數(shù)控立式車床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

許雷　寇慶華

引言

本文通過對機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)并針對主要部件進(jìn)行動力學(xué)研究有效的保證了機(jī)床的性能，從而保證企業(yè)的生產(chǎn)效益。

1.機(jī)床的總體設(shè)計(jì)

1.1加工工藝方案

機(jī)床的加工條件：圓柱類的零件，車削內(nèi)、外表面，直徑加工范圍200-1400mm，高度加工范圍100-800mm，IT6-IT8級精度，粗糙度3.2-0.8μm，采用西門子系統(tǒng)。

1.2機(jī)床的總體布局

立式車床主運(yùn)動為電機(jī)通過三級齒輪傳遞扭力帶動卡盤旋轉(zhuǎn)，切削運(yùn)動是由刀架自身的升降進(jìn)給以及刀架在橫梁上的水平進(jìn)給。機(jī)床底座和主軸使卡盤在水平面有5個自由度的約束。為了增加抗震性，機(jī)床的進(jìn)給通過精密滾珠絲杠伺服電機(jī)，提高了切削的穩(wěn)定性，。以傾斜的鈑金為隔離形式，切屑與機(jī)床本體間接接觸，直接落入卷屑機(jī)中，避免機(jī)床產(chǎn)生額外的熱變形，內(nèi)部主軸軸承和齒輪產(chǎn)生的熱量將采用液壓油噴射冷卻。

1.3確定主傳動電動機(jī)功率

主運(yùn)動是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)床，運(yùn)動參數(shù)是主軸轉(zhuǎn)速。若選取較大動力參數(shù)，則傳動件的結(jié)構(gòu)尺寸大，導(dǎo)致機(jī)床笨重，增加制造成本的同時，還增加機(jī)床工作中空載功率，又浪費(fèi)電力；若選取小動力參數(shù)，機(jī)床傳動鏈和電動機(jī)長期超載工作，則縮短機(jī)床的使用壽命。電動機(jī)功率估算如下：

Pm為切削功率；η為主傳動鏈的總效率；FZ為主切削力；v為切削速度；ap為背吃刀量；f為進(jìn)給量；KFZ為總修正系數(shù)；

1.4確定傳動機(jī)構(gòu)及動力參數(shù)

機(jī)床的傳動效率、尺寸及內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)由傳動結(jié)構(gòu)表示。本文設(shè)計(jì)的機(jī)床在確保較大尺寸零件的精加工基礎(chǔ)上，還要減少外觀空間結(jié)構(gòu)，采用西門子伺服系統(tǒng)及三段式內(nèi)部齒輪傳動方式。可以滿足精度、轉(zhuǎn)速的要求，及數(shù)據(jù)的通信，此外其結(jié)構(gòu)也比較緊湊。

1.4.1傳動比的計(jì)算

考慮到加工零件的精度需求以及各傳動軸承能夠承受的最大轉(zhuǎn)速：根據(jù)卡盤軸承尺寸選擇最大承載轉(zhuǎn)速nw=430rpm；總傳動比i=nMax/nw=4500/430=10.47；選擇主傳動的傳動比i1=d1/d2=4.3

可確定底座的主體尺寸；減速機(jī)構(gòu)傳動比i=i/i1=2.435

高速級：i3=（1.3i1）1/3

低速級：i2=i/i3=1.369

1.4.2齒輪的設(shè)計(jì)

齒輪傳動適用于短距離傳動的機(jī)構(gòu)。齒輪的材料、熱處理、精度以及齒數(shù)確定要求如下：

a.保證零件的加工精度，傳動速度不低于8級精度。

b.齒輪的材料為45鋼。

c.確定齒輪齒數(shù)原則：在滿足輸出轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確的同時，減少齒數(shù)，確保齒輪結(jié)構(gòu)、尺寸緊湊。其中最少齒數(shù)不小于17。工作環(huán)境在閉式齒輪傳動中能有保證，同時對轉(zhuǎn)速有較高要求，通過選用大量齒數(shù)促進(jìn)傳動的平穩(wěn)性，減小沖擊振動，延長壽命。

d.校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度；校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。

1.4.3軸的設(shè)計(jì)

軸在機(jī)器中的空間位置、形式，水平或立式是軸在設(shè)計(jì)時要考慮的因素，此外，連接的方法和連接零件的類型以及所受載荷的分布情況也要考慮，載荷的性質(zhì)大小，機(jī)械加工工藝以及材料的力學(xué)性能也要考慮。

2.機(jī)床結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析

結(jié)構(gòu)動力分析主要是為了確定載荷是否影響全部結(jié)構(gòu)或部件，此外還要考慮是否影響阻尼及慣性效應(yīng)；諧響應(yīng)分析是為了確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時間按正弦規(guī)律變化的載荷下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)，主要是為了計(jì)算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)，同時獲取相應(yīng)的響應(yīng)值即位移對頻率的曲線。由于誤差或磨損的存在，機(jī)床在切削過程時產(chǎn)生周期性的振動，零件的表面會產(chǎn)生波紋。本文中設(shè)定掃頻范圍以及頻率點(diǎn)步長，變化范圍為0-1000Hz，平均間隔為100。距卡盤中心650mm外側(cè)表面施加150000N的向下的力?？芍C響應(yīng)分析最大頻率時對應(yīng)的應(yīng)力值。

以上可計(jì)算出當(dāng)頻率點(diǎn)不一致時的位移值，也可以計(jì)算出等效應(yīng)力值。當(dāng)頻率為f=580Hz時，幅值最大，對應(yīng)的等效應(yīng)力值見圖2.2。圖中應(yīng)力最大值兩個值全部超出所允許范圍。由此可知，在機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，要盡量避免此頻率的外激勵。

結(jié)論

通過對機(jī)床結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析得出有害頻率為580Hz，因此對機(jī)床引起危害振動控制時，處理底座支承部分圓角，加厚其螺紋孔處結(jié)構(gòu)。

（作者單位：沈陽機(jī)床股份有限公司沈一車床廠）