機床導軌與床身結構設計研究
2017-11-23 來源： 沈陽機床成套設備有限責任公司 作者：張朝麟
【摘要】: 如何使機床導軌結合面和支撐件實現高效率、低能耗，提高機床的整體性能是現代機床發展的必要手段。文章分別探討了導軌結合面尺寸設計、床身導軌尺寸設計、床身結構設計，優化機床性能。
【關鍵詞】: 導軌結合面尺寸設計; 床身導軌 尺寸設計; 床身結構設計
1.導軌結合面尺寸設計
機床導軌非常重要，其精度不僅影響機床整體性能，還與支撐件有很大關聯，所以機床導軌與機床性能密不可分。導軌的組成可以分為安裝面、導軌和移動構件3 個方面。導軌是實現支撐、導向和運動的部件，移動件是安裝在導軌頂面的運動部件，如圖1 所示。
圖1 導軌結構示意圖
傳統導軌的設計原則如下:
（1）機床的最大加工直徑決定導軌之間的跨距，導軌的跨距越小，導軌的接觸面受力越大，缺點是會使床鞍產生傾覆角。
（2）導軌的跨距受機床整體外形尺寸的限制，床鞍的剛度也會受到影響。
（3）機床導軌尺寸設計出一個范圍，后期再根據設計人員優化進行尺寸設計。
導軌系統設計后需要對其進行優化，優化方法是對機床導軌系統進行三維模擬建模。建模的方法是模擬機床導軌系統，將移動件、導軌、導軌底面進行模擬，優化設置分為優化目標、優化約束、設計變量3 個方面。
（1）優化目標。導軌的優化目標是將導軌的最小柔度作為變量，也可以將導軌移動件頂面中心的最大變量作為優化目標。
（2）優化約束。約束是導軌結合面體積分數要小于優化后的。
（3）設計變量。將導軌結合面的單位密度作為設計變量。
2.床身導軌尺寸設計
根據機床導軌的性能和尺寸設計一套機床床身導軌的設計流程，如圖2 所示:
圖2 床身導軌尺寸設計流程
（1）床身導軌尺寸的初步確定不能根據設計者的意愿進行設計，需要根據以往傳統設計方法對床身導軌進行初步確定。
（2）床身導軌系統載荷求解與分配。機床在工作過程中，由于零件與機床之間的相對運動，機床本身的載荷是非常復雜的，而機床導軌的載荷采用機床常規工況下的載荷作為研究對象，也就是機床的切削參數，將機床切削時的載荷分配到機床導軌上，將切削參數產生的3 個力分配到機床導軌上之后，根據靜力平衡原理，再將載荷等效地分配到導軌系統的3 個組成部分上，最終求得導軌每個部件所受的力。
根據上述理論進行距離說明，利用斜床身車床進行載荷分析計算，斜床身車床是兩軸聯動機床，床身為45°結構形式，具有載荷強，吸震性好的優點，如圖3 所示:
圖3 斜床身車床三維示意圖
根據機床的使用情況，選取床身連接主軸、床鞍、尾座時的受力載荷，滑板、床鞍與刀架連接所受的載荷，主軸箱、尾座與主軸以及尾座套之間的載荷，選取這3 處工況進行載荷分析。利用功率法求切削力，計算公式如下:
式中， F c、F P、F f 為主切削力、背向力和進給切削力;PE、Pc 為主軸電機功率和切削功率;η 為能量傳遞效率;v 為切削速度。
（3）床身導軌系統各部件性能研究。對導軌的3 個組成部分進行結構形式和剛度特性研究。
（4）床身導軌系統位移求解與疊加。根據上邊各個部件載荷分布與大小，再結合機床導軌的整體剛度特性，將導軌在工作過程中各部件位移情況進行求解，圖４為導軌系統位移的一種形式。
圖４ 床身導軌位移示意圖
床身導軌系統在不受載荷情況下，各個零件部件處于相對理想位置，通過對各部件建立坐標系，會發現坐標系的原點會在一條直線上，但是床身導軌在受到外載荷作用時，坐標系會發生變化，而各部件也會發生位移。
對床身導軌每個部件的坐標系進行分解，會求解出坐標系矢量疊加后在一個方向上，這個方向就是部件位移方向，通過導軌系統位移疊加最終求得導軌系統位移優化方向。
（ 5 ） 床身導軌系統尺寸優化。尺寸優化是消除各部件之間的影響，利用模型最終確定合理尺寸特征，分別通過結構件相對性能和約束，再通過尺寸作為變量，對機床導軌進行優化，優化時將導軌尺寸進行重新計算，選擇合理結構進行檢驗，最終確定符合實際的尺寸，確定機床導軌的零件圖。
3.床身結構設計
導軌結構設計的流程為: 確定設計指標、建立物理模型、概念設計、結構方案設計、尺寸優化、性能分析與評價、方案確定。
3.1床身結構的設計指標
為了保證機床加工的精度，機床導軌的基本設計指標要滿足強度高、靜態剛度高、使用壽命長等要求。在設計一些大型或結構件質量大的機床時，質量應作為機床設計的指標; 但是在一些基本指標相同的情況下，質量又小的時候，很難找到設計指標，這時導軌的設計可以根據機床的剛度和材料等指標; 有的機床在設計時需根據客戶進行特定設計。
3.2機床結構物理建模
主要的結構建模為幾何建模、載荷求解、約束等效和設定材料屬性等。幾何建模包括數字化建模和基礎優化初始建模，后者的建模包括軸承、絲杠等零件的建模，載荷求解是對床身導軌系統的載荷計算，載荷主要是由主軸箱、尾座、床鞍等部件產生的，載荷求解是根據靜力平衡方程。約束等效是機床床身上的部件與其配合或者相鄰構件之間的連接，它們之間會產生一種相互之間的約束。這些約束等效形式的合力會影響床身導軌的精度。設定材料屬性是基于機床構件各自的功能要求，根據機床床身結構件材料的實際特性進行優化，如螺紋材料的鋼、床身本體的鑄鋼。
3.3 床身概念模型設計
概念模型就是利用床身拓撲優化設計尋找最優傳遞路徑，床身拓撲優化有限元模型的建立是通過建立優化區域和非優化區域，設定工況載荷、約束、工藝性能等參數，完成優化模型處理后對床身進行六面體網格劃分，對床身進行結構優化，目的是利用較少的材料滿足機床的設計要求和性能，降低制造成本。
3.4 床身構型方案設計
床身構型方案設計是對初始提出的模糊設計模型，不具備制造工藝的方案進行工藝上的合理設計，因此在床身設計方案的確定上需要人工修正。床身構型可以分為外部壁板、內部壁板、主筋板三種模型設計。
3.5 床身尺寸優化
尺寸優化是利用有限元軟件對床身進行性能參數與特征尺寸數據處理，常用的軟件為ANSYS 模塊workbench。
3.6 床身性能分析
將床身性能分析參數作為性能分析與評價的依據，再建立床身性能分析模型，最后根據床身的性能分析結構對比優化前后床身本身發生的變化，包括床身的質量、靜剛度等，最終得到床身優化分析的結果，評價出較為合理的結構方案。在機床床身優化前后對比中，優化后的指標一定會比之前好。通過靜剛度的對比，會發現床身的X 方向或Y 方向上的剛度會比優化前有所提高。機床質量的優化是一個很重要的指標，不僅會節省機床生產材料，還會降低能耗，達到節約成本的目的。
4.結語
機床導軌的精度關系到整體機床的性能，而導軌的設計是導軌精度的前提。如何在導軌結合面接觸形式不改變的前提下，保證導軌的接觸長度改變，從而使機床性能達到最優是關鍵。現代機床導軌的設計，可以使用機床載荷力學模型，分析機床床身的載荷，求解機床導軌的受力情況，設計出精度高的導軌。但是，單一地提高機床導軌的性能，還不能有效提高機床整體性能。機床是一個整體，只有將機床的每個零件充分優化，才能有效提高機床性能。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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