐的计算、分析等脑力劳动中解放出来， 以便有更多的时间和精力从事高层次的创造性劳动。 ( 4 ) 信息化：机械制造业的发展将是由信息主导的，采用先进的生产模式、 先进的制造系统、先进的制造技术和先进的组织管理方法的全新的机械制造业。 面对2 l 世纪，机械制造业特点表现为全球化、网络化、虚拟化、智能化以及环 保协调的绿色制造等u 1 。 从2 0 世纪中期开始，随着数控技术的发展，数控机床为机械制造业带来了 革命性的转变。数控机床以其高柔性，高精度，加工质量稳定性好，生产效率 大幅提高，改善了工人生产条件等优势，迅速被市场接纳，逐步取代了普通机 床在机械制造业中的地位，成为机械制造业的中流砥柱。 高速切削最早是由德国的切削物理学家萨洛蒙在1 9 3 1 年4 月提出的。在他 的切削理论中他认为：在常规切削速度范围内，切削温度会随着切削速度的提 高而升高，一定的工件材料对应有一个临界切削速度，此时的切削温度最高， 1 绪论 但当切削速度超过临界值后，切削温度不但不升反而下降。对于每一种工件材 料，都存在个速度范围，在该范围内，由于切削温度太高，刀具材料无法承 受，切削加工不能进行，这个范围称之为“死谷 。如果切削速度能越过“死 谷 ，在高速区工作，则有可能用现有的刀具进行高速切削，切削温度与常规 切削基本相同，从而大大减少切削工时，大幅度提高机床生产效率昭儿“1 。 伴随着高速切削理论日趋完善，高速切削具有以下优点： ( 1 ) 切削力小：由于切削速度非常高，切屑流出速度加快，切屑流出阻力 减少，切削变形减小，工件表面残余应力很小。这样就可以改善和提高工件的 使用性能，从而使切削力比常规切削降低30 以上，尤其是主轴轴承、刀具、 工件受到的径向切削力大幅度减少，特别适合于加工薄壁类刚性差的工件，如 飞机上的机翼壁板等乜3 射。 ( 2 ) 工件加工热变形小：在高速切削中， 90 以上的切削产生的热来 不及传递给工件就被高速流出的切屑带走，工件积累热量很少，工件温度升高 不会超过3 ，基本保持冷态，因此，特别适合于细长易热变的工件位1 d 钔。 ( 3 ) 材料切除率高：随切削速度的提高，进给速度也相应提高5 10 倍，单位时间内的材料切除率可达常规切削的3 - - 6 倍，适用于材料切除率要 求大的场合，在航空航天、汽车和模具制造等领域，高速切削技术已成为加工， 整体构件最理想的制造技术。随着刀具切削速度的大幅提高，工件进给速度亦 相应提高5 l0 倍，这样大大缩短了加工时间和空行程的时间，生产效率显著 提高川3 m 。 ( 4 ) 工艺系统振动小，可实现高精度、低粗糙度加工：在高速切削时，机 床的激振频率很高，远远超出了“机床一刀具一工件”工艺系统的固有频率范围 ( 5 0 - - - 3 0 0 h z ) ，使得加工过程平稳，振动小，可实现高精度、低粗糙度加工。 高速切削加工获得的表面质量通常可达磨削水平，因此常可省去铣削后的精加 工工序。可获得高质量的加工表面。由于采取了极小的步距和切深，切削深度、 切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的准确性，另 外也使得切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。从而 可获得很高的表面质量，甚至可以省去钳工修光的工序陆】【引。 ( 5 ) 工序集中，加工时间缩短，降低加工成本使生产效率提高：零件的单 件加工时间缩短，高速切削常可使粗精加工工序可集中在一道工序中完成。以此 提高生产效率。用高速加工中心或高速铣床加工模具，可以在工件一次装夹中 1 绪论 完成型面的粗、精加工和零件其他部位的机械加工，即所谓“一次过 技术。 随切削速度和迸给速度的大幅度提高，单位时间内的材料去除率大大增加，从 而极大地提高了机床的生产效率】 们。 ( 6 ) 简化加工工序：常规切削不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行 人工修整或通过放电加工解决。高速切削可以直接加工淬火后的材料，在很多 情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减 少或免除人工光整加工引。 ( 7 ) 可加工难加工材料完成高硬度材料的加工：难加工材料如高锰钢、淬 硬钢、奥氏体不锈钢、复合材料和耐磨铸铁等的切削加工不仅切削效率低，而 且刀具寿命短。高速切削时，由于切削力小，切屑变形阻力小，刀具磨损小， 故可加工一些难加工材料d 】 剐。 ( 8 ) 高速干切削可以实现加工过程的绿色制造：高速干切削就是在切i 翩j j j u 工过程中不使用任何切削液的工艺方法，是对传统切削方式的一种技术创新。 它相对于湿切削而言，是一种从源头上控制污染的绿色切削和清洁制造工艺， 它消除了切削液的使用对外部系统造成的负面影响。目前，能实现高速干切削 的工件材料有铸铁、铝合金、滚动轴承钢等n 1 。 高速切削被越来越广泛的应用于航空航天、汽车零部件、模具加工等领域。 高速数控铣床成为世界各工业发达国家主要发展的项目之一。 1 2 课题的背景、意义和国内外研究现状 本课题以机械工程领域工程硕士培养方案为引领，高速数控机床设计领域 为方向，所进行的高速数控铣床结构设计及动态性能研究，以此尝试总结出高 速数控铣床的设计流程与方法。 1 2 1 现代高速数控铣床提出的背景、意义 在近2 0 年内，机械制造业的发展重点是减少加工辅助时间和生产准备时间， 提高加工质量等并已取得长足的进步。在此过程中也相应提高了机床开发水平、 加工过程的电气控制技术和测量水平以及刀具研制水平，为进一步发展传统机 械制造业创造了良好条件。但是，随着生产准备时间及辅助时间的缩短，机床 自动化程度提高之后，如何迸一步减少加工时间、提高生产效率又受到人们的 1 绪论 关注，高速切削技术就是在这样的背景下迅速发展起来，可以说这也是继发展 数控系统之后，机床制造业的又一重大发展趋向。这也完全符合了当今世界机 械制造业的发展趋势。高速数控铣床的设计与开发集机械制造业发展趋势于一 身。高速切削技术的发展必将带来机床设计制造业的重大革命。因为设计制造 者必须对机床的总体布局，主轴系统，刀具系统、防护系统、控制系统等从原 材料乃至具体结构做出相应的研究。高速机床的生产能力水平已成为衡量一个 国家机械制造水平的标志埔1 。 我国高速机床的制造水平和世界上先进的欧美国家相比还有相当大的差 距。比较明显的特征就是国内四轴及四轴以上联动的数控机床大部分都来自于 进口。国内机床现状主要表现为产品模仿相当普遍，而具有自主知识产权的创 新产品还相对较少。这样的结果就是面对市场，国内生产的机床市场竞争力不 强，一般只能面向中低档需求。造成这种局面的原因主要是我国目前机床设计 水平普遍不高，机床设计还是以模仿、类比、静态设计为主，很少有综合考虑 机床结构静态、动态性能对机床的影响。如果发现产品有问题，再反复修改， 再试制，如此一来，使生产出来的机床精度很难保证，同时由于设计周期长， 效率低下，机床质量不能保证，反而机床的制造成本还会很高。所以我国机床 制造业的水平亟需提升。 和发达国家相比，我国的机床制造业主要欠缺的先进的设计理念和制造方 法。提升我国机床制造的水平，主要要从机床制造的源头一机床设计研发入手。 只有从设计研发入手，应用先进的设计方法，快速而高效的研发出结构合理， 精度高，稳定性好的低成本产品，我国的机床制造业才会在国际市场具有竞争 力，我国机床制造业的明天才会更加辉煌。 1 2 2国外高速数控机床发展现状 在国外高速切削技术方面，1 9 7 6 年美国的v o u g h t 公司研制了一台超高速铣 床，最高转速达到了2 0 0 0 0r m i n 。特别引人注目的是，联邦德国d a r m s t a d t 工 业大学生产工程与机床研究所从1 9 7 8 年就开始系统地进行超高速切削机理研 究，对各种金属和非金属材料进行高速切削试验；联邦德国组织了几十家企业 并提供2 0 0 0 多万马克支持该项研究工作。自20 世纪80 年代中后期以来，商 品化的超高速切削机床不断出现，超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超 高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。瑞士、英国、日本也相继推出 1 绪论 自己的超高速机床。日本的k i t a m u r a 研发的s p a r k c u t 6 0 0 0 加工中心主轴最高 转速达1 5 0 0 0 0 r m i n ，最快进给速度6 0 m m i n 。日本新泻铁工研制的u h s l 0 数 控铣床主轴最高转速可达1 0 0 0 0 0 r m i n ，最快进给速度1 5 m r a i n 。美国的 c i n c i n n a t i 制造的h y p e r m a c h 主轴转速也达到6 0 0 0 0 r m i n ，其快速移动速度可达 1 0 0 m m i n 。瑞士的m i k r o n 公司研发的h s m 7 0 0 型高速数控铣床主轴转速可达 4 2 0 0 0 r m in ，快速移动速度达到了4 0 m m in 归3 。 1 2 3 国内高速数控机床发展现状 近年来，我国从2 0 世纪9 0 年代以来开始研发适用于高速机床的数控系统， 在高速超高速加工的各关键领域，如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给 电机、陶瓷滚动轴承等方面，也进行了较多的研究，但总体水平同国外尚有较 大差距，大多数高速精密切削机床还主要依赖于进口晦1 。 就目前来说，国内的机床厂和科研院所已经意识到了我国高速机床落后发 达国家的现状，纷纷加大对高速机床研究的投入，开发研制出了我国自己的高 速机床。 高速机床的性能好坏和机床的静态、动态特性息息相关。只有保证了机床 部件的刚度，机床的稳定性才可以保证，加工精度才可能保证，机床质量才会 不断提高。我国科研人员在机床主要部件的静态、动态特性的研究已经取得了 相当大的成果。他们对影响机床静态、动态性能的因素做了分析和研究。同时， 对于影响机床静态、动态性能的因素进行优化，得出了许多重要结论。 桂林机床股份有限公司与北京航空航天大学、北京机械工业学院联合研制 的五轴联动数控龙门铣床是我国首台自主开发，具有自主知识产权的五轴加工 中心，填补了国内的空白。沈阳机床股份有限公司和意大利f i d i a 公司共同研发 的d i g t l 6 5 高速铣削中心工作台面积为9 0 0 m m x l 4 0 0 m m ，主轴最高转速为 4 0 0 0 0 r m i n ，快速进给速度和最大进给速度为3 0 m m i n 。大连机床股份有限公司 生产的d h s c s 0 0 卧式加工中心主轴最高转速可达1 8 0 0 0 r m i n ，快速进给速度和 最大进给速度为6 2 m m i n 。 1 3 研究内容 本课题在借鉴国内外大量高速数控机床资料的基础上，按照模块化设计原 1 绪论 则，对影响高速数控铣床性能的主要部件立柱、横梁及床身进行分析设计，确 定零部件结构。根据设计要求建立三维实体建模。然后对其建立有限元模型， 在工作极限载荷条件下进行应力、应变分析。并以此为依据对机床零件进行最 优化尺寸设计。具体研究内容如下： ( 1 ) 首先搜集国内外对于高速数控机床的研究资料，明确高速数控铣床对 于我国国民生产应用的重要作用，确立本课题研究的现实意义。在分析国内外 高速数控铣床发展趋势的基础上，提出高速数控铣床的整体设计方案，确定最 终机床的整体设计方案为龙门式。 ( 2 ) 确定机床整体结构后，根据高速切削加工中加工精度、加工条件等要 求确立对高速数控铣床结构部件的设计要求，确定机床主要部件尺寸参数。根 据设计参数使用s o l i d w o r k s 软件对机床的床身、立柱、横梁、工作台、导轨、 主轴等主要零部件三维实体建模。并使用s o li d w o r k s 软件完成机床主要部件虚 拟装配。 ( 3 ) 当确认机床装配无误后，使用a n s y s 软件建立高速数控铣床主要部 件立柱、横梁及床身的有限元静力学模型，并进行结构静力分析计算，以此发 现机床部件设计中存在的薄弱环节。 ( 4 ) 对高速数控铣床主要零部件立柱、横梁、床身进行动力学建模并进行 模态分析。分析研究立柱、横梁、床身的固有频率。同时发现机床部件设计中 存在的薄弱环节，为后续优化工作打下良好的基础。 ( 5 ) 以a n s y s 软件为平台，对机床主要部件进行选型优化。以改善机床 部件动态性能为出发点主要从部件筋板布置类型和筋板厚度两方面着手分析， 最终确定选用的筋板布置类型和筋板厚度。 2 高速数控铣床总体结构设计 2 高速数控铣床总体结构设计 机床的结构设计主要有以下要求o 】n ： ( 1 ) 刚度要求机床在切削过程中要承受各种外力作用。主要作用在机床 上的载荷有重力、夹紧力、切削力、传动力、摩擦力、冲击力和振动干扰力等。 一般说来，刚度主要指静刚度。静刚度对机床抗振性、生产率都有影响。因此 在机床设计中，考虑采取何种措施提高各部件的刚度，同时兼顾考虑结合部刚 度及各部件的刚度匹配。 ( 2 ) 抗振性要求机床部件抗振性指其抵抗受迫振动和自激振动的能力。 振动不仅影响零件的加工质量，还会使机床产生噪声。因此，机床设计时应考 虑机床结构的抗振性，使其具有符合要求的动态特性。 ( 3 ) 热变形要求机床工作时由于受到电机、液压系统、切削热、传动系 统、摩擦或外部周围环境影响等都会发热。直接结果就是导致机床部件热变形。 从而影响机床加工零件的精度。 ( 4 ) 内应力要求机床各个零部件在铸造、焊接制造过程中，零部件材料 内部会产生内应力，导致零部件的变形。因此，在机床结构设计中应保证其内 应力小。 根据机床结构设计要求及本课题思想，课题中机床结构设计采用立式定梁 龙门结构。此结构适于铣削、雕铣加工。主要加工制造各种型腔模具。可加工 钢、铜、铝等金属和非金属材料。机床工作台在x 轴上做直线运动，横梁在y 轴上做直线运动，主轴在z 轴上直线运动，机床采用三轴联动。 2 1 结构设计特点 ( 1 ) 机床结构设计选用立式定梁龙门结构主要考虑该结构刚性好，结构简 单，对称性好，受力平均，可以充分利用加工区域的空间。 ( 2 ) 机床横梁采用倾斜3 0 。结构设计，这样可以使主轴的鞍座重心向后移 动，同时增大了横梁中导轨的距离，以此可以提高主轴的稳定性与刚性。 ( 3 ) 机床床身、立柱和横梁构成“o 型封闭稳定结构，床身、立柱、横 梁质量均远大于主轴质量，为机床高速切削加工提供了坚实保障“司n 盯。 2 高速数控铣床总体结构设计 2 2 机床结构主要参数 根据机床设计思想，本机床主要用于模具的高速雕铣加工，属于小型高速铣 床。主要加工对象是各种型腔模具，因此设计机床工作台主要装夹各类模具毛 坯。 2 2 1 设计工作台尺寸 根据机床加工对象及工艺要求设计机床工作台尺寸为3 0 0 m i n x6 0 0 m m 。 行程为( x y z ) ：3 0 0 m m x 6 0 0 m m 3 6 0 m m 。 2 2 2 设计运动参数 根据机床加工对象及工艺要求，采用公式n = l o o o v 丌d ，n 是机床主轴转速， v 是切削速度，d 是刀具的直径，最后得出转速n 取1 0 0 一1 5 0 0 0 r m i n 。 根据机床加工对象及工艺要求，高速数控铣床使用多刃刀具，进给量以每 分钟位移量表示，选取切削进给速度为l o m m i n ，快速移动速度为2 0 m m i n 。 由于本机床设计思路为高速机床，故机床主轴选取高速内装式交流伺服电 主轴。高速电主轴的结构是把电机转子与主轴做成一体，将无壳电机的空心转 子用压配合的形式直接装在主轴上，带有冷却套的定子安装在机床主轴的壳体 上，组成了内装式电主轴。这种电机与机床主轴“合二为一 的传动方式把机 床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。电主轴具有体积小，易 于平衡，效率高等优点1 蚓。 2 2 3 设计伺服进给系统n 7 儿1 8 3 伺服进给系统是接受数控装置产生的插补脉冲信号继而控制伺服电机驱动 机床各个迸给轴实现机床的动作。由于伺服系统的传动质量直接影响到机床的 工作性能，机床设计中对伺服系统的要求概括为以下几点： ( 1 ) 高精度要求伺服进给系统的传动精度和定位精度是机床的重要性能 指标。传动精度主要影响加工零件的轮廓精度，定位精度影响零件的尺寸精度。 ( 2 ) 宽调速范围调速范围指机床电机所提供的最高转速。和最低转速 f l 山之比。由于在各种数控机床中机床所用刀具、加工毛坯材质及加工工艺要求 不同，为了能达到最佳切削条件，就要求进给系统拥有足够宽的调速范围。 ( 3 ) 快响应速度响应速度快是指进给系统对跟踪指令信号响应快，并能 2 高速数控铣床总体结构设计 快速地趋于稳定。为此，应减小传动中的间歇和摩擦，避免伺服进给系统出现 反向死区。 为此，机床三个轴传动均采用伺服电机加精密膜片弹性联轴器连接高精度 滚珠丝杠，导轨和丝杠全部采用高等级小摩擦的进口产品。 3高速数控铣床主要零部件设计 3 高速数控铣床主要零部件设计 3 1 机床床身设计 3 1 1 床身结构选择n 刚伽儿2 妇 机床的床身在机床的各个组成部分中地位非常重要。它是机床的基础支撑 部件。主要作用是支撑零件和连接工作台。床身一般放置主轴箱和导轨等重要 零部件。为了满足高速数控铣床的高速度、高精度、高效率、高可靠性、高自 动化程度等要求，在机床设计当中需要对床身的刚度、抗震性以及热稳定性等 相关机械性能做深入的了解与探讨，以满足最终机床设计的思想与要求，避免 多走弯路。 根据机床类型不同，床身的结构形式也各异。常用数控铣床、加工中心的 床身结构为固定立柱式和移动立柱式。固定立柱式主要用于中小型立式、卧式 铣床和加工中心。此结构床身不大，多采用整体结构。移动立柱式分为整体t 形床身和前后床身分开组装t 形床身。t 形床身是由水平横置的前床身和与它垂 直的后床身组合而成。整体t 形床身刚度、精度都比较好，但制造非常复杂， 而前后床身分开的t 形床身制造起来相对容易，工艺性得到极大改善。这种前 后床身分开的结构形式主要适用于中、大型铣床和加工中心。 3 1 2 床身材料选择 普通数控铣床一般选用铸铁作为床身材料。铸铁由于其易加工、耐磨性能 好、刚度高、塑性变形小等优点被广泛应用于机床床身的制造。但其缺点是制 造周期较长、铸造工艺复杂。考虑到高速数控机床的对床身高强度、高刚度、 好的动态性能和热态性能的要求，铸铁已不能满足。因此考虑采用人造花岗岩 乜刳。人造花岗岩是一种新型的床身材料。它具有铸铁所不具备的阻尼性能好、 热容量大、热变形小等优点。同时还具备抗腐蚀性强、尺寸稳定性好等优点。 由于高速机床在高速切削中产生大量切削热为防止热变形希望迅速散热，同时 要求机床受到激振力时迅速衰减以保证机床稳定性。上述要求正好符合人造花 岗岩的性能特点，所以选用人造花岗岩作为本机床床身的材料。但由于人造花 岗岩抗弯强度低，弹性模量是铸铁的i 3 - i 4 ，因此床身设计壁厚为铸铁的3 - 5 倍。但也应在满足机床床身强度和刚度要求前提下，尽可能减少材料用量。 3 高速数控铣床主要零部件设计 3 2 机床立柱设计 3 2 1 立柱结构选择 数控铣床的立柱主要是联接床身和主轴箱，并起支撑主轴箱的作用。常用 立柱形式主要有卧式铣床立柱和立式铣床立柱。卧式铣床立柱最常用的形式是 双立柱框架结构乜3 儿州。其优点是刚性好，热对称性好，稳定性高。缺点为制造 工艺性差，安装调试不方便。立式铣床的立柱由于主轴箱安装在立柱一侧，立 柱采用封闭箱型结构。内部的肋板常用有米字形和井字形。 由于本课题机床设计为高速机床，而且主要加工范围是各种型腔模具。所 以选定机床的立柱和横梁组成立式龙门结构。该结构受力均匀，结构稳定，在 高速加工中可以保证高精度，高刚度的要求。 3 2 2 立柱材料选择 机床立柱材料考虑选用h t 2 5 0 。该材料抗拉力强，减振性、耐磨性、铸造 性较好，其内部结构稳定，不易变形。 3 3 机床横梁设计 3 3 1 横梁结构选择 立式龙门结构的横梁主要结构形式有工字钢型、梯形、矩框型啪嬲1 。数控 龙门铣床横梁的设计原则是在满足机床刚度和强度的前提下，尽量使横梁结构 轻质化。综合多方面考虑，本课题机床横梁采用梯形。 3 3 2 横梁材料选择 机床横梁选取和立柱一样的h t 2 5 0 。该材料抗拉力强，减振性、耐磨性、 铸造性较好，其内部结构稳定，不易变形。 4 高速数控铣床实体建模 4 高速数控铣床实体建模 在最近十几年间，虚拟技术逐渐发展成熟。伴随着计算机技术，网络技术 的发展，虚拟技术正朝着更加广阔的方向发展。机械产品的设计以虚拟技术为 依托，结合人机工程学，通过分析机械产品在设计中存在的各种缺陷，从而得 出改进方法。 在机械产品制造前，首先要进行零部件的设计，然后自下而上进行装配形 成一个完整的机械产品。这样很容易出现零部件干涉及设计缺陷。虚拟设计技 术就是为了避免这种情况而出现的。虚拟设计主要包含产品实体建模，建立虚 拟环境和运动仿真。虚拟技术的出现，节省了大量的设计成本，缩短了产品设 计周期。 现如今虚拟设计中实体建模主要是使用三维设计软件来建立产品零部件或 整机的三维数字模型。目前三维设计软件可以在机械产品设计中进行外形设计， 装配体干涉分析，运动仿真，应力分析，数控代码生成等。市场上主流的三维 设计软件有s o l i d w o r k s 、p r o e n g i n e e r 、c a t i a 、u g 等。本课题采用s o l i d w o r k s 软件对机床主要零部件进行三维实体建模。 4 1 s o l i d w o r k s 软件简介 s o l i d w o r k s 是法国达索系统下的子公司。s o l i d w o r k s 软件是世界上第一个以 w i n d o w s 开发基于特征、参数化、实体建模的三维设计软件。该软件采用 w i n d o w s 刑图形界面，可创建全相关3 d 实体模型。由于其采用了w i n d o w so l e 技术，直观设计技术，剑桥提供的p a r a s o l i d 内核及与第三方软件完美集成， s o l i d w o r k s 软件已成为全球装机数最多，口碑最好的三维设计软件之一。 s o l i d w o r k s 软件特点主要有船刀： ( 1 ) 第一个在w i n d o w s 操作系统下开发的c a d 软件，采用w i n d o w s 系列， 与w i n d o w s 系统全兼容。 ( 2 ) 菜单少，使用直观、简单，界面友好 s o l i d w o r k s 一共只有6 0 几个命令，其余所有命令与w i n d o w s 命令是相同的； 下拉菜单一般只有二层，( 三层的不超过5 个) ；图形菜单设计简单明快，非常 形象化，一看即知。系统的所有参数设置全部集中在一个选项( o p t i o n ) 中，容 4 高速数控铣床实体建模 易查找和设置。动态引导具有智能化，一般情况下无须用户去修改。特征树独 具特色，实体及光源均可在特征树中找到，操作特征非常方便。装配约束所有 的概念非常简单且容易理解。实体的建模和装配完全符合自然的三维世界。对 实体的放大、缩小和旋转等操作全部是透明命令，可以在任何命令过程中使用， 实体的选取非常容易、方便。 ( 3 ) 数据转换接口丰富，转换成功率高 s o l i d w 6 r k s 支持的标准有：i g e s 、d x f 、d w g 、s a t ( a c s i ) 、s t e p 、s t l 、 a s c 或二进制的v d a f s ( v d a ，汽车工业专用) 、v r m l 、p a r a s o l i d 等，且与 c a t i a 、p r o e n g i n e e r 、u g 、m d t 、i n v e n t o r 等设有专用接口。s o l i d w o r k s 与 i - d e a s 、a n s y s 、p r o e n g i n e e r 、a u t o c a d 等之间的数据转换均非常成功、流 畅。 ( 4 ) 独特的配置功能 s o l i d w o r k s 允许建立一个零件而有几个不同的配置( c o n f i g u r a t i o n ) ，这对 于通用件或形状相似零件的设计，可大大节约时间。 ( 5 ) 特征管理器 特征管理器( p r o p e r t y m a n a g e r ) 是s o l i d w o r k s 的独特技术，在不占用绘图区 空间的情况下，实现对零件的操纵、拖曳等操作。 ( 6 ) 自上而下的装配体设计技术( t o p t o d o w n ) 目前只有s o l i d w o r k s 提供自上而下的装配体设计技术，它可使设计者在设 计零件、毛坯件时于零件间捕捉设计关系，在装配体内设计新零件、编辑已有 零件。 ( 7 ) 比例缩放技术 可以给模具零件在x 、y 、z 方向给定不同的收缩而得到模具型腔或型芯。 ( 8 ) 曲面设计工具 用s o l i d w o r k s ，设计者可以创造出非常复杂的曲面，如：由两个或多个模具 曲面混合成复杂的分型面。设计者亦可裁减曲面、延长曲面、倒圆角及缝合曲 面。 ( 9 ) 支持工作组协同作业 3 dm e e t i n g 是基于微软n e t m e e t i n g 技术而开发的专门为s o l i d w o r k s 设计 人员提供的协同工作环境，利用3 dm e e t i n g 可以通过i n t e r n e t 实时地协同工作； 支持w 曲目录，可以将设计数据存放在互联网的文件夹中，和存放在本地硬盘 4高速数控铣床实体建模 一样方便；将工程图输 成e d r a w i n g s 文件格式，可以i l l ：常方便地交流设计思想； 提供了自由、丌放、功能完整的a p i 丌发工具接口，用户可以根据实际情况利 川v c 、v b 、v b a 或其他0 l e 丌发程序对s o l i d w o r k s 进行：_ 二次开发。 ( 10 ) s o l i d w o r k s 合作伙伴计划和集成软件 作为”基于w i n d o w s 平台的c a d c a e c a m p d m 桌面集成系统”的核心软 件，s o l i d w o r k s 完整提供了产：品设计的解决方案。对于产品的加工、分析以及 数据管理方面，s o l i d w o r k s 公i 司“合作伙伴计划”则大大拓展了s o l i d w o r k s 在 整个机械行业中的应用。“合作伙伴计划”提供了许多高性价比的解决方案， s o l i d w o r k s 用户可以从非常广泛的范围内选择在产品开发、加工制造以及数据 管理的各个方面的软件。s o l i d w o r k s 合作计划包括伞球大约4 0 0 多家公司，包括 计算机辅助设i ：t ( c a d ) 、i , t 算机辅助制造( c a m ) 、计算机辅助分析( c a e ) 和产品数据管理( p d m ) 软件。 山于s o l i d w o r k s 软件的二述优点，现已被广泛地应用于机械、电子、汽车、 航空、航天、医疗等领域。图4 1 为s o l i d w o r k s 2 0 0 8 的操作界面。 堕型! ! ! ! ! i 墨竺。! 墼：! ! 苎苎堡：型堕竺! ! 巴! ! 竺! 塑：土兰：! ! ：墅：! ：! ： 芦漕隧o 兰 上7 -k ，： 婶l ，唯 堡一， 邙。 蠹：= 毒是磐- 譬：一蒜 , i i 、 j d 袅! 篓一一! 。 7 q _ if t 一“l 。_ 妊拜一t 霄，j o l 呲i m l i 嘹上矗 0 s “ 1 嚏 u 1 f r ，j v b j电 i 葡蔺靖百 。： 剑 劁 剑 要 1 l ， o m - 口 p q 。p _ - 肼 童一：一 习 j t一 4 2 机床实体建模 幽4 i s o l i d w o r k s 2 0 0 8 的操作界面 4 高速数控铣床实体建模 4 2 1 建模原则 不管简单还是复杂的机械零件的建模都可以被看作是简单的特征功能的组 合。一个机械零件的模型是由许多基本特征的相叠加，分割的过程。模型特征 之