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摘 要
床身是立式加工中心非常重要的基础支撑件，它起到了支撑立柱、滑座、工作台等重要零部件的作用，主要承受机床的静载荷以及在加工时产生的切削负载。床身的静动态性能直接影响机床的加工精度和稳定性,因此，床身结构的优化对于立式加工中心的发展具有十分重要的意义，本课题即结合沈阳机床厂VMC850B立式加工中心的性能特点与相关参数，对立式加工中心床身结构进行了科学系统的设计，具体内容如下：
（1）借鉴于同类型的床身结构，根据VMC850B的整机结构设计了床身上表面布局，通过查阅《实用机床设计手册》《机械设计手册》等参考书，科学的设计了床身的截面形状，包括壁厚的选定以及加强肋、方孔、圆孔的合理布置。同时对床身进行了受力分析并利用ANSYS软件对床身模型采取了静态力有限元分析。
（2）针对与床身相关的重要零部件，包括Y方向伺服进给系统的驱动电机、滚珠丝杠、直线导轨、轴承、联轴器，进行了分析与计算，并最终确立了型号与参数。
（3）提出了床身的精度要求，包含加工和装配过程中的几何精度。
关键词：立式加工中心；床身；结构设计；选型计算；有限元分析；精度设计
Abstract
The bed is a very important basis for supporting parts in the vertical machining center, it plays a role that supporting the column, the slide, the workbench and some other important parts. The bed mainly withstands the static load of the machine tool and the cutting load in the processing. The static and dynamic performance of the bed directly affects the machining accuracy and stability. Therefore, the optimization of the bed structure has great significance for the development of the vertical machining centers. The subject, which is combined with the performance characteristics and parameters of the vertical machining center 850B of the Shenyang Machine Tool Factory, have designed the bed structure of the vertical machining center scientifically and systematically, the details are as follows:
(1)Learnt from the bed structure of the same type and designed the layout of the bed top surface under VMC850B’s whole structure, through accessing to <Practical Machine Design Manual> and <Mechanical Design Manual> and other reference books, scientifically designed the cross-sectional shape of the bed, including the selection of the wall thickness as well as the reasonable layout of the reinforcing rib, the square and circle holes. The subject also did the stress analysis for the bed and used the software called ANSYS to do the finite element analysis of the static force for the model of the bed.
(2)For the important parts of the bed, including the Y-direction servo feed drive motor, ball screws, linear guides ,bearings and couplings, did the analysis and the calculation, and eventually established the models and the parameters.
(3)Put forward the accuracy requirements of the bed, including the geometric precision of the machining and assembly process.
Keywords: the vertical machining ；center the bed ； structural design ；selection calculation finite element analysis ； precision design
目 录
1 机床设计现状 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 国内外研究现状与发展趋势 2
1.3 本论文内容概要 4
2 床身结构设计 4
2.1 床身材料 4
2.2 床身时效处理 4
2.3 床身结构设计 5
2.3.1床身重要表面设计 5
2.3.2床身截面形状设计 5
2.4 床身热变形 10
2.5 床身结构确定方案 11
3 床身零部件的计算与选型 12
3.1 Y方向滚珠丝杠副的选择 12
3.1.1 初步计算丝杠导程 13
3.1.2 滚珠丝杠副当量载荷与当量转速计算 14
3.1.3计算预期额定动载荷 17
3.1.4 估算滚珠丝杠允许最大轴向变形 18
3.1.5估算滚珠丝杠副的底径 18
3.1.6 计算滚珠丝杠副预紧力 20
3.1.7 滚珠丝杠副剩余结构尺寸确定 20
3.2 伺服电机的选择 21
3.2.1电机的负载转矩计算 21
3.2.2 惯量匹配计算 22
3.2.3空载启动时最大加速力矩计算： 24
3.2.4快速空载启动时所需最大启动力矩计算 24
3.2.5 电动机连续匀速工作时的最大力矩 25
3.2.6 电动机输出端轴的直径计算 25
3.3 滚动轴承的选择 25
3.3.1 滚动轴承使用条件 26
3.3.2 初选止动球轴承型号 26
3.3.3 止推轴承组配方式 26
3.3.4 止推轴承的选用计算 27
3.3.5 圆柱滚子轴承的选型计算 29
结 论 31
致 谢 33
参考文献 34
1 机床设计现状
随着机械制造业的飞速发展与竞争市场需求的不断扩大，数控机床的应用范围持续扩张，同时，为了应对市场日新月异的变化及加工要求难度的不断提高，数控机床产业的水平也在飞速进步，不断向高速化、复合化、高精度化、智能化转变。如今，为了提高自身经济发展水平，应对激烈的国际竞争，各工业强国均认识到制造装备的重要性，将装备制造业作为国家发展的关注重点之一，致力于提高装备品质，抢占市场前沿。
面对当下的产业状况与市场模式，我国也认识到了数控机床产业的绝对地位和有力前景，在长期的发展与探索中，我国更是发现了国内产业中存在的问题，以及与其他发达国家的差距。因此，党中央国务院领导层对此高度重视，并在“十二五”规划中将振兴装备制造业作为推进工业结构优化升级的主要内容，其中，数控机床的研究与探索成为举足轻重的振兴内容。此文即立足于数控机床领域，立足全局，就立式加工中心的现状与发展做了深入的分析与研究；从一点出发，针对立式加工中心床身的结构及其相关的零部件进行了科学的、详细的设计与优化。
1.1 课题研究的背景和意义
为了深入了解我国数控机床产业现状，学习先进的数控机床设计方法和生产技术，本次课题研究特进入国内产业销量多年屈居首位的沈阳机床厂，针对VMC850B这一型号的立式加工中心，在其设计、加工与装配现场开展实地学习与研究。并结合该型号的具体加工需求与机能，参考其床身的结构设计，对立式加工中心的床身进行了结构设计的优化，同时对与其相关的重要零部件，如电机、滚珠丝杠、导轨等，进行了系统的学习，并结合实际情况，完成了选型的计算与分析。
立式加工中心在具有普通数控机床的加工精度高、加工柔性好、生产效率高等优点的同时，相较于传统的数控机床，其还具备许多特色与优势，在原有的基础上，结合市场需求进行了发展与优化，首先其切削速度与进给速度均得到大幅提高，其次，其可在一次装夹中连续完成铣、钻、扩、铰、镗、攻丝及二维三维曲面、斜面的精确加工，且切削厚度基本保持不变，实现了加工的程序化，提高了加工的生产效率，更具经济效益。最后，其加工的柔性也得到了提高，可加工多品种小批量、结构复杂、工序多、精度要求高的零件，由于切削速度的提高，其切削力可相应得到降低，尤其是径向切削力，因此立式加工中心还特别有利于加工薄壁件等刚性差的零件。
沈阳机床厂的VMC850B立式加工中心是在结合国外先进的设计理念的基础上，进行了自主研发创新的一款数控机床，其结构设计更为合理，机床的刚性、精度保持性和可靠性都得到了不同程度的提高，市场需求量日益扩大。然而，实际生产加工的过程中，立式加工中心仍存在着许多的问题与不足有待解决与改善，比如在高速切削速度下，容易引起机床的振动、噪声以及热变形等典型问题。因此，合理优化机械结构，加强整体配置，提高数控精度，改善立式加工性能是一项具有发展前景和重要意义的工作。本课题即立足于这一观点，以立式加工中心的床身结构为重点，通过优化其结构设计，综合提高床身的刚度、精度、稳定性、可靠性等。由于床身是立式加工中心非常重要的基础支撑件，直接影响着机床整机的性能，因此，其对于立式加工中心的发展具有十分重要的意义。
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