毕业设计（论文）-曲轴车削试验装置床身与尾座的设计.doc

毕业设计曲轴车削试验装置床身与尾座的设计机械工程系李鑫102011428学生姓名： 学号： 机械设计制造及其自动化系 部： 高丽红专 业： 指导教师： 二一四年 六 月诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目：曲轴车削试验装置床身与尾座的设计系部：机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学号：102011428学生：李鑫 指导教师（含职称）：高丽红（讲师）专业负责人：田静1设计的主要任务及目标了解常用机械加工设备结构及应用。能够综合运用所学专业知识设计机械产品及其零部件。能够独立熟练地检索各方面文献资料。2设计的基本要求和内容国内外研究现状。曲轴车削试验装置床身总体设计。曲轴车削试验装置尾座主要部位的设计。曲轴车削试验装置重要部位的三维实体建模及简单分析。3主要参考文献1 李海国.发动机曲轴制造新动向J.中国汽车制造,2006,(01):27-29.2 成大先.机械设计手册(第五版)M.北京:化学工业出版社,2008.3 许晓旸.专用机床设备M.重庆:重庆大学出版社,2003.4 褚守云，陈明.16V280曲轴加工工艺研究D.上海：上海交通大学，2007.5 陈明.机械制造工艺学M.北京：北京机械出版社，2005.4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1分析课题要求，拟定开题报告2014.3.03-2014.3.232了解国内外现状并完成床身的初步设计2014.3.24-2014.4.203完成床身的总体设计和尾座的主要部位设计2014.4.21-2014.5.304对设计的重要部位进行三维建模并简单分析2014.5.31-2014.6.095整理打印论文,准备答辩2014.6.10-2014.6.17曲轴车削试验装置床身与尾座的设计摘要：本次毕业设计的课题是曲轴车削试验装置床身与尾座的设计，主要包括国内外研究的现状分析、曲轴车削试验装置床身的总体设计、曲轴车削试验装置尾座主要部位的设计、曲轴车削试验装置尾座主要部位的三维实体建模及简单分析。建模软件用的是Solidworks。产品的设计要考虑到曲轴加工精度和质量，要有现实生产的意义。运行可靠。关键词：组床身，精度，曲轴加工机床，建模分析Design of the crankshaft turning test device body and tail seatAbstract: The graduation design topic is the crankshaft turning test device body and tail seat design, including the domestic and foreign research present situation analysis, crankshaft lathe bed test device design, crankshaft lathe tailstock test device of main pats of the design, the crankshaft turning test device tailstock main parts of the three-dimensional solid modeling and analysis. Modeling software with Solidworks. Product design should take into account the accuracy and quality of crankshaft machining, have realistic significance of production. Reliable operation.Key words: Combined lathe bed, precision,machine tools,crankshaft modeling analysis目 录1 绪 论11.1 研究的背景与意义11.2 曲轴加工车床床身及尾座的关键技术与研究现状21.2.1 曲轴加工车床床身的关键技术与研究现状21.2.2 曲轴加工车床尾座的关键技术与研究现状31.3 曲轴加工车床床身及尾座的国内外发展趋势31.3.1 曲轴加工车床床身的国内外发展趋势41.3.2 曲轴加工车床尾座的国内外发展趋势41.4 研究内容52 床身的设计72.1 床身的总体布局72.1.1 床身制造方法的选择72.1.2 床身的形状及形式82.2 前床身与后床身的结构设计102.2.1 前床身的结构设计102.2.2 后床身的结构设计152.3 前床身与后床身的连接方式及其精度保证202.3.1 前床身与后床身的连接方式202.3.2 精度保证212.4 床身所需精度要求及检验方法222.4.1 前床身精度要求222.4.2 后床身精度要求232.4.3 总体床身精度要求232.4.4 检验方法242.5 前后床身导轨的校核262.5.1 前床身导轨的校核262.5.2 后床身导轨的校核282.6 本章小结29I3 尾座的设计303.1 尾座的整体设计303.2 尾座箱体的设计和制造方式323.3 轴的设计与校核333.3.1 尾座主轴的设计与校核333.3.2 中间轴的设计与校核353.3.3 花键套轴的设计与校核373.4 顶尖383.5 本章小结384 重要部件的三维建模及简单分析404.1 前床身建模及简单分析404.2 后床身建模及简单分析414.3 本章小结42结 论43参考文献44致 谢45II太原工业学院毕业设计1 绪论1.1 研究的背景与意义 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。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。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，可以提高连杆颈的加工精度以及加工效率。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。对床身这一部分，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影响其加工精度的主要因素。我采用的是铸造床身，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。对尾座这一部分，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位置合理，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汽车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。而机床的床身作为机床的底座，一个非常重要的部位，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、热稳定性以及环境抗干扰能力。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考虑。在结构方面，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点。从制造方式方面，如铸造，焊接等。其制造工艺的好坏与否也将直接决定床身的性能的好坏。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，这将出现磨损和定位偏差，这不仅将影响工件的加工精度，机床的使用寿命也将随之降低。当前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。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，作为曲轴加工机床的基座的床身，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。 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。1971年，德国的Schlesinger首先采用钢筋混凝土制造机床床身。上世纪40年代，德国Boehringer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。前苏联与美国也先后于上世纪60年代在机床床身的生产上应用了混凝土结构。上世纪70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80年代，日本陶瓷公司Kyocera与日本小型精密机床制造公司Efuro在1984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50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。1985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90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。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。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。1.4 研究内容本设计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。本设计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，因此机床床身分为前床身和后床身两部分。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。2 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。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行了。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1000mm，长度从几毫米到几米，重量从几克到300t，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。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。本曲轴加工试验机床，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HTl50-250。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1402mm，宽度有476mm，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1m，因此尾座的进给范围也比较宽，有580mm。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。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置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HT120-250,其壁厚为20mm，里面的承重筋板以及加强筋也采用20mm的厚度。20mm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有的刚度。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2227mm。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514mm，尾架箱长440mm，加工工件的最大长度接近1000mm，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2222mm。余下的5mm，是在该床身的最左面做一个凸台，其厚度为5mm。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714mm。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15KW。最终选择型号为YVPl80M-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845mm。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1313mm。这一取值是按照所设计的部件大体上取的，不是事先设计。头架箱主轴中心距离其箱体底面为477mm，尾架箱其主轴中心距离其底面492mm。图2.3 前床身主视图图2.4 前床身俯视图图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枚螺栓将其固定在前床身的上面。此环形凸台中问是的通孔，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。在两条导轨中间的凸台，是齿条的安装基座，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，正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。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20mm，宽度为15mm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5mm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15KW，型号为YVPl80M-6的三相异步电动机，该电机体积比较大，长810mm，宽465mm，高245mm。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824mm，而头架箱的长度只有514mm。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20mm，高160mm。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23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，在在其中间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，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，就没有开窗口，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。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加工试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3KN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HTl20-250，其壁厚为20mm，床身内筋板厚为15mm，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1285mm。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。后床身总宽1245mm。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外侧就有1012mm。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1245mm。后床身总高802mm。后床身总高与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、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2.7 后床身主视图图2.8 后床身俯视图图2.9 后床身左视图图2-7、2-8、2-9分别为后床身的主视图、俯视图以及左视图。如图2-7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2-8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M10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问题了。每个支撑座都配作了一对定位销，对支撑座进行定位。在图2-7中，两侧的两排孔是与前床身连接的部位，它们是通孔，为了保证能与前床身紧密连接，其背面要锪平，这样螺栓才能拧的更紧。当然，它也配作了一对定位销。由于后床身与前床身是通过螺栓连接在一起的，为了有扳手空间以及操作方便，因此连接的部位设计成在床身的外部。在图2-8中，两侧所显示的6个孔，是安装地脚螺栓的位置。将其设计成与前后床身连接部位相连的形式，从侧面看是一个L形。机床装配完成后投入生产加工前，要将机床调平，而调平就是通过地脚螺栓来实现的。为了保证地脚螺栓能拧的更紧，这些孔上平面也要锪平。如图2-9所示，在靠近上方的两个孔是，是后床身的起吊孔。这对孔贯穿个整个后床身，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，因此在孔的周围设计了一圈凸台。起吊孔的作用是方便在加工后床身需要加工的面的时候，如后床身导轨面、底面以及和前床身的接触面等，能容易的起吊及搬运。上面介绍的是后床身的主要配合面以及要求要实现的功能。这一部分相对前床身来说要简单一些，该后床身最主要的一个相配合的是十字工作滑台，当然与前床身的配合也非常重要，但是，那是精度保证方面的问题，将在下一节介绍。而前床身需要配合的部件比较多，如头架箱、尾架箱以及电机等等。但是其承受的重量方面却要比前床身大的多，因此其刚度要求比较高。如何设计后床身，使其有较大的刚度，是一个难点。后床身主要承重的位置是导轨和滚珠丝杠支撑座的基座这两部分，在设计的时候，这些部位都进行了加固。从上面后床身的三视图我们可以看出，导轨放在后床身的壁上，导轨所承受的压力分布在后床身四周的壁上面，而后床身四周的壁是厚为20mm的铸铁，因此，后床身在此部位能够保证其所要求的刚度。刚度不够，使导轨发生形变，不仅会影响导轨的传动，加速导轨的磨损，甚至会使导轨不能运动，还会影响工件的加工精度。在滚珠丝杆支撑座基座这一部分，如图2-8所示，后床身中间筋板的交叉部位设计成放置在该支撑座基座的正下方的位置。这样的设计能够使得该基座所承受的压力由其下方的十字交叉筋板来承受，从而使得后床身上平面的形变比较小，不会向中间凹陷而影响滚珠丝杠的传动精度。滚珠丝杆的传动精度如果不能够保证，那么在刀具纵向进给的时候就会出现误差，从而影响工件的加工精度。在后床身的整体设计方面，其四周都设计成一整块板，上下两面也设计成一整块板，这样能加强其刚度。另外，在其中间，加了两横一竖的筋板，其刚度得到了加强。这样，机床的整体刚度都比较高。考虑到铸造难度、节约材料、降低重量等方面，在一些地方开了窗口。在后床身的前后方向，如图2-7所示，中间有两个对称的方形窗口，该窗口不仅开在了后床身的前后壁，也开在了其中间的两块横筋上面，相当于这两个窗口贯穿了整个后床身。同样的，在后床身的两侧壁上面也开了窗口。如图2-9所示的3个窗口，其两侧开的窗口是对称的。床身内部竖筋的开窗口的形式与两侧的相同。床身的上平面没有丌任何窗口，而床身的下平面一共开了四个窗口，如图2-8所示，中间用虚线绘制的四个窗口。最上面的两个腔，由于其宽度只有222mm，相对后床身来说，有点窄，所以没有开窗口。开窗口是有很大的好处的，不仅可以降低整个床身的重量，节约材料，在加工搬运等方面更加容易轻便，还可以提高床身的刚度。在有些时候不一定是实心的刚度大，因为实心的自身重量也大，就相当于对一些部件的压力更大，工件整体刚度却下降了。所以在适当的位置开一些方形或者圆形的窗口，能够减轻其重量，而提高其刚度。另外，此后床身是铸造件，有些窗口一定要开，不然，此后床身是不能铸造出来。在此后床身中，一共有6个内腔，为了能够放置、取出型芯，在它们的周围是一定要开窗口的。在设计后床身的时候，其尺寸方面要重点注意。第一个要注意的尺寸是导轨的尺寸。后床身上的静平导轨要与十字工作滑台下滑台上的动平导轨相配合，同时后床身上的静山型导轨也要与十字工作滑台下滑台上的动山型导轨相配合。在这两个尺寸配合的同时，滚珠丝杠上的支撑座与后床身上其相对应的凸台基座也要配合好，这三个尺寸是相关联的。为了保证精度，滚珠丝杠的支撑座与与其相配合的后床身上的凸台之间不是直接连接，而是加了一块5mm厚的调整挚块。加挚块的作用是为了在尺寸出现误差的时候，不至于去修刮导轨或者支撑座，只要将挚块修整就行了，这样更方便简单，省时省力。第二个要注意的尺寸是与前床身连接部位的尺寸。其上面的10个通孔要与前床身上面相对应的10个螺纹孔配合好，高度、间隔等要一致。第三个要注意的尺寸是高度方面的。本曲轴加工机床要求刀架的旋转中心高与头架箱、尾架箱的中心高在同一高度，在设计的时候，这一高度是由床身来保证。将所有的部件装配起来，检查装配图，看两者是否在同一高度，如果不同高，就修整床身，使其在同一高度。这三个尺寸是要求重点检查的，它们直接影响到机床的加工精度。在床身的设计中，刚度、精度、强度等方面都要着重考虑，其制造工艺以及主要的功能都与床身的设计息息相关。2.3 前床身与后床身的连接方式及其精度保证2.3.1 前床身与后床身的连接方式在上面的章节中，已经分析了整体床身的形状。由于床身与其余部件的配合要求，前床身和后床身连接在一起，形似一个大写的T字，如图2-1床身俯视图所示。前床身和后床身的连接可以焊接也可以用螺栓来连接，最终选择的是螺栓连接。焊接虽然方便快捷，也非常的牢固，但是焊接会有很大的内应力，产生形变，使床身的精度降低而影响机床的加工精度。前后床身的连接是在前床身和后床身在经过粗加工或者是半精加工后再连接在一起的，因此在连接的时候，要保证它们所需要的精度要求。焊接产生的热变形会破坏前床身和后床身的连接精度，致使机床的加工精度不能保证，这样就要从新对机床的导轨以及其它的配合面经行加工。由于前后床身连接成了一个整体，其加工难度将会比单独加工前床身或者是后床身大的多。因此焊接的连接方式会影响机床的加工精度，增大了制造难度。对于螺栓的连接方式，为了保证机床的加工精度，因此对前后床身连接部位的精度要求会很高，在加工的时候，前床身和后床身的连接面要进行精加工，可能还会对其刮研，进行高精加工。但是如果其结合面的精度能够保证，那么机床的加工精度就能保证。通过上面的分析，我们可以得出，焊接的方式比较简单，要求配合面的精度不高，但是由于热变形的关系，导轨以及别的配合面要求重新进行加工。螺栓连接的方式要求前后床身相连接部位的配合面的精度很高，但是只要该部位的精度能够保证，就不需要对其余的配合面，如导轨进行加工。两种方式各有优缺点，但比较可得知：焊接连接的方式虽然不需要高精加工前后床身配合部位的配合面，但是由于热变形，使得床身其余的配合面不得不重新加工；螺栓连接的方式需要高精加工前后床身配合部位的配合面，但是它不会引起形变，已加工部位不需要重新加工。相对于前后床身配合部位的配合面的加工难度来说，其它配合面，特别是前后床身的导轨，它们不仅加工难度更大，而且需要加工的面积也更大。通过上面的对比，可以知道用螺栓来连接前后床身，其加工难度要比用焊接的方式来连接前后床身的加工难度低，所以选择用螺栓的连接方式来连接前后床身。由于前床身比后床身宽，整体床身形似大写的T字。另外，如图2-6所示，前床身装配孔的位置不是很理想，最上面和最下面的几个孔不在边缘，在比较靠近中问的位置，如果螺栓是通过螺母来进行拧紧的，那么在安装和拆卸螺栓的时候将会很不方面。所以，在设计的时候，将前床身上面的装配孔设计成螺纹孔，而后床身上对应的装配孔为通孔，这样就不需要螺母，其拧紧就靠螺栓和螺纹孔来实现。这样的拧紧方式与螺母拧紧一样安全可靠，但是在本曲轴加工机床中，这样的方式却更加的简便，操作性高。采用的螺栓束连接前后床身。为了防止在工作的过程中，由于震动而导致螺栓松