李山—ck0630数控车床床身的设计

1、聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）聊城大学东昌学院 本科生毕业论文（设计） 题 目：CK0630数控车床床身 的设计 专业代码： 080251 作者姓名： 李 山 学 号： 20100020703 单 位： 聊城大学东昌学院 指导教师： 崔 传 辉 2014年 05月25日原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学东昌学院或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的相应责任。学位论文

2、作者签名：日期指 导 教 师 签 名： 日期 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）目 录前 言11. 绪 论21.1 数控机床行业前景21.2研究的现实意义31.3本文研究的方案32. 床身的设计42.1床身的结构设计42.2床身模型的建立42.3床身的受力分析42.4优化床身结构62.5床身材料的选用72.6导轨的选用72.7床身的铸造82.8丝杠的选用102.9溜板箱10结论11参考文献12致谢130摘 要这篇论文是对目前数控车床床身设计进行了深入的探讨与分析，鉴于普通车床的设计一般沿用了以往的设计思想，机床设计缺乏理论依据。在整个机床的各个组成部分中，机床床身是一个十分重要的大件。目前对

3、普通车床床身的设计理论依据不足，床身的结构设计有点不合理。而CK0630车床是普通车床中的主流型号之一，因此对该车床的床身进行优化设计很有实际价值。床身是车床精度要求很高的带有导轨的一个大型基础部件，用于支撑和连接车床的各个部件，并保证各部件在工作时有准确的相对位置。床身是车床的基础部件，用于连接其他部件，主要拥有减振、抗振、抗压的作用。是车床工作时支撑整体的主要部分。对机床床身结构的优化能够提高整个机床的性能，提高机床的精度，提高机床的刚度，增加机床的承重能力。关键字：床身；减振；刚度；结构优化 Abstract This paper is to present the design of

4、CNC lathe was carried out in-depth research and analysis, in view of ordinary lathe design generally follows the usual design concept, the lack of theoretical basis for the design of machine tool. In the various components of machine tools, machine tool bed is a very important big. The theoretical b

5、asis for the design of the lathe bed is insufficient, the structure design is not reasonable. While the CK0630 lathe is one of the main types of lathe, therefore the lathe bed optimization design is very practical value. The lathe bed is high precision guide rail with a large base for supporting par

6、ts, and every part is connected the lathe, and ensure that all parts are relatively accurate position at work. Bed is the basic components of a lathe, used to connect other parts, with the main shock, anti vibration, the effect of compression. The main part of the whole is the support of the lathe w

7、ork. To optimize the structure of machine tool bed can improve the performance of the whole machine, to improve the accuracy of machine tools, improve the rigidity of machine tool, machine tool bearing capacity increase.Keywords: bed; damping; stiffness; structural optimization1CK0630数控车床床身的设计前 言车床的

8、床身是整个车床的基础支承件，一般用来放置导轨、主轴等重要部件。对车床床身的基本要求：（1）.应有足够的静刚度，较高的刚度重量比；（2）应有较好的动态特性。 好的动态特性能保证车床有较高的抵抗变形的能力，有较高的远离激振频率，较高的固有频率，防止发生共振。我国车床工具行业近十年的发展，同改革开放前期二十年相比发生很大的变化。从进入新世纪以来，发展模式有了积极的改进。但是总体发展水平与国外相比还是有很大差距，所以我们在看到进展的同时，也应该同时清醒地认识到，我们的差距还是比较大的。必须坚定不移的加速刀具现代化的发展进程。从机械工业运行环境看，国务院关于装备制造业的振兴规划已出台，从而将为机械工业的

9、发展营造一个有利的环境。目前内需市场降中趋稳，钢材价格落势受到抑制，企业订单有望回升，机械工业2013年成本上升的压力有所上升；国际原油价格回弹，国内成品油供求趋紧；电力供需矛盾有所缓解，供应有望好于往年；国际产业转移发展减缓，但承接转移的空间依然很大。在整个机床的各个组成部分中，机床床身等支承件的重量要占车床总重量的2030，是一个很重要的大件。床身这种大件结构的材料和制造工艺费用在设计中必须加以考虑。目前对普通车床床身的设计缺乏有效的理论依据，许多厂家靠类比进行定性的设计，这显然是难以满足要求的。床身的设计不尽合理，结构设计上存在不少缺陷。此外，机床结构件的设计，对保证静、动态加工精度有着

10、非常重要的意义。床身作为一个结构大件，在整个机床中的作用是很重要的。另外这些车床的需求量仍然是比较高的，在实际生产中起着重要作用。针对这些因素，有必要进行以减重为目的的床身结构优化。而CK0630车床是普通车床中的主流车床之一，因此对该型号车床的床身进行优化设计有重要的实际意义。1. 绪 论1.1 数控机床行业前景图1 数控机床的发展趋势根据2014-2018年中国数控机床行业市场需求预测与投资战略规划分析报告分析，近年来，受益于国家振兴装备制造业的大环境和强劲的市场需求拉动，国内机床工具行业出现了技术长足发展、投资热情高涨的局面。“十二五”规划已将振兴装备制造业作为推进工业结构优化升级的主要

11、内容，数控机床则成为振兴装备制造业的重点之一。未来，我国将重点发展高速、精密、复合数控机床。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用。当前效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零

12、件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆。这些都对加工装备提出了高精、高柔性、高速的要求。目前在可靠性方面，国外数控装置的mtbf值已达6 000h以上，伺服系统的mtbf值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。为保证车床高速、高精密加工

13、性能对车床床身的要求也更加严格。 1.2研究的现实意义数控车床具有加工灵活、通用性强、能适应产品品种和规格频繁变化的特点，能够满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动化的要求，因此被广泛应用于机械制造业。在重量轻的条件下，需保证支承件具有足够的静剐度，所以对支承件材料的分布、支承件壁厚的合理性提出了要求，有必要进行以减重为目的的床身结构优化。有必要进行分析计算。目前，数控技术正在发生根本性变革，进入21世纪，我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的良机，也遭遇到加入WTO后激烈的市场竞争压力。在技术方面，加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。装备制造业的技术水平

14、和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。提高制造能力和水平，我国技术型人才培养模式相对落后，迫切需要提高数控专业技术性人才培训的针对性和适应性。数控车床是数控技术的具体体现，也是培养数控人才的重要学习部分，因此，研究本课题是十分必要的。1.3本文研究的方案综合现有的结构优化设计研究方法，通过初步分析床身的综合受力情况确定优化方案，床身采用工字型既增加了床身的刚度又减轻了床身的重量，且易于加工。本文采用科学计算和实际经验相结合的方法。类比同类车床床身的结构，对床身结构进行优化。针对ck0630床身的具体特征制定

15、了如下具体解决步骤：(1)对ck0630车床床身建立模型，进行受力分析。主要分析床鞍、床头、床腿与床身之间的作用力。通过制造与验收技术要求计算各点力的大小和方向。(2)根据床身应力分布，对床身中的关键尺寸进行灵敏度计算。对应力薄弱环节，同样进行加强方向的灵敏度计算，确定必要的加强重量。(4)对修改后的模型进行全面校核，比较减重前后的变化。(5)根据实际工况及设计要求，给出最终方案。 2. 床身的设计2.1床身的结构设计床身是车床的主要大件之一，它的主要作用是承重，通过保障导轨的水平度来保障加工精度，它的长度长度限定了车床的行程。根据经验工字形床身具有翼缘宽、侧向刚度大、抗弯能力强而且形状简单，

16、易于制造等优点。因此把床身的截面做成工字形。由于焊接结构阻尼小，减震能力差所以床身采用铸造结构。铸铁件的内阻尼远远高于碳钢件，故吸振性能优于碳钢件；铸铁件是由大量的石墨和铁素体构成，由于石墨尖端的松弛，所以残余应力很小，低于焊接件的内应力，经过时效处理后的铸件内应力会降低更低。因此铸造结构具有抗振性、高的精度保持性，适用于床身。2.2床身模型的建立UG是一种三维绘图软件，在UG中建模更加形象、直观，便于发现问题、便于修改参数，且给人以真实感。在UG中建立如图2所示床身模型，床身形状为工字型。尺寸长1400mmX200mmX200mm图2床身2.3床身的受力分析随着工业的发展,对车床的稳定性、精

17、度和床身自重要求越来越高。这就要求在车床的设计中对其组成部件进行严密的分析与计算。车床床身等支承件的重量要占到车床总重量的80 %，车床主轴的重量、工作台的重量、所加工工件的重量都作用在床身上，因此对床身的刚度提出了较高的要求。由图2可知床身形状为工字型，且床身靠两端的腿进行支撑。对床身受力分析可将床身简化为简支梁，如图3所示。（a）(b)(c)图3床身受力图如图3（a）床身受力的平衡方程F=床身除受到外力还受到内力的作用，图3（b）床身受到力的剪力图，剪力平衡方程 （<x<）图3（c）床身受到的弯矩图弯矩平衡方程 (0x)车床床身受扭力比较小，可忽略，在此不做计算。2.4优化床身

18、结构床身不仅是车床中的大件更是支撑件，为了增加床身的刚度，传统的方式是加米子型肋板，如图4所示。图4优化前的床身结构加上米字型肋板后加大了床身的刚度，但同时也增加了床身的重量。如何能做到在不加重床身重量的前提下增大床身的刚度呢？要解决这个问题就需要对床身的结构进行优化，由于床身横截面是工字型，工字型具有翼缘宽、侧向刚度大、抗弯能力强等优点。由机械设计手册可知工字型腹板基本上不承受力。所以可在腹板上去一些材料，美化了床身，如图5所示。床身是个细长件，为了增加其刚度可在中间加两个肋板。图5结构优化后的床身床身支腿的结构床身支腿除受正压力外还会受到弯曲力和扭转力，矩形截面刚具有抗弯截面系数大和抗扭力

19、比较大等优点，且节省材料。所以床身肢体采用矩形截面钢如图6所示。支腿的高度根据大部分人的身高来确定，尽量做到使操作者工作起来舒服省力。 图6床身支腿 2.5床身材料的选用由于铸铁中含碳量高，所以残余应力很小，经过时效处理后的铸件内应力会降的更低。因此铸造结构具有抗振性、高的精度保持性，适用于床身。机床支承大件的材料选用灰铸铁材料，它具备耐磨性、高的减震性、抗腐蚀性、热稳定性等优点，且有良好的力学性能。易于铸造，且切削加工性好，制造成本低，是传统的机床大件结构材料。通常，用HT150或HT200铸造床身和立柱等支撑件。Ck0630车床床身选用HT200作为结构材。表1 HT200性能和用牌号铸铁

20、力学性能用途壁厚/mm抗拉强度/MPa<HT2002.510220机床床身，机体，中等压力液压缸、泵和阀体、齿轮、飞轮、齿条等102019520301703030160由表1可知当壁厚为大于10mm小于20mm是铸件抗拉强度比较大。2.6导轨的选用导轨是标准件，常见的导轨形式有滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。选用滑动导轨。滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗震性强等优点，在一般的机床上应用最为广泛，常由铸铁件或镶钢导轨制成。为了提高导轨的耐磨性和精度，一般对导轨表面进行淬火，然后磨削加工。根据<<机械设计手册>>导轨型号选用公称型号HR-20. &#

21、160;图7矩形导轨2.7床身的铸造使用材料：铸铁材料 牌号：HT200A、车床开车后的转速高极易产生振动，铸铁材料及其高含量的石墨可以起到减震的效果，这是主要目的；（减震）B、车床床身性价比最高的就是铸铁；（造价低，加工容易）C、铸铁材料强度，刚度都很高，塑性变形小，不易产生形变；（不易变形）毛坯制造方法：铸造成型1.优先采用砂型铸造车床床身铸件，因为砂型铸造比其它铸造方法成本低、生产工艺机械化、生产周期短，质量可靠，当湿型不能满足要求时再考虑使用粘土砂表干砂型、干砂型或其它砂型。粘土湿型砂铸造的铸件重量可从几公斤到几十公斤。2.车床床身铸造方法应和生产数量相匹配。低压铸造、压铸、离心铸造等

22、铸造方法需要的设备和模具的价格昂贵，所以适合批量生产。 毛坯及零件的制造工艺路线（热处理工序）车床床身铸件光整加工工序它是从经过精加工的工件表面上切去很少的加工余量，得到很高的加工精度及很小的表面粗糙度值。研磨、珩磨、超精加工 及抛光等方法属于光整加工工序。 图8铸造毛坯制定工艺路线 工序1：铸造毛坯工序2：清理、喷沙后上底漆工序3：划底面、划线和导轨面的刨加工及校正线工序4：粗刨床身底面以导轨面为安装基准按划线找正工序5：粗铣各导轨面及结合面按划线找正，以底面为安装基准工序6：人工时效处理工序9：热处理、导轨表面高频淬火工序10：精刨底面、压板面和齿条安装面以导轨面为安装基准工序11：丝杠的

23、安装孔、进给箱安装孔及攻螺纹以底面为安装基准工序13：精磨床头箱定位安装面及压板面找正导轨面，以底面为安装基准工序14:粗、精磨导轨面找正导轨面，以底面为安装基准工序15：终检成型方法：灰铸铁制造的床身需要精加工，由于刨削加工具有应用广泛；成本低；加工方式简单；成产率低；加工精度较高等特点。镗削加工具有适应性强；加工质量好；可以有效地校正原有孔轴线的偏斜或位置误差；成本较低；应用广泛等特点。所以床身导轨表面主要选择刨削；床身孔的加工方法选择镗削工艺。表面处理能改善床身铸件的内在质量。使床身铸件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，但是热处理不能改变石墨的形状、分布，故对提高力学性能作用不大

24、，因此在灰铸铁的生产中，热处理主要为了消除铸件的内应力和改善其切削加工工艺。为了消除铸件内应力通常使用应力退火，将铸件缓慢加热到500摄氏度到560摄氏度，保温一段时间（每10mm截面保温一小时），然后以极缓慢的速度随炉冷至150摄氏度到200摄氏度后出炉。此时，铸件的内应力基本上被消除.应当指出，若保时间过长或退火温度超过温560摄氏度，会引起石墨化，使铸件的强度与硬度降低，是不适宜的.   当床身厚薄不均时，由于浇注后冷却过程中各部位的冷却速度不同，往往在铸件内部产生很大的应力。因此，对精度要求较高床身导轨在切削加工之前，都要进行一次消除内应力的退火。为了提高床身的硬度

25、通常对床身进行表面淬火处理，通过快速加热使刚件表面很快到淬火的温度，在热量来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。不仅获得了高硬度、高耐磨性的表面，而且心部仍然保持原有的良好韧性。2.8丝杠的选用图9床身丝杠是标准件，公称直径，即丝杠的外径，常见规格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120。由于各厂家一般只备1650的货，其他直径大部分都是期货（货期大约在3060天之间，日系产品大约是22.5个月，欧美产品大约是34个月）。Ck0630车床为中小型车床，选用直径25的丝杠就能满足要求。导程。也称螺距，即螺杆每旋转一周螺母直线运动的距离，常见导程有1、2、

26、4、6、8、10、16、20、25、32、40，中小导程现货产品一般只有5、10，在输入转速一定的情况下，导程越大速度越快。Ck0630车床为中速加工，选用导程10即可满足要求。丝杠全长=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度（轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量）+动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半+裕量）2.9溜板箱 1.溜板箱的工作原理：电动机通过皮带带动离合器，通过齿轮变速传给主轴，形成主运动，再通过齿轮变速传给光杠、丝杠，带动大拖板、中拖板形成进给运动。溜板箱的材质：高强度铸铁HT200-300工作面硬度为HB170-240，经过两次人工处理（人工退火600度-700度和自然时效23年）使用该产品 的精度稳定，耐磨性能好。溜板箱的作用：就是完成零件切削加工时的轴向和径向进给运动的执行机构。溜板箱的尺寸结合经验、类比其他机床的方法来确定。如图10图10溜板箱和刀架2. 刀架刀架滑板由纵向（Z轴）滑板和横向（X轴）滑板组成。纵向滑板安装在床身导轨上，沿床身实现纵向（Z轴）运动；横向滑板安装在纵向滑板上，沿纵向滑板上的导轨实现横向(X轴)运动。刀架滑板的作用是实现安装在其上的刀具在加工中实现纵向进给和横向进给运动。机械式转塔刀架