毕业设计--某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析

某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 毕业设计 （论文） 题 目： 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 起止时间： 2014 年 2 月 24 日 至 20014 年 6 月 8 日 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 I 摘 要 机床在机械制造工业中扮演着越来越重要的角色 ,尤其是随着现代机械制造工业的发展，走向高精度、高速度、高效率的道路。近些年来，我国企业的数控机床占有率正在逐步上升，其中大型高效的数控机床也成为了用户的首选。但是由于其结构庞大、设备吨位重、制造费用高，有必要进行预先的计算、仿真，让设计者对机床的特性有一个全面的了解，进而使整个设计更加的完善。 本文以 TK6920 大型数控落地镗铣床为研究对象，对机床床身和立柱进行设计，利用有限元分析软件ANSYS 作为分析工具，对其进行分析静力分析和动态特性分析。 对床身和立柱进行结构设计计算，运用 CAD进行二维图绘制 运用 solidworks进行三维建模，包括床身，立柱部分 将建立的三维 模型用有限元方法进行对床身，立柱，滑枕，及整机静态刚度分析。 通过模态分析计算床身 6阶固有频率振型，滑枕前 6阶固有频率振型，立柱 6阶固有频率振型，及整机 6阶固有频率振型，共四部分分析。 根据静力分析和模态分析的结果得出相应的结论，设计是否符合要求，以及需要进行优化的部分。 关键词： tk6920落地镗铣床； 床身和立柱设计； 静力分析； 模态 分析 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 II Abstract The machine is playing a more and more important role in mechanical manufacturing industry, especially with the development of modern machinery manufacturing industry, to the high accuracy, high speed, high efficiency road. In recent years, numerical control machine tool enterprises in our country share is rising gradually, the CNC machine tool large efficient has become the users preferred. But because of its large structure, equipment weight, high manufacturing cost, it is necessary to pre compute, simulation, allowing the designers to have a comprehensive understanding of the characteristics of machine tool, which makes the design more perfect. The TK6920 NC boring milling machine as the research object, carries on the design to the machine bed and column, using finite element analysis software ANSYS as the analysis tool, carries on the analysis of static analysis and dynamic analysis of the. Column on the bed and structural design calculations, the use of two-dimensional CAD drawing Use solidworks three-dimensional modeling, including bed, column section Will create three-dimensional model using the finite element method to bed, column, ram, and the whole static stiffness analysis. Calculated by modal analysis 6 bed natural frequency modes, the first natural frequency of the ram 6 modes, column 6 natural frequency vibration modes, and the whole six natural frequency vibration modes of four-part analysis. According to the results of static analysis and modal analysis of the corresponding conclusions, whether the design meets the requirements, and the need to be part of the optimization. Keywords: tk6920 floor type boring and milling machine; bed and column design; static analysis; modal analysis 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 III 致 谢 本次毕业设计是在孙江宏老师耐心细致的指导下完成的，在此特别想感谢孙江宏老师对我的帮助。从课题的选择，研究，设计，完成，整个过程中，老师都投入了很多的时间与经历，在我错误不断的情况下，一直给予我耐心的讲解和指导。在整个研究过程中，老师不仅仅对我是课题上专业知识的指导，更重要的是他教会对我将来走向社会上乃至工作中，无论行业与机械专业相关与否，在面对类似的项目或问题时，要以专业的知识背景做铺垫，积极的态度去面对整个过程。老师严谨认真的研究态度，热情谦和的待人方式，实事求是的处事原则都给我留下了深刻的印象，同时也在深深的影响着我。在整个课题研究的过程中，带给我的不仅仅是一次毕业设计的成果，更多的是在这个过程中学会了要有解决困难的决心和毅力，寻找解决困难的方法，这些都将会深深的印在我的脑海里，也会不断地鼓励我在以后的工作和生活中继续进取向前。在此，我谨记导师这四个月来对我的辛勤培养和耐心指导致以衷心的感谢和崇高的敬意。 衷心的感谢我同组的同学， 周鹏 ， 王琦 ，还有钱城同学。在他们的帮助下，一起学习，一起研究，让整个研究过程进行的顺利，在规定的时间内完成任务。 特别感谢我的家人，对我的学业进行无条件的支持，在精 神上给我最大的鼓励，使我能够顺利的完成研究，顺利毕业。 最后，感谢各位答辩老师，在百忙之中抽出时间对我的论文进行评阅和审议，我表示衷心的感谢。 再次感谢，在整个过程中帮助过我的所有人。 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 4 目 录 摘要 . I Abstract . II 致谢 . III 第一章 概述 . 1 1.1 论文综述 . 1 1.2 课题分析 . 2 1.2.1任务 . 2 1.2.2安排和方法 . 2 1.2.3难点 . 3 第二章 镗铣机床机身设计和立柱设计 . 4 2.1 床身设计 . 4 2.1.1 床身材料选择 . 4 2.1.2 壁厚的设计 . 4 2.1.3机床床身的制造方法的选择 . 5 2.1.4铸造床身强度校核 . 5 2.2 立柱设计 . 9 2.2.1. 立柱材料的确定 . 9 2.2.2 立柱过渡壁结构（立柱截面）的确定 . 10 2.2.3 立柱形体尺寸的确定 . 10 2.2.4 立柱强度校核 . 11 第三章 模态分析 . 15 3.1 立柱分析 . 15 3.1.1 立柱结构的三维模型及有限元建模 . 15 3.1.2 两种工况 . 16 3.1.3 受力分析 . 17 3.1.4 立柱 的约束 . 18 3.1.5 求解计算与分析结果 . 18 3.1.6 立柱模态分析 . 21 3.1.7 小结 . 22 3.1 滑枕模态分析 . 23 3.1.1滑枕三维模型 . 23 3.1.2滑枕的有限元模型 . 23 3.1.3 滑枕的模态分析 . 24 3.1.4 总结 . 25 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 5 3.3 床身分析 . 26 3.3.1 床身的受力分析 . 26 3.3.2 床身的有限元模型 . 26 3.3.3 床身静力学分析 . 27 3.3.4 床身模态分析 . 30 3.3.5 小结 . 31 3.4. 整机分析 . 32 3.4.1 有限元模型 . 32 3.4.2 节点耦合 . 33 3.4.3 施加边界条件和加载 . 34 3.4.4 整机静态分析 . 35 3.4.5 整机模态分析 . 35 3.4.6 小结 . 37 第 四 章 总结 . 38 参考文献 . 39 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 6 插图清单 图 1-1 tk6920的结构示意图 . 2 图 2-1-1 床身受力分析 示意图 . 5 图 2-1-2 矩形截面梁 受力分析 . 6 图 2-1-3 矩形截面 示意图 . 7 图 2-1-4 立柱位于床身中间受力示意图 . 8 图 3-2-1 立柱截面 . 10 图 3-1-1 立柱装配主轴箱图 . 10 图 3-1-2 立柱离散化模型图 . 16 图 3-1-3 立柱受力情况 . 17 图 3-1-4 立柱的约束加载图 . 18 图 3-1-5 铣削情况下立柱结构位移云图 . 19 图 3-1-6 镗削情况下立柱结构位移云图 . 20 图 3-1-7 立柱前六阶模态图 . 22 图 3-2-1 滑枕三维模型 . 23 图 3-2-2 滑枕划分网格后的有限元模型 . 23 图 3-2-3 滑枕 前 六 阶模态图 . 25 图 3-3-1 床身有限元模型及网格划分图 . 26 图 3-3-2 位置 1 床身受力分析 . 27 图 3-3-3 位置 1 床身有限元加载模型 . 27 图 3-3-4 位置 1 节点等效应力等值线图 . 27 图 3-3-5 位置 1 结构总变形等值线图 . 27 图 3-3-6 位置 3 床身受力分析 . 28 图 3-3-7 位置 2 节点等效应力等值线图 . 28 图 3-3-8 位置 2 结构总变形等值线图 . 28 图 3-3-9 位置 3 床身受力分析 . 29 图 3-3-10 位置 3 床身有限元加载模型 . 29 图 3-3-11 位置 3 节点等效应力等值线图 . 30 图 3-3-12 位置 3 结构总变形等值线图 . 30 图 3-3-13 六阶振型图 . 31 图 3-4-1整机三维模型 . 32 图 3-4-2整机三维模型 . 33 图 3-4-3整机满负荷加工状态 . 34 图 3-4-4整机 静力学分析 . 35 图 3-4-5整机前六阶模态图 . 36 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 7 表格 清单 表 2-1常用铸造金属材料的铸造性和结构性特点 . 4 表 2-2床身壁厚计算当量尺寸对照表 . 5 表 2-3铸铁机架常有材料 . 9 表 2-4灰铸铁 牌号、性能和用途 . 9 表 2-5立柱壁厚设计当量尺寸表 . 10 表 2-6肋板及肋条的基本结构形式 . 11 表 3-1-1铣削工况下的切削力计算条件 . 16 表 3-1-2镗削工况下的切削力计算条件 . 17 表 3-1-3立柱结构固有频率、振幅及振型描述 . 22 表 3-2-1滑枕 结构固有频率、振幅及振型描述 . 25 表 3-3-1静力学分析结果对比表 . 30 表 3-3-2床身前六阶模态 . 31 表 3-4-1整机前 6 阶模态 . 36 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 1 第一章 概述 1.1 论文综述 什么是机床？机床是能够制造机器的机器，也是可以制造机床的机器。机床可以对金属或者其他材料的胚料或工件进行加工，得到想要的几何形状、尺寸精度和表面质量。机械零件通常是通过机床加工制造出来的。机床是机械工业的基本生产设备，他的种类，质量和加工效率直接影响到其他机械产品的生产技术水平和经济效益。因此，机床的现代化水平和规模，以及拥有机床的数量和质量是一个国家工业发达程度的重要标志之一。 机床是一种现代化工具，它可以进行高效率、高精度、低成本加工。随着科技的发展现代化制造水平的提高，工业制造的需要，对机床的 加工要求也越来越高。经过一系列的分析和研究，要想提高机床的抗震性，加工精度和效率，用提高机床的动态性的方法来实现，从而提高机床的寿命和可靠性。为了找到方法提高机床的动态特性，需要对机床进行模拟和分析，找到床身结构的不足点，进行优化设计，从而达到提高动态特性的目的。分析方法的选择有很多种，需要对每种方法进行了解，选择最合适此研究的方法。 现在最常用的是计算机辅助工程技术， Computer Aided Engineering， 简称 CAE。 计算机辅助工程技术的提出就是要把工程（生产）的各个环节有机地组织起 来，其关键就是将有关的 信息集成 ，使其产生并存在于工程（产品）的整个生命周期。计算机辅助设计（ CAD）在如今的工业制造领域，设计人员可以在计算机的帮助下绘制各种类型的工程图纸，并在显示器上看到动态的三维立体图后，直接修改设计图稿，极大地提高了绘图的质量和效率。此外，设计人员还可以通过工程分析和模拟测试等方法，利用计算机进行逻辑模拟，从而代替产品的测试模型（样机），降低产品试制 成本，缩短产品设计周期。计算机辅助工程的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行 计算机仿真 分析。一方面， CAE技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答；另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的 过程 层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快 、更准确。在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用 。 目前，国内外对机床多采用计算机辅助工程技术来进行静态、模态分析，其特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行仿真分析。 CAE技术应用在机床上，一方面，使过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟来解答；另一方面， CAE 分析使大量复杂的分析问题简单化、层次化、节省了大量的时间，避免了低水平的重复工作，使得机床工程分析更快、更准确。 数控机床行业是装备制造业的基础行业，它不仅是先进制造技术的载体，而且是发展新兴高新技术产业和尖端工业的最基本装备，同时也关系到国民经济发展和国防事业战略性得产业。世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家战略物资，采取重大措施来丰满自己的数控技术及其产业。 TK6920 数控镗铣床具有完整的数控功能，其加工工艺范围广，生产效率高。工件在一次装夹中可以完成镗孔、扩孔、及铣削加工，可加工较高精度的复杂孔系及大直径孔。 tk6920的结构示意图如图 1-1 所示： 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 2 图 1-1 tk6920的结构示意图 滑枕可在主轴箱内移动，镗杆可在滑枕内移动；主轴箱可以沿立柱上、下运动；立柱连接在滑座上并可以通过滑座在床身上滑动。本机床可运用于对大重型工件，如箱体、支架、机体、机座、 吊臂、车架等零件的孔系、平面以及槽等进行加工，并可加工大直径孔，是重型机械、机车车辆、矿山、冶金、钢铁、化工、发电、船舶、军工等机械制造部门的必不可少的大型精密加工设备，加配数控回转工作台还可实行四面加工和多轴联动加工。 1.2 课题分析 1.2.1 任务 本次课题主要以 tk6920重型镗铣数控机床为研究对象，对机床床身进行设计及模态分析，对立柱进行设计及模态分析，对滑枕，以及整机进行模态分析。绘制 一 张标准 整机 装配图，和两张零件图，和三维图。 1.2.2安排和方法 首先，对床身进行设计。 第一对床身的材料进行选择，其次对床身的壁厚进行设计计算，第三队床身的制造方法进行选择，最后根据 tk6920重型镗铣机床的说明书中提供的数据，对机身进行强度校核。 然后进行对立柱的设计计算。其步骤与床身类似。首先 对立柱的材料进行选择，第二，对立柱截面进行选择确定。第三，对立柱的尺寸进行设计。第四，进行立柱壁厚的设计。第五，对立柱加强筋的设计。最后，对立柱进行校核。 接下来是对上面已经设计好的床身和立柱进行 2维图的绘制，用 CAD 软件进行绘图。用solidworks进行三维制图，为接下来的模态分析做准备。 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 3 第三部分，是模态分析。分别对滑枕，床身，立柱和整机进行模态分析。首先，我对 ANSYS软件进行了一个整体的学习，包括模型的导入分析，算法的了解和选择，静态分析的作用，具体过程和结果的分析，以及模态分析的作用，具体过程和 结果的分析。通过具体的学习之后，对 ANSYS软件有了一个详细的了解，接下来进行课题部分的研究，并得出一定的得出结论，根据软件分析的结果对比计算的结果，进行一定的思考与反思。 最后，对整个研究过程进行总结分析。 1.2.3难点 在研究整个课题过程中，存在很多难点。在刚开始进行调研时，重点在于需要对整个机床进行调查和了解，包括镗铣机床的功能和发展 过程 ， 国内外的专家对机床的整体研究设计和分析，以及优化。 刚开始时，难点在于对床身和立柱的计算方面不知从何处下手进行计算，后来通过详细的受力分析，和一些参考书的 指导，知道如何进行校核，开始计算。 在进行静力分析和模态分析的时候，仍然存在很大的难点。首先先要对整个软件进行整体的学习和熟练掌握。包括其中的计算方法的选择，和算法的运用，对于我来说都是一个全新的知识，需要进行整体的学习。在对软件有了了解之后，进行静力分析和模态分析。在起初的分析阶段，网格划分的不好，载荷计算的不正确，导致了整个结果与实际偏差较大。在经过反复实验后，针对不同的模型，都找到一个较为合理的划分方法。由于对方法掌握的熟练度不够，倒置花费了很多时间，并且效率低下，浪费了很多不必要的时间。 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 4 第 二 章 床身和立柱设计 2.1.床身设计 2.1.1 床身材料选择 作为铣镗床的重要部件，铣镗床工作时的大部分力都作用在床身上，因此床身的材料选择非常重要，选择合理，不但能满足设计要求，而且能节约材料，降低成本，减轻自身重量。 表 2-1 常用铸造金属材料的铸造性和结构性特点 类 别 性能特点 结构特点 灰铸铁件 流动性好，体收缩和线收缩性小。综合力学性能低，抗压强度比抗拉强度高 3 4 倍。吸振性好。弹性模量低。 形状可以复杂，结构允许不对称，有箱体形、筒形等。用于发动机的汽缸体、筒套、各种机床床身、底版、平板、平台等。 球墨铸铁件 流动性与灰铸铁相近；体收缩比灰铸铁大，而线收缩小，易形成缩孔、疏松。综合力学性能高；抗磨性好；冲击韧性、疲劳强度较好。消振能力比灰铸铁低 一般多设计成均匀壁厚；对于厚大断面件，可采用空心结构，如球墨铸铁曲轴轴颈部分。 可铸铁件 流动性比灰铸铁差，体收缩很大，退火前，很脆，毛坯易损坏。综合力学性能稍次于球墨铸铁，冲击韧性比灰铸铁大 3 4 倍 由于铸态要求白口，一般薄壁均匀件，常用厚度为 5-16 。为了增加其刚性，截面形状多加工成工字形或箱形，避免十字截面；零件突出部分应用肋条加固。 铸钢件 流动性差，体收缩、线收缩和裂纹敏感性都较大。综合力学性能高；抗拉强度与抗压强度几乎相同，吸振性差。 结构应具有最少的热节点，并创造顺序凝固的条件。相邻壁的连接和过度更应圆滑；铸件截面应采用箱行和槽形等近似封闭状的结构；一些水平壁应改成斜壁或波浪形；整体改成带窗口的壁，窗口形状最好为椭圆形或圆形，窗口边缘须作出凸台，以减少产生裂纹的可能 对于铣镗床，床身作为支撑件，形状复杂，并承受铣床的打不部分力，并且在工作时，床身震动较为严重。 结合以上分析，灰铸铁件吸震性好，并能达到强度要求，且铸造容易，经济性好，因此确认灰铸铁铣镗床床身的材料。 2.1.2 壁厚的设计 通过以上分析，由于铣镗床床身要进行砂模铸造，查阅资料可知，其外壁可由当量尺寸 C 来确定。 2 3L B HC (式中， L、 B、 H 床身的长、宽、高。 ) 将 L=0.7 B=0.62 H=1.3 代入 得 C=1.1 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 5 由下表可得床身壁厚为 10mm. 表 2-2 床身壁厚计算当量尺寸对照表 当量尺寸 C 0.75 1.0 1.5 1.8 2.0 2.5 3 3.5 壁厚（ mm） 8 10 12 14 16 18 20 22 2.1.3机床床身的制造方法的选择 由于铣镗床床身的材料选用铸铁，适于进行铸造，而且铸造生产成本低，铸造工艺灵活性大，几乎不受零件大小、形状、重量、结构复杂程度的限制，所以床身用铸造方式制造出来。 铸造方法可分为砂型铸造和特种铸造两种，铣镗床床身的铸造属于基本零件的铸造，可采用砂型铸造，主要原因是砂型铸造较之其它铸造方法成本低、生产工艺简单、生产周期短。 2.1.4铸造床身强度校核 在床身设计中，床身强度是一个重要的限制因素，因此必须进行床身强度的校核。 床身长度 9152mm，沿床身纵向设计一些垂直筋板。 已知钢的弹性模量 52 . 1 1 0cE M P a ，最大载荷 61 .2 1 0FN 。 计算床身的惯性矩 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 计算组合界面的形心距 cz , / 5 0 8 3 6 / 9 9 4 . 5 5 1 . 1 2cz S A c m 图 2-1-1 床身受力分析 示意图 22m a x 11 5 0 0 9 . 1 5 2 5 2 3 . 988M a l K N m 由弯矩图可见，左端梁段内各横截面的弯矩相等且为最大值， Mmax=523.9kN m。所以这段梁上各横截面均为危险截面。由梁的正应力强度条件式，工字钢梁所需的弯曲截面系数为 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 6 3m a x 6523900 0 . 0 5 2 1 0 1 0z MWm 切应力的分布规律与梁的横截面形状有关，所以对 矩形截面梁 受力分析。 根据机械结构设计书中指导，得到以下分析计算过程 图 2-1-2 矩形截面梁 受力分析 *12*1*AAZAZZM M yF A AIMMyAIMMSIdddddd式中： * 1* Az AyS d 为离中性轴为 y 的横线以下面积对中性轴之静矩。 *111* * * zA A AZ Z ZM y M SMF A A y AI I I d d d 考虑到微块顶面上相切的内力系的合力 SF b xdd 00 12 Sx FFFF d 0* xbSIMSI MMZzZ dd 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 7 bISxMZZ*ddSFxM dd bISFZ*ZS由切应力互等定理，横截面上 pq 线处切应力为 bISFZZS*矩形截面如图 2-1-3 1ybA dd 2/ 2211* 1* 42hyAZ yhbybyAyS dd or 说明切应力沿截面高度按抛物线规律变化。 当 2hy 时， =0 )4(2)2(21)2()2(21* 22* yhbyhyhbyhyAS z 222 42yhIF S某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 8 当 y=0时， ZSIhF82m a x 考虑到 123bhIZ bhFbhF SS 5.123m a x mm3.1732 6032 hbh 12/bhAIi 3Zh 3.543.17 9 4 011 zz il 两端简化为固定，绕 y轴弯曲 =0.5 22.732 253212/3 bbhhbAIi yy mm 6122.7 8805.02 yy il 图 2-1-4 立柱位于床身中间受力示意图 当负载处于中间位置时，可知 A,B 界面的最大负弯矩相当，数值上小 于 C 界面的最大弯矩，但因中性轴不是截面的对称轴，最大拉应力的点和最大压应力的点至中性轴的距离不等。所以最大拉应力和最大压应力不一定都发生在最大弯矩的界面上，即 A,B,C 三个界面都可能是危险界面。 C 点截面的剪力最大，该截面上的切应力为 A B C 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 9 5m a x35 1 0 ( 0 . 1 0 . 0 5 0 . 0 5 ) 0 . 9 3 7 1 0 . 5 0 . 4 0 . 512QzzFS M P aIb 最大弯矩发生在 C 端界面，其值为： 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 25 1 7 7 2 1 0 5 . 8 7 1 3 4 . 26zM M P aW 可见满足梁的正应力强度要求。 2.2 立柱 设计 2.2.1.立柱材料的确定 立柱采用 灰 铸铁 利用树脂砂型铸造 而成， 均经过完全退火处理，消除残留内应力。 具有抗振性好、接近零件形状和尺寸、成本低廉、工艺灵活性强等特点。 灰铸铁件的特点 ： 耐磨性与消震好 。 由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油 ， 所以耐磨性好 。 同样 ， 由于石墨的存在 ， 灰口铸铁的消震性优于钢 。 工艺性能好 。 由于灰口铸铁含碳量高 ， 接近于共晶成分 ， 故熔点比较低 ， 流动性良好 ， 收缩率小 ， 因此适宜于铸造结构复杂或薄壁铸件 ， 另外 ， 由于石墨使切削加工时易于形成断屑 ， 所以灰口铸铁的可切削加工性优于钢 。 表 2-3 铸铁机架常有材料 牌号 应用 HT100 机床导轨的支持件 HT150 机床底座，齿轮箱箱体 HT200 HT250 机床立柱，齿轮箱箱体，泵体，汽轮机机架 HT300 重型机床床身，高压油泵的泵体 QT450 10 QT800 2 冲击韧度和疲劳强度比灰铸铁好 用于曲柄压力机机身，冶金矿山用减速机机体 对比上表，选用 HT250 做为立柱的材料。查表可知 灰铸铁 牌号、性能和用途： 表 2-4 灰铸铁 牌号、性能和用途 牌号 预计的铸件力学性能 用途 壁厚 /mm 抗拉强度 b /MPa 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 10 HT250 2.5 10 220 一般机床床身，机体，中等压力 (小于 7840KPa） 10 20 195 20 30 170 30 50 160 2.2.2 立柱过渡壁结构（立柱截面）的确定 参考相关资料，考虑立柱 内部空间用于安放平衡锤 ， 设定立柱截面如下图所示： 图 2-2-1 立柱截面 但是提高导轨过渡壁的刚度，只有在提高大件本体刚度的前提下，才是有效的。提高大件本体刚度的主要措施：一是合理的选择截面形状和壁厚，二是合理的布置加强筋。 2.2.3 立柱形体尺寸的确定 设计中，按照设计宗旨：薄壁多筋，既增加立柱刚度，又没有增加过多的重量。 1、立柱高度的确定 根据立柱上主要部件的计算和选取，分析立柱高度。根据设计要求 Z 轴行程为 3000 mm ，主轴鼻端至工作台面最小距离为 100 mm ，预留工作台高度为 300 mm ，行程余量预设计为 50mm，主轴箱安装预留尺寸为 350mm，由此可以初步 确定立柱总高度为 3800mm。 2、 立柱壁厚的确定 机床大件结构的壁厚确定，首先要根据构件截面惯性矩的要求，除了考虑结构的截面形状和板壁孔等影响以外，还要考虑结构工艺要求。 （ 1） 铸造结构壁厚的确定 铸铁的弹性模量是不稳定的，支承大件的壁厚，应根据铸造工艺要求，尽可能选择薄一点。按照当前的铸造工艺水平，砂模铸造的最薄壁厚的推荐值，见表： 2-5 立柱壁厚设计当量尺寸表 当量尺寸 c/m 0.75 10 1.5 1.8 2.0 2.5 3 3.5 4.5 壁厚/mm 8 10 12 14 16 18 20 22 25 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 11 表中的当量尺寸 c为 C=(2L+B+H)/3 式中： C 当量尺寸 L 铸铁的长度（ m）； B 铸铁的宽度（ m）； H 铸铁的高度（ m）； 则 C=(2L+B+H)/3=（ 2 0.5+0.43+1.6） 3=1.01 从计算值和表可知，立柱壁厚最小因大于或等于 12 mm，考虑过渡承载与立柱前壁受力大的情况，以及在凸台和导轨等的连接处，壁厚适当加厚，所以立柱安装导轨处壁厚取 38 mm，其他壁厚取25 mm。如下图所示： 3、 立柱加强肋设计 （ 1） 立柱截面形状的畸变 机床的大型立柱，在通过导轨单边引进载荷的情况下，如果板壁刚度不足，轻则会出现板壁颠振或噪声，重则会使立柱截面产生畸变。 不仅板壁会出现屈曲变形，而且四个棱角也不能保持直角。所以截面现状畸变，会大大消弱结构的抗扭刚度和固有频率。 （ 2）立柱内板壁加强肋的选择和设计 为了 防止板壁颠振和畸变的主要措施是提高板壁刚度（确切的说是提高固有频率），把导轨引进的集中载荷，通过加强筋转移和分散到立柱的整个截面的板壁上。 表 2-6 肋板及肋条的基本结构形式 结构形式 肋板 肋条 横肋板，抗弯差，抗扭好，结构简单，工艺性好，承载小 直肋条，制造容易，刚度差 纵横肋板，刚度好，适于重载 井字形肋条，抗弯扭为米字形的 1/2 斜肋板，刚度好，制造简单用于中载 纵横组合肋板，刚度好，用于重载大机架 某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 12 米字肋条，刚度好，但工艺复杂，制造困难 所以选用 纵横组合肋板， 设计作为立柱内壁的结构。 2.3.4 立柱校核 立柱受力分析，当滑枕处于立柱上端时， A 端受弯矩 M FnMAC 3 3 6 666m a x0m a x482 1 0 1 . 5 7 1 01 6 1 67 0 1 0 1 . 5 7 1 0 1 1 0(1 )21102 1 0 132BCttxxxBClx A B x x A B B CP B C P P A BxPWdTWA B B C A B T m B C T x m xmxlm l m x d x m l lG I l G I G I lmTI 3A C A B B CmNm分 段 与 段 ， 段 ， 段 （ ） =， 则