立式加工中心床身结构设计（整套图纸）

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 ShenyangMachine Tool Factory, have designedthe bed structure of the vertical machining center scientifically and systematically, the details are as follows:

(1)Learntfromthe 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, scientificallydesignedthe 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 thesoftware 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 forwardthe 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 课题研究的背景和意义

1.2国内外研究现状与发展趋势

1.3 本论文内容概要

2床身结构设计

2.1 床身材料

2.2 床身时效处理

2.3 床身结构设计

2.3.1床身重要表面设计

2.3.2床身截面形状设计

2.4 床身热变形

2.5 床身结构确定方案

3 床身零部件的计算与选型

3.1Y方向滚珠丝杠副的选择

3.1.1初步计算丝杠导程

3.1.2滚珠丝杠副当量载荷与当量转速计算

3.1.3计算预期额定动载荷

3.1.4 估算滚珠丝杠允许最大轴向变形

3.1.5估算滚珠丝杠副的底径

3.1.6 计算滚珠丝杠副预紧力

3.1.7 滚珠丝杠副剩余结构尺寸确定

3.2伺服电机的选择

3.2.1电机的负载转矩计算

3.2.2惯量匹配计算

3.2.3空载启动时最大加速力矩

3.2.4快速空载启动时所需最大启动力矩

3.2.5 电动机连续匀速工作时的最大力矩

3.2.6 电动机输出端轴的直径计算

3.3 滚动轴承的选择

3.3.1 滚动轴承使用条件

3.3.2 初选止动球轴承型号

3.3.3 止推轴承组配方式

3.3.4 止推轴承的选用计算

3.3.5 圆柱滚子轴承的选型计算

结论

致谢

参考文献

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，xxxxx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。

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。

1.2国内外研究现状与发展趋势

总体来说，经历了几十年的学习发展与探索创新，我国的数控机床产业已经逐步向美、德、日等处于发展前沿的发达国家靠近，相对成熟的、面向市场的数控机床已达到1500种，在五轴联动数控机床、立式卧式加工中心、数控车床等制造装备技术领域甚至已达到了世界先进水平，改变了长期被国际对手实行产业垄断的不利局面。

如今，国内生产立式加工中心的企业逐渐增加，其中以机床集团、大连机床集团、济南机床厂、南京机床厂为首，日益带动了许多中小企业的建立与发展，活跃了国内机械装备制造产业，同时，这些企业也逐步从单纯复制进口数控机床的结构、购买进口的数控系统发展为拥有自主知识产权、优化装备结构、创新生产技术的较为成熟的阶段。其中，五轴联动数控机床即具有我国数控机床技术的里程碑式的意义，它集计算机控制、高性能伺服驱动系统和精密加工技术与一身，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工，是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。

纵向比较，虽然我国近30年来确实取得了飞跃式的发展与提高，但横向比较于世界工业发达国家，我们所生产的数控机床的各项性能仍处于世界相对落后的地位，尤其是数控系统的控制可靠性方面，如今，我国90%的数控系统仍需进口，还有很大的进步空间，急需早日建立我国自主的数控产业。在机床厂实际考察期间即体现出我国在数控机床产业中所面临的核心技术缺乏问题，国内所生产的数控机床关键零部件和关键技术主要依赖进口，比如，在进行床身结构及其零部件的学习过程中发现，其导轨、滚珠丝杠、电机、轴承等重要的功能部件均来自进口。国产的功能部件存在很大的故障率，精度、寿命、可靠性方面与进口的功能部件存在明显差距，这严重滞留了数控机床的发展进程。另外，我国虽然认识到了在这一领域自主创新的重要性，然而，其自主创新的能力以及对于创新成果的市场转化机制仍然十分欠缺与落后。创新是一项需要长足发展和长效机制的问题，其决定与技术人员和企业的素质，我国不可盲目追随发达国家，而是要结合自身国情与市场需求，在稳中求发展，重在提高创新能力，而非一味求效益，没有长远的发展策略。另外，我国还面临着技术创新和成果转化与市场脱节的问题，往往在取得了一项创新成果之后，没有完善的市场安排和健全的成果转化体系，也缺乏相应的规范和标准，使得制造工艺的发展举步维艰。最后，我国还数控机床产业还严重缺乏质量保证体系、质量反馈体系和服务体系，企业与用户欠缺沟通与交流，没有对于产品的追踪调查，这也对于产品的优化与改善造成了消极的影响。

相较于我国，国外的立式加工中心则处于领先的地位，仍然占据了相当大的市场，其数控机床具备高精度、高速度和高可靠度，技术成熟且生产厂家众多，其中比较著名的有德国DMG集团、日本Mazak公司、德国ChironWrke公司、日本通快公司、xx哈斯、xxMAG公司等。对于数控机床关键零部件和关键技术，处于世界领先地位的厂家分别为：日本FANUC、德国西门子，还有日本的三菱，其余还有法国的扭姆和西班牙的凡高。

面对国际市场的发展与挑战，我国立式加工中心产业具有如下的发展趋势：

1、智能、高速、高精度化：

未来的立式加工中心，将致力于提高生产效率，向超高速、超精密的方向发展，采用更加先进的功能部件，使主轴转速达到15000r/min以上；当前立式加工中心的最高精度可达到亚微米级水平，未来所设定的目标为达到纳米级水平。同时，研发功能性更为强大的计算机软件系统，从而更有利于数控机床结构的简化，提高其智能化程度。

2、一体化与复合化

数控机床逐步向一体化发展，将加工与检测相结合，从而提高加工与检测的精度；将多轴加工一体化结合，从而满足产品对于外观曲线的更高要求。另外，由于立式加工中心已能实现工件一次装夹而实现多种工序的负荷加工，而为了更大限度的缩短生产周期，满足于对制造速度的要求，数控机床也将向高度复合化发展。

3、设计、加工绿色化

环保问题现已成为全球化的不可忽视的问题，数控机床产业作为装备制造业的核心，必须符合环保需求，因此应该遵循绿色设计的原则，采用绿色环保材料，进行节能性的、可回收性的设计，使得资源利用率最高、对环境负面影响最小。

1.3 本论文内容概要

本文主要结合机床厂立式加工中心VMC850B的设计、加工与装配的经验，对立式加工机床床身的结构进行优化设计，同时也对床身相关功能部件进行了选型的计算与分析，设计过程中除了查取了大量文献资料作为理论支撑，还利用ANSYS软件进行了实际的建模及有限元分析，其具体内容如下：

第一章 绪论

说明了本次课题研究的背景与意义，同时介绍了当下的数控机床产业国内外研究现状与发展趋势

第二章 床身的结构设计

对床身的结构进行了分析计算与优化设计，主要包含床身材料的选择，床身的时效处理，床身重要表面的设计，床身截面，即壁厚、肋板、方孔与圆孔的选择， 以及床身热变形的分析与预防，最红进行了结构方案的确定，并利用ANSYS软件对床身结构进行了有限元分析，验证了设计的合理性。

第三章 床身功能部件的计算与选型

对与床身相关的各功能部件进行了选型所需的分析与计算，包含Y方向伺服进给系统的驱动电机、滚珠丝杠、联轴器与轴承，还有滚动直线导轨，最终确定了各功能部件的参数与型号。

2床身结构设计

在切削时，刀具与工件之间相互作用力沿着部分支撑件传递并使之变形；机床的动态力（如变动的切削力、往复运动件的惯性、旋转件的不平等）使支撑件和整机振动；支撑件的热变形将可能改变执行件的相对位置或运动轨迹，这些均将影响工件的加工精度和表面质量。故支撑件对于数控机床而言至关重要，床身作为数控机床中最为基础的支撑件，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, 其结构及布局是否合理将直接影响机床的加工质量和生产率。故对床身的基本要求如下：

（1）具有足够的刚度和较高的刚度质量比

（2）具有较好的动态特性

（3）使整机热变形较小

（4）可顺利排屑、安全吊运，且有利于加工与装配。

2.1床身材料

立式加工中心床身结构复杂，一般采用铸造。灰铸铁材料流动性好，体收缩和线收缩小，易于铸造，获得形状复杂的铸件。其可加工性好、制造成本低，易于大量生产，并具有良好的耐磨性和减振性，铸铁的内摩擦大，阻尼作用强，故动态刚性好，是传统的床身结构材料。

本设计中床身材料采用HT250，其属于较高强度的铸铁，耐磨性、耐热性均较好，铸造性能好，需进行人工时效处理，用于承受较大应力（弯曲应力<29.4MPa）,摩擦面间压强大于0.49MPa，或需表面淬火的铸件，以及要求保持气密性的铸件，如气缸、齿轮、机座、金属切削机床床身及床面。

2.2床身时效处理

床身结构在加工完成后需进行时效处理，其目的是在不降低铸铁力学性能的前提下，使铸铁的内应力和机加工切削应力得到消除或稳定，以减少长期使用中的变形，保证几何精度。为了降低生产周期，提高效率，节省能源，本设计中采用机械振动法进行时效处理。

2.3 床身结构设计

床身主要承受主轴箱、立柱、滑座、工作台的重力，同时，由于主轴箱与刀库固定在立柱不同的侧面上，因此床身承受不同方向的弯矩与扭矩，以及由主轴轴线折算到床身上的切削载荷。因此，为提高床身结构的刚度，需要考虑弯曲刚度与扭转刚度的影响。

2.3.1床身重要表面设计

如前文所述，床身是机床组成部件中重要的支撑构件，其上需要连接立柱、滑座和Y方向的进给机构。为保证各部件有效发挥其工作机能，互不干涉，有效配合，以满足机床工作要求，需要对床身表面进行优化设计，参照现有的立式加工中心床身上表面设计，结合本次床身结构设计要求，

2.3.2床身截面形状设计

在弯、扭载荷作用下，床身的变形与截面的惯性矩和极惯性矩有关。材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相差很大。

（1）截面积相同时空心截面的刚度大于实心截面，仅此床身采用空心截面。同时，加大外轮廓尺寸，在工艺允许的条件下尽可能减小壁厚，也可大大提高截面的抗弯和抗扭刚度。

（2）方形截面的抗弯刚度高于圆形截面，方形截面的抗扭刚度则较低。由于床身既承受弯矩也承受扭矩，且以弯矩为主，则应采用方形或矩形截面。

（3）应尽量将截面设计为封闭式结构，因为开放式的截面，其抗扭刚度相较于封闭式的下降很多，因此，在本设计中，将床身的截面设计为封闭的箱体。结合立式加工中心850B型号的具体情况，为保证床身具有良好的静刚度和动态特性，满足床身性能要求，还需对床身截面结构进行更为细致的分析与设计。

2.3.3壁厚的确定:

依据不同的铸造方法，铸件所允许的最小壁厚也 不同。最小壁厚的确定与铸件表面积、铸造方法及铸造材料有关，在 《机械加工工艺手册》中节选各种铸造方法的铸件最小壁厚依据上文初步确定的床身结构，查表即可知，铸件最小壁厚应为7mm。

铸件的壁厚取决去其强度、刚度、材料、铸件尺寸、质量和工艺等因素。如上所述，床身为铸铁材料，采用砂型铸造工艺，其壁厚可利用当量尺寸N按表查询。

左面表格为在《机械设计手册-单行本-机架、箱体及导轨》中节选“表9.1-29 铸铁机架的壁厚”所得，其中推荐的是铸件最薄部分的壁厚，支撑面、凸台等应根据强度、刚度及结构上的需要适当加厚，且壁厚应尽量均匀。

已知本设计中床身的尺寸参数为：

L = 1905 mm, B = 1660 mm, H = 433 mm

故≈2

查表可知，外壁厚最小取16mm,内壁厚最小取12mm。本设计中取外壁厚为20mm。

2.3.4加强肋的设计

床身作为立式加工中心的支撑部件，其上承载着立柱、滑座、工作台等重要部件的重力，同时在加工工件的过程中，还需要承受切削载荷，由于主轴系统和盘式刀库的作用，床身上还作用着不同方向的弯矩与扭矩，使其在导轨Y、Z方向产生变形，从而影响加工精度。因此，需要设置合理的加强肋结构，提高床身结构刚性。

加强肋的作用如下：

（1）可以提高床身的强度、刚度，减轻床身的质量。

（2）可以减少床身截面的畸变，在大面积的薄壁上布肋可以减少局部变形，并防止床身变形，降低噪音。

（3）肋可使床身铸件壁厚均匀，防止金属堆积而产生缩孔、裂纹等缺陷；作为补缩通道，扩大冒口的补缩范围；改善铸型的充满性，防止出现夹沙等缺陷。

（4）散热，切削过程中，Y轴丝杠电动机、液压系统和机械摩擦都会产生热量，加强肋的设置有助于帮助散热，降低床身热变形。加肋后可以把载荷传递到下壁，并把上壁的弯曲变形转化为肋板的压缩和拉伸变形，因而有效的减少了上壁的弯曲变形。 加强肋的布置实际上就是横向肋、纵向肋和对角肋的组合。纵向肋主要是提高抗弯刚度，横向肋主要是提高抗扭刚度，而对角肋兼具提高抗弯刚度和抗扭刚度的作用。

（1）相对于高度方向的尺寸而言，床身上表面的尺寸很大，因此，为了保证床身的整体刚度，需要重点加强床身上表面的支撑肋板的静刚度和动刚度。（2）由于VMC850B立式加工中床身的上表面采用倾斜结构，目的是为了方便排屑，而造成导轨所在的位置使其成为悬空的结构，作为主要的受力面，需要通过设置加强肋以保证其刚度。

（3）由于床身采用铸件，在铸造工艺中需要设置许多拔摸孔等开放式结构，故床身结构设计中还需考虑其不封闭性。

（4）局部增设加强肋，以提高支撑件的支撑刚度。由于床身上表面相对于箱体面较大，使得大于箱体面的凸缘部分局部刚度较差，为提高床身支撑刚度，在凸缘处设置了加强肋。具体箱体加强肋的布置方式如图2.1图2.2所示：

图2.1 床身截面结构

　　图2.2 床身箱体剖视图

　　2.3.5板壁孔的设计

出于床身自身结构与加工工艺的要求，为减轻床身的质量，节省材料，同时满足铸造工艺与结构性能，床身的壁板和加强肋上需要设置孔结构。这些孔的形状、大小和位置对床身的刚度均有一定影响，在受载壁板中，孔的边缘会出现一个高应力区，特别是在转矩作用下，对刚度的影响更为明显。

在铸造工艺上，为了制造方便，对于铸件的最小孔径进行了限定。由于本设计采用的是砂型铸造、成批生产，故孔径要大于30mm。与此同时，随着孔径的增大，刚度持续下降，当d/h＞0.4时，刚度削弱尤其显著，尽量使其值小于0.2。如下图所示，且应尽量使孔布置在板壁的中线上，同样有利于提高床身刚度。为使身箱体开孔对床身刚度影响尽量降低，应使箱体开孔的面积小于板壁面积的10%。当孔面积大于10%时，随着孔面积加大，刚度急剧下降。因此，设计床身板壁开孔方式如下图所示，两侧壁上开5个直径为80mm的圆孔，前后壁上分别开5个方孔，且厚壁的方孔均小于前壁，因此保证前壁的设计满足要求即可。

　　图2.3 床身板壁开孔示意图

　　首先验证d/h值：

侧壁：d = 80mm, h = 352mm， d/h = 80mm/352mm = 0.23

前壁：d = 105mm,h = 352mm, d/h =105mm/352mm = 0.3

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