ys3112高速干切滾齒機床身結構設計

1、Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityBed Structure Design of YS3112 High-SpeedDry-Cutting Gear Hobbing MachineUndergraduate: Yang Xiao Supervisor: Prof. Cao HuajunMajor: Mechanical Design & Manufacturing& AutomationCollege of Mechanical Engineering Chongqing UniversityJune 2011重慶大學本科學生畢業(yè)

2、設計（）摘 要摘要滿足綠色需求是現(xiàn)代業(yè)的一個重要特征，高速干切滾齒機是齒輪制造業(yè)的主要裝備，本文以 YS3112 高速干切滾齒機為研究對象，其重要結構部件床身的特點，重點探討了 YS3112 高速干切滾齒機的床身結構設計。首先，深入探討課題研究背景，對高速干切滾齒機及床身結構設計的國內外研究現(xiàn)狀進行了綜述，明確的研究內容及意義。其次，從高速干切滾齒機床身結構特點、材料的選擇等方面著重分析了 YS3112高速干切滾齒機床身結構設計的要求，了高速干切滾齒機床身結構設計流程。再次，利用 CAD 三維建模技術，結合 YS3112 高速干切滾齒機床身結構的特點建立了機床床身的三維模型。最后，建立了高速干

3、切滾齒機床身結構有模型，并通過 ANSYS進行了動靜力分析、熱變形分析以及模態(tài)分析。對其：YS3112，高速干切，滾齒機，床身結構設計I重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）ABSTRACTABSTRACTTo meet the demand of green manufacturing is an important feature of modern manufacturing, high-speed dry-cutting gear hobbing machine is the main equipment of gear production, this paper studies on YS3

4、112 high-speed dry-cutting gear hobbing machine, basing on the characteristics of its important structural components (the bed), this paper focus on the bed structure design of high-speed dry-cutting gear hobbing machine.Firstly, this paper deeply introduces the research background, analyzing presen

5、t research situation on high-speed dry-cutting gear hobbing machine of domestic and foreign, and also the bed structure design. Based on those, it puts forward the research content and the significance.Secondly, according to the characteristics of YS3112 high-speed dry-cutting gear hobbing machines

6、bed, structural analysis, selection of material and so on, it deeply analyses the bed structure of high-speed dry-cutting gear hobbing machine, and introduces the design process of high-speed dry-cutting gear hobbing machines bedstructure.Then, with the use of 3d ming technology of CAD, on the basis

7、 of thecharacteristics about YS3112 high-speed dry-cutting gear hobbing machines bed, amis to be established.Finally, this paper builds up a finite element m, and uses ANSYS to makesome research on the bed, such as statics analysis, dynamics analysis, thermaldeformation analysis, and also manalysis.

8、Key words：YS3112, high-speed dry-cutting, gear hobbing machine, bed structuredesignII重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）目 錄目錄摘要IABSTRACTII1 緒論11.1 本的研究意義及來源11.1.1 本的研究意義11.1.2 課題來源21.2 國內外相關領域的研究現(xiàn)狀21.2.1 干切削技術的國內外研究現(xiàn)狀21.2.2 高速干切滾齒機的國內外研究現(xiàn)狀31.2.3 床身結構設計的國內外研究現(xiàn)狀41.3 本研究的內容51.4 本章小結62 YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計流程72.1 YS3112 高速干切

9、滾齒機床身的特點72.1.1 概述72.1.2 YS3112 高速干切滾齒機床身材料分析72.1.3 YS3112 高速干切滾齒機床身結構特點82.1.4 YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計要求92.2 YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計過程分析102.3 本章小結133 YS3112 高速干切滾齒機床身結構的建模143.1 CAD 三維建模技術及 UG簡介143.1.1 CAD 三維建模技術簡介143.1.2 UG簡介143.2 YS3112 高速干切滾齒機床身結構的實體建模153.3 本章小結174 YS3112 高速干切滾齒機床身結構的有分析184.1 有分析簡介184.1.

10、1 有法簡介184.1.2 ANSYS 簡介184.2 YS3112 高速干切滾齒機床身結構有分析20III重慶大學本科學生畢業(yè)目 錄模型的建立204.2.1 YS3112 高速干切滾齒機床身有4.2.2 YS3112 高速干切滾齒機床身的動靜力分析214.2.3 YS3112 高速干切滾齒機床身的熱變形分析244.2.4 YS3112 高速干切滾齒機床身的模態(tài)分析254.3 本章小結285 結論29參考文獻30致謝32IV重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）1 緒論1緒論1.1 本1.1.1 本的研究意義及來源的研究意義業(yè)是實現(xiàn)中華民族偉大復興的支柱產業(yè)，給帶來了極大的物質，同時也豐富了人們的生活，

11、但業(yè)建立在以資源消耗為代價的基礎上，嚴重影響著環(huán)境。隨著環(huán)保意識的逐漸增強，綠色已被越來越多的人接受。齒輪是不可或缺的機械零件，滾齒機則是齒輪的主要機械，對滾齒相關方面進行研究將會完善滾齒技術以及提高齒輪的精度?，F(xiàn)代企業(yè)要想提高競爭力，必須在成本(C)、時間(T)、質量(Q)、對環(huán)境的影響(E)、資源消耗(R)這五個方面下功夫，科學技術的飛速發(fā)展使得的更新?lián)Q代速度快，上市時間更是短暫，因此業(yè)必須高速、快速化，從而提高生產效率。20 世紀 80 年代以來，高速切削(HSC)技術得到了日益廣泛的應用。高速切削具有降低切削力、工件熱變形小等特點，為干切削提供了有利條件1。20 世紀 90 年代中期，

12、高速取得并被不斷應用于生產，工業(yè)發(fā)達開始重點研究切削工藝中的干切削。經過不到六年的時間，干切削技術就進入到推廣應用階段，并地應用到了工業(yè)生產中。作為綠色戰(zhàn)略實施的具體體現(xiàn)，干切削目前已經成為工程領域的研究熱點之一2。齒輪具有傳動平穩(wěn)、傳動比精確、工作可靠、傳動效率高、速度和范圍大等優(yōu)點，被廣泛用于各種機械和儀器儀表中3。齒輪多種多樣，按中有無切削，可分為無切削精度，是齒輪的主要和有切削，按其兩大類。齒輪的有切削分為成形法和具有良4是采用法兩種。滾齒法根據(jù)齒輪嚙合原理來進行的，用這種加工出來的齒形輪廓是刀具切削刃軌跡的包絡線。只要模數(shù)和齒形角相同，即使齒數(shù)不同的齒輪，都可以用同一把刀具來。滾齒過

13、程是連續(xù)的，有插齒和刨齒那樣的空行程，故其生產效率高，屬于量大面廣的機械；滾齒的操作和調整十分簡便，不僅可以直齒易于輪，而且可以螺旋角不同的各種斜齒，因而其通用性好；滾齒保證被齒輪有較精確的齒距，這一特點使其特別適合于要求調節(jié)累計誤差小的各種齒輪。滾齒可直接89 級精度齒輪，也可用作 7 級以上齒輪的粗及半精。滾齒可以獲得較高的精度，但滾齒時齒面是由滾刀的刀齒包絡而成，參加切削的刀齒數(shù)有限，因而齒面的表面粗糙度較大。為了提高滾齒的精度和齒面質量，粗精滾齒。由于滾齒具有上述突出的優(yōu)點，因1重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）1 緒論，據(jù)統(tǒng)計，目前世界上生產的齒輪中，45%左右屬于此它是最常用的齒輪滾齒。

14、高速干切滾齒是滾齒工藝的一種先進工藝技術，具有高速干式切削高效環(huán)保、且在達到一定生產規(guī)模情況下成本低的特點。在當前利用綠色制造技術實現(xiàn)我國業(yè)可持續(xù)發(fā)為必然趨勢的背景下，采用有利于環(huán)保的齒輪技術高速干切滾齒技術，對先進技術體系及金屬切削理論的完善和我國機械業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義5。高速干切滾齒機6作為典型的機械裝備，在齒輪行業(yè)占有重要地位。滾齒機床身作為重要的結構大件，支撐著工件、主軸箱等關鍵零部件，承受著切削力、重力等靜態(tài)力和動態(tài)力的作用。床身結構7的合理性和性能的好壞直接影響著機床的成本、各部件之間的相對位置精度和各部件相對軌跡的準確性，從而影響著工件的質量，間接影響著機床所具的耐用度，

15、同時也到機床是否能安全可靠的工作。了解機床床身的結構特征，進行合理優(yōu)化的結構設計，將避免機床在使用中的不必要損失，提高其使用性能，使它滿足機床對質量和精度的要求。綜上所述，傳統(tǒng)的滾齒機已經不能滿足現(xiàn)高漲的環(huán)保要求和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，面向綠色產實際的需要，為了適應日益、高效的高速干切滾齒無疑是齒輪的良好選擇，而滾齒機床身結構到滾齒機的性、滾齒機的生產成本，更制約著滾齒機的質量。從這個方面來說，對高速干切滾齒機的床身結構進行合理的設計非常必要。有鑒于此要，本著重探討了采用環(huán)保高效的高速干切削技術進行滾齒的 YS3112 高速干切滾齒機床身結構的設計，對其床身結構進行三維建模，并完成床身有1.1.2

16、課題來源分析。本研究內容來源于“十二五”支撐計劃項目“機床再業(yè)化”。成套技術及產1.2 國內外相關領域的研究現(xiàn)狀1.2.1 干切削技術的國內外研究現(xiàn)狀干切削技術是上世紀九十年代在全球日益高漲的環(huán)保要求和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略背景下發(fā)展起來的一項綠色切削技術，1995 年干切削的科學意義正式確立以后，干切削技術開始在工業(yè)界和學術界引起廣泛的關注。干切削是一種理想的綠色工藝，據(jù)統(tǒng)計，目前德國有 20%左右的企業(yè)采用干切削技術，并且在干切削的研究和應用方面處于世界領先地位。日本在這方面也進行了大量研究，開發(fā)了幾種不用切削液的干式中心，在2重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）1 緒論其中的一種中心上，采用液氮冷卻的干

17、切削系統(tǒng)從空氣中提取高純度氮氣，常溫下以 56 個大氣將液氮送往切削區(qū)實現(xiàn)干切削。研發(fā)的“紅月牙”鑄鐵干切技術使切除率達到 49cm3/min，生產效率提高了 2 倍多。其它如英國、加拿大等工業(yè)發(fā)達也進行了干切削技術的研究，部分業(yè)展開相關工作。同樣重視干切削技術的研究，并積極鼓勵和支持我國一些高校對干切削技術進行了研究和探討，如重慶大學、哈爾濱工業(yè)大學、山東大學、刀具涂層、工業(yè)大學、合肥工業(yè)大學等在干切削的刀具設計、刀具材料、方式等方面進行了較系統(tǒng)的研究。成都工具研究所、等對超硬刀具材料(如陶瓷、立方氮化硼、石等)及刀具涂層技術進行了系統(tǒng)的研究并取得不少的研究成果機床研究所開發(fā)的 KT 系列中

18、心能夠實現(xiàn)高速干切削。我國陶瓷刀具已具有一定的生產能力，這給干切削技術的研究與應用提供了初步的技術基礎。總體來說，我國干切削技術的理論研究還不夠成熟，與國外相比較大的差距，更值得注意的是，任何科學技術只有轉換到實際生產的應用中才具有價值，而我國干切削技術在對干切削的研究和應用的推廣刻不容緩2。1.2.2 高速干切滾齒機的國內外研究現(xiàn)狀業(yè)中的應用范圍窄，加快與濕式切削相比，高速干式切削滾齒機切削速度高，可以完全不使用切削液或者使用極少量的切削液，不但提高了機床的生產效率、降低了工件的成本，而且更有利于環(huán)境保護和自然資源的節(jié)約。隨著世界范圍內環(huán)境保護意識的日益提高和對低成本的追求，高速干式滾齒機必

19、將成為齒輪商的新寵，高速干式滾齒機是滾齒機發(fā)展的趨勢。在干式切削滾齒方面，德國利波海爾公司早在十幾年前就開始研究高速干式切削滾齒機，三菱重工則是最早將高速干式切削滾齒機商品化的商。三切滾齒機，切削速度是傳統(tǒng)滾切速度的 2 倍，達到菱公司推出了世界上第一了 200m/min。配合該公司專門設計的涂有涂層的 MACH7 高速鋼滾刀，在加工汽車末級傳動齒輪、大型載重齒輪、汽車小齒輪及行星齒輪時均取得了較理想的效果，使生產成本降低 40%；Gleason 公司用硬質合金滾刀在 Phoenix 機床上用干切削錐齒輪，滾刀轉速高達 3000r/min，與傳統(tǒng)的高速鋼刀具相比，切削時間降低 50%，而且表面

20、粗糙度顯著降低，幾何精度大為提高3。近幾年，國際上著名的滾齒機商都在集中精力研發(fā)高速干切滾齒機8。德國利波海爾公司的 LC80 系列滾齒機，格里森集團公司的 GP130 系列滾齒機，三菱重工公司的GN10 系列滾齒機等均采用高速干式切削技術進行滾齒。其中，GP130 系列滾齒機可以不使用切削液。三菱重工在 GE 系列干式切削滾齒機中追加并推出了最大直徑為 250mm 的 GE25A，這種滾齒機帶有倒角裝置，3重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）1 緒論GE25A 在提高主軸與載物臺轉軸剛性的同時降低了發(fā)熱，并且提高了滾刀架的熱需要 90 秒的切削時盤和油壓裝置等外容量。由于能夠在高速條件下，因此使老式

21、濕式間減少了一半，刨除工具費以外，成本可減少 30%。由于部裝置都實現(xiàn)了模塊化，更容易適應生產線編制及布局變更。此外，還縮短了滾刀架正面到滾刀中心的距離，并且采用了圖形畫面，由此提高了可操作性9。就目前來看，國內擁有 4滾齒機3，其中絕大部分是上世紀 60、70 年代的，急需更新?lián)Q代。20 世紀 80 年代以后國內生產的滾齒機的技術含量有所提高，其主要特征是機床的數(shù)控化。在滾齒機設計技術方面，主要經歷了兩個研究階段：從傳統(tǒng)機械式滾齒機通過數(shù)控改造發(fā)展為 23 軸(直線控高效滾齒機；全新的六軸動數(shù)控高速滾齒機的開發(fā)。軸)實用型數(shù)面對全球化的機遇和，國內也開始了高速干切滾齒機的研發(fā)工作，是重慶機床

22、廠研制的 YKS3112 六軸并取得了一定的進展，標志性動數(shù)控高速滾齒機，這是一種干切、濕切兩用的滾齒機。僅就高速而言，YKS3112與國外類似滾齒機相比尚有一定的差距3。2008 年以來，國內齒輪行業(yè)興起了一股干切熱潮，各種干切的消息層出不窮，如在非常簡易的國產機使用涂層高速鋼刀具進行干切以及在天津機使用涂層高速鋼刀具進行干切，底盤在奧利康 C 系列機使用硬質合金涂層刀具進行過數(shù)次弧齒錐齒輪干切，株洲齒公司在鳳凰 600HC 機輪進行過許多次干切、濕切試驗，且部分已進行了批量生產10。重慶機床集團研發(fā)出的七軸動數(shù)控高速干切自動滾齒機 YS3116CNC71112，可實現(xiàn)七軸數(shù)字和四軸聯(lián)動自動

23、干式切削，不需要切削液，實現(xiàn)了綠色環(huán)保60，其效率是濕式切削的 23 倍，單件成本僅占傳統(tǒng)滾齒的精度可達到 GB10095 的六級精度，該機床完全能夠滿足汽車、摩托車等行業(yè)高精度、大批量的齒輪要求，達到了當今國際先進水平，屬國內首創(chuàng)并擁有全部知識產權。2010 年 8 月，重慶機床集團繼而推出了新一代七軸動高速干切滾齒機 YE3120CNC7，其特點是：結構緊湊、節(jié)能環(huán)保性能和可靠性突直徑為 210mm，最大加出、效率高，以及高性價比等特點，此機床最大工模數(shù) 4mm，主軸最高轉速可達 2000r/min，精度能夠達到 GB/T10095.1-2008的 6-6-7 級，可以用于各種直、斜齒輪、

24、雙聯(lián)或多聯(lián)齒輪、小錐度齒、蝸輪、齒、鏈輪、花鍵等，特別適用于摩托車、汽車、起重機械、流體機械等行業(yè)13。的大批量齒輪1.2.3 床身結構設計的國內外研究現(xiàn)狀床身是機床的基礎支撐件，承載著機床大多數(shù)其它執(zhí)行部件，其結構的合理性和性能的好壞直接影響著成本和各部件之間的相對位置精度，進而影響機4重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）1 緒論床的性能。因此，高速干切滾齒機床身結構設計是高速干切滾齒裝備研究和開發(fā)的一個重要方面。20 世紀60 年代后期，計算機技術的發(fā)展地促進了有工程實踐的應用，從而實現(xiàn)了計算機技術和有理論的結合，大大提高了機床床身結構設計的效率和質量。機械工程師學會的“Optimal synth

25、esis of compliant mechanisms usingsubdivision and commercial FEA” 14一文里，利用了有對機械結構分析，并且使用全程參數(shù)化設計技術對其進行拓撲優(yōu)化，仔細全面地分析了設計變量對優(yōu)化程序的影響。國外機床床身結構設計的特點主要體現(xiàn)在以下三點：其一，分析與設計平行。從滿足一定性能要求為目標的結構選型與結構設計，到具體設計方案的對比、確定及設計方案的模擬實驗。在床身結構設計過程中，各個階段均涉及到結構分析，床身結構分析作為一條主線貫穿了整個設計過程，由這種方式確定的床身結構設計方案基本上就是最終方案。其二，結構優(yōu)化的思想被用于設計的各個階段

26、。利用優(yōu)化設計的相關理論對設計出的床身進行結構優(yōu)化，不但可以設計出更加符合要求的床身結構，而且能夠降低生產成本。其三，用大量虛擬實驗代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物實驗。虛擬實驗不僅能夠在沒有實物的條件下進行，而且具體實施過程迅速、量大。依靠虛擬實驗可以從多個設計方案中選出最優(yōu)方案，減少設計的盲目性，同時也能夠及早發(fā)現(xiàn)設計中生的成本，縮短設計用時15。的問題，從而減少設計所產國內在對機床床身結構進行設計時采用經驗設計法16。例如等17在提高一種數(shù)控機床床身動態(tài)特性的結構優(yōu)化設計中運用有變量化分析技術和結構動態(tài)設計原理，重慶理工大學的等18在對一種精沖機床床身結構進行有分析時，根據(jù)分析結果提出了機身結構的一些改進

27、方案，并進行了分析，結果得到了更優(yōu)的設計方案，且改進后的床身靜力學性能得到了進一步的提高。，這些研究促進了床身結構優(yōu)化設計技術的發(fā)展，對床身設計參數(shù)進行動、靜態(tài)多目標優(yōu)化設計的研究卻不多，因而機床床身結構常常難以獲的19研究了一種數(shù)控得最優(yōu)的設計結果。為了解決這個問題，南京鍛壓機床的床身，在保證床身結構各項靜、動態(tài)性能滿足設計要求及工作標準的前提下，通過使用有法對該鍛壓機床床身結構進行多目標優(yōu)化設計，從而提高床身的和抗振能力，減小變形的同時減輕床身的質量。1.3 本研究的內容實施綠色是業(yè)發(fā)展的必然趨勢，齒輪是重要的機械，而滾齒機將近占制齒機床數(shù)量的一半，是業(yè)必備的之一。滾齒機床身結構關系到滾齒

28、機的結構性、精度以及生產成本，更制約著滾齒機的質量。5重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）1 緒論從這個方面來說，對高速干切滾齒機的床身結構進行合理、優(yōu)化的設計非常必要。本文將結合 YS3112 高速干切滾齒機的特點進行床身結構設計及三維建模，完成床身有分析。各個章節(jié)的主要內容如下：第一章 緒論，深入探討了研究背景，分析了高速干切滾齒機的國內外研究現(xiàn)狀，并總結了床身結構設計的國內外研究現(xiàn)狀，在此基礎上，明確了本的研究內容。第二章 YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計流程，從高速干切滾齒機床身的特點、結構分析、材料的選擇等方面著重分析了滾齒機的床身結構設計要求，了高速干切滾齒機床身結構設計流程。第三

29、章 YS3112 高速干切滾齒機床身結構的建模，了 CAD 三維建模技術UG NX4.0 的相關情況，結合第二章高速干切滾齒機床身結構設計和三維建模的要求對設計出的滾齒機床身進行三維建模。第四章 YS3112 高速干切滾齒機床身結構的有分析，本章開頭簡要模型轉化，最后利用了有ANSYS分析，然后將建立起來的床身實體模型向有對滾齒機床身模型進行靜力、動力、熱變形以及模態(tài)分析。第五章 結論，在前面研究工作的基礎上，提出了相關結論。1.4 本章小結本章概述了高速干切滾齒機床身結構設計的目的及意義，第二節(jié)參考相關文獻論述了國內外在高速干切滾齒機床身結構設計方面的研究現(xiàn)狀，第三節(jié)簡單概括了本研究的主要內

30、容。6重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）2 YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計流程2YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計流程2.1 YS3112 高速干切滾齒機床身的特點2.1.1 概述科學技術的不斷發(fā)展，給機床帶來了巨大的，對于現(xiàn)代機床來說，高性能、高精度、高速度、高柔性化和模塊化是其發(fā)展趨勢。與常規(guī)切削相比，高速切削具有獨特的優(yōu)點，除極大地提高了生產率以外，其另一明顯優(yōu)勢是可以得到很高的零件齒機作為齒輪表面質量，此外還可以在無冷卻液的情況下進行干切削。滾的主要裝備，對滾齒質量的影響無疑是巨大的，機床床身作為滾齒機的一個重要的結構大件，它起著支撐工件和主軸箱、大小立柱等關鍵零部件的作用，

31、直接到齒輪的精度和表面粗糙度等。2.1.2 YS3112 高速干切滾齒機床身材料分析近年來，很多公司和科研對滾齒機床身材料做了大量研究?？梢杂米鳚L齒機床身材料的有：灰鑄鐵、鋼材焊接件、礦物鑄件和輕質材料。通過次的研究發(fā)現(xiàn)，滾齒機床身的材料需要具有如下特點： 耐磨性和耐腐蝕性良好； 熱性和性良好；成一定形狀； 可根據(jù)結構需要 滿足床身結構的、強度及性等要求。長久以來，灰鑄鐵材料因具有的典型優(yōu)勢而作為床身的主要材料20?；诣T鐵的性好，體收縮和線收縮小，鑄造性能良好，容易獲得形狀復雜的鑄件，在鑄造中加入少量合金元素可提高耐磨性能?；诣T鐵的切削性能好，精度高，工藝成熟。機床運行時轉速很高，容易產生振動

32、，而笨重的灰鑄鐵材料及其高含量的以起到減震的效果?；诣T鐵材料強度、都很高，塑性變形小，不易產生形變。雖然灰鑄鐵生產周期長、廢品率高、減震性能差、阻尼特性不突出，但是灰鑄鐵的造價低，對于超重的機床床身而言其性價比最高。因而本設計的 YS3112 高速干切滾齒機床身，材料采用灰鑄鐵。除了灰鑄鐵以外，還可以用鋼材焊接成床身，并根據(jù)受力情況布置肋板，其造型簡單迅速，對單間小批量生產適應性較強。由于鋼的彈性模量比鑄鐵大，在同樣的載荷條件下壁可以做得比鑄鐵輕，固有頻率高。但不應過分追求重量上的輕巧，壁厚不宜太薄，須適當增加肋板防止薄壁振動。鋼的內摩擦阻尼小較，材料的內阻尼僅占整臺機床總阻尼的 10%，而各

33、零部件結合處的阻尼占 90%左右，所以材料的內阻尼對整臺機床的影響較小。另外，焊接結構的焊縫本身有阻尼作7重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）2 YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計流程用，采用焊接蜂窩狀夾層結構及封閉式箱型結構，可有效地提高抗振能力，并保證有高的扭轉和彎曲。鋼材焊接件結構復雜，承受的工作載荷大，抗變形能力差，焊接裂紋處易產生疲勞，焊接施工難度大21。礦物鑄件(國內稱作人造花崗石)是一種新型結構材料，與傳統(tǒng)床身材料鑄鐵相比較，礦物鑄件對熱不敏感、導熱系數(shù)低，受環(huán)境溫度影響??；吸振性能好、穩(wěn)定性高；環(huán)保、低能耗；在常溫下經一次澆制即可成形，生產工序少20，且形狀工整、表面光滑、精確，

34、極大地降低了后續(xù)的機械切削工作量；對酸堿不敏感，耐蝕性好，切削液對其損壞小等等，因而礦物鑄件被廣泛應用于高精度。目前，歐美等工業(yè)22廣泛應用人造花崗石，提高了和高速的機械性能和精度，我國在這方面的研究起步晚，目前已取得一定成果。礦物鑄件是一種面向未來的環(huán)保材料，將以其價格和性能優(yōu)勢替代傳統(tǒng)的鑄鐵來床身。機床近年來，纖維增強聚合物基材料、蜂窩鋁，金屬等輕質材料23開始應用到機床行業(yè)，這類輕質材料在減重、阻尼和精度方面具有明顯優(yōu)勢。就三明治夾層結構為主導的輕質材料和結構而言，它們的芯層材料纖維增強復合材料、金屬、中空球形復合材料、聚合物、點陣材料和蜂窩材料等，其在機床的支撐件如床身中發(fā)揮的作用越來

35、越重要。金屬材料具有很物理以及力學性能，機床床身采用填充提高機床固有頻率。金屬的中空部件和夾層結構能夠減輕床身重量，2.1.3 YS3112 高速干切滾齒機床身結構特點高速是指 5 到 10 倍于常規(guī)切削速度進行切削的一種高速，度大，極高速時，主軸轉速高、輸出轉矩及輸出功率大、進給速度高、大地提高了時間內的材料切除率，從而提高了生產效率。高速切削過程中，超過 95%24的切削熱在來不及傳給工件的情況下就被切屑迅速帶走。任何事物都具有兩面性，在利用高速滾齒到揚長避短。優(yōu)點的同時更應該避免它的不足，做滾齒過程中，切削時所耗費的能量除了 1%2%用以形成新的表面和以晶格扭曲等形式形成潛藏能外4，剩下

36、的都轉化為熱能，且熱能集中在較小的幾個變形區(qū)內，這使得刀具和切屑接觸區(qū)域的溫度很高，速度極快。高溫不僅影響著滾刀的磨損，也影響著工件的表面質量和精度。傳統(tǒng)的滾齒靠切削液來提高切削質量，同時，切削液的使用能夠延長滾刀，減少工件的熱變形，減少刀屑與工件的摩擦，使切削順利排出，將切屑從機面質量，起到冷卻、潤滑和工件的作用。沖走，提高已齒高速干切滾齒機進行滾齒時，采用的是高速干式切削法，這種8重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）2 YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計流程是在無切削液的作用下用很高的切削速度進行滾齒。基于此，高速干切滾齒機的床身必須有其獨特的地方，以便快速地排出滾燙的切屑，快速地散發(fā)產生的

37、熱量，防止機床溫度升高。為了保證機床的剛性、熱平衡及排屑順暢，高速干切滾齒機宜采用高剛性的多層壁結構及方便排屑的大斜面結構。床身采層全對稱設計，合理布置床身內部隔板(采用“井”字形肋)和肋條，使壁結構且得在較小的重量下有較高的，這樣既保證了良剛性，又保證了熱平衡；排屑槽設計在機床的區(qū)域內，可快速地排出滾燙的切屑，此外，對于高速干式切削滾齒機，切屑的快速順利排除能夠避免高屑在機床中存留而引起機床各零部件產生熱變形。因此，機床區(qū)域內不能有凹面及大平面，盡可能設計成大斜面，同時在這些大斜面面上安裝一層表面光滑且具有隔熱作用的不銹鋼鋼板，以便利于切屑盡快落到排屑器中排出機床外，對于有可能積存切屑的地方

38、，如夾具的定位面，宜采用常規(guī)空氣將其吹走，這同時保證了定位面的清潔干燥。如果排屑槽使用絕熱材料，則高速干切滾齒機的熱量問題就要比使用冷卻液的傳統(tǒng)滾齒機更為簡單25。2.1.4 YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計要求高速干切削對滾齒機的要求主要對滾齒機的整體結構和輔助設施而言，床身作為結構支承件，是保證滾齒機工作的基礎大件。過程中，滾刀與工件之間相互作用的力沿著大部分支撐件傳遞并引起變形。在使用干切削技術且速度高的條件下滾齒，必然伴隨大量的熱產生，這勢必影響到素，YS3112 高速干切滾齒機床身結構應達到以下要求：精度。綜合上述因和較高的重量比24。足夠的靜和 床身具有足夠的靜重量比才能夠

39、保證機床在靜態(tài)載荷下不至產生大的變形，避免影響身最基本的要求。精度，它是床 床身具有足夠的強度和、較抗振性。強度是衡量床身承載能力（即抵抗失效能力）的重要指標；意指床身抗扭彎變形能力的床身整機的剛性，足夠的度的影響很大。能夠保證強力切削時機床變形??；床身抗振性能的強弱對精 床身結構簡單，重量輕，方便。床身結構力求簡單，筋的布置和壁厚的設計要合理，鑄造工藝性要好，床身整體重量輕從而節(jié)約材料降低成本，此外床身后續(xù)工作量要小，避免不合理結構的出現(xiàn)。 保證排屑順暢。滾齒機宜采用方便排屑的立式主軸布置，在床身上應留出排屑槽，從而使切屑在重力作用的參與下順利地落入排屑槽下方的切屑傳送裝置上，快速散發(fā)熱量，

40、防止機床溫度的升高。 采取隔熱措施。對于鑄鐵床身來說，宜使用保護罩來保護陡峭的傾斜壁，9重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）2 YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計流程防止切屑與機床部件間的直接接觸，如果排屑槽用絕熱材料對機床的影響將會更小等26。，那么高屑 保證熱平衡性。溫度不均會引起熱變形進而影響精度，例如可以將電機設置在機床的縱向軸上作為熱平衡結構。此外，床身應采用熱體鑄造框架式或龍門式結構，增加絕熱傾斜蓋板。性較整 對稱設計床身結構。調查顯示，干切削機床的對稱性設計極其重要。床身橫向對稱設計的同時增大床身面積，床身內部設計出具有熱補償能力的空腔，排屑器放置在機床 具有良等，這些措施可有效提

41、高滾齒機的動態(tài)特性。移動部件需要頻繁作往復能力和精度。，引起慣性力方向反不足，容易產生整機復改變，且切削中有交變載荷的作用，如果床身的動態(tài)振動，床身動態(tài)特性的好壞對機床的性能起到的作用。 具備較熱變形特性24。由于高速干切滾齒機的主軸轉速和進給速度遠高于普通滾齒機，所以由摩擦熱、切削熱等熱源引起的熱變形問題更為嚴重，同時高速干切滾齒機要求在連續(xù)工作的條件下保證工件的高精度，因而機床的熱變形問題尤其應該重視。在設計時，除了采取措施加強散熱之外，還要求床身熱特性好，熱變形小或者熱變形對精度影響小。減少機床熱變形的措施：改進結構以減少熱變形對通過熱變形自動補償裝置精度的影響；對機床發(fā)熱部位進行散熱、

42、強制冷卻；機床的。2.2 YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計過程分析機床床身結構設計過程本質上是一個對進行收集、分析、傳遞、采納使用的過程，該過程包含了兩個重要的方面：設計與。床身結構設計可以看作是設計活動和活動彼此交織相互作用的過程，設計活動推動流程向前演進，而盾、分析量輕的則是驗證設計結果的重要。實際身結構設計是一個發(fā)現(xiàn)矛和處理的復雜過程。例如，要求床身強度大、剛性好和床身重；、裝配精度高和成本低的等等。設計者應該盡可能地運用現(xiàn)代科技的最新成果，抓住主要，恰如其分地處理好各種次要，才能設計出高質量的機床床身。由于機床床身種類繁多，用途不一，性能結構差異很大，所以機床床身的設計過程有所

43、不同。根據(jù)床身設計的影響因素，總結出如下所示的 YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計流程圖（圖 2.1）：10重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）2 YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計流程相關標準研究目的研究內容實現(xiàn)途徑未通過審核通過床身長度床身寬度床身材料床身高度床身造型床身截面高寬比床身壁厚床身布局確定床身基本床身肋板布局肋板布置形式審核肋板幾何通過床身模型床身接口孔吊裝孔動、靜力分析、強度分析熱變形分析模態(tài)分析圖 2.1 YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計流程圖11完成設計ANSYS分析未通過審核通過未通過審核通過整理歸檔工藝文件三維轉二維工程圖三維建模床身設計床身特點設計要求

44、結構工藝性未通過三維實例庫國內外床身結構圖概念設計總體設計設計任務書質量功能配置需求分析重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）2 YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計流程作為 YS3112 高速干切滾齒機的重要支撐部件，其床身結構的設計必須滿足加工過程的需求。對于任何機械的設計來說，設計者首先應該根據(jù)、市場或者客戶的需要和使用要求來確定其功能范圍和工作指標，研究實現(xiàn)的可行性。在高速干切滾齒機床身結構設計的第一階段，依據(jù)市場調研分析的結果，運用質量功能配置的，在床身設計相關標準的基礎上，制定出設計任務書，在任務書中應該指出設計目的、設計內容以及實現(xiàn)途徑，任務書審核通過階段的設計工作。下一依靠現(xiàn)有資料，

45、深入了解國內外相關領域的研究現(xiàn)狀，在任務書規(guī)定的框架內，開始進行床身結構設計的第段概念設計與總體設計。高速干切滾齒機不同于傳統(tǒng)滾齒機，要實現(xiàn)高速和無切削液，其床身結構必然有其不同尋常的地方。設計者必須清楚高速干切滾齒機床身結構的特點，對其床身設計的要求了然于胸，充分考慮結構工藝性，在此基礎上進行床身設計。滾齒機床身結構的設計須以：所用材料能夠滿足床身的使用要求；床身造型美觀大方；床身布局合理，便于排屑；床身肋板的布置應該合理高效，用最少的肋板保證床身的的、強度；床身還應該對稱設計以求熱平衡，減少機床熱變形對精度。在這些設計工作的基礎上，確定出床身的長度、寬度、高度、床身截面高寬比、床身壁厚等基

46、本。通常來說，在這一設計階段中，往往要進行多方案和技術評價，從中選最佳方案。高速干切滾齒機床身結構設計的第三階段是依據(jù)三維 CAD 建模技術，在參考國內外床身結構圖的基礎上建立出床身模型、床身接口、孔、吊裝孔等的床身實體模型。在這一階段實施過程中，首先應當對所要建立的模型有大概的印象，明確床身模型建立的具體步驟，確定好模型建立的基準集合體。完成了床身模型的建立后，就可以利用 ANSYS 有分析對其進行相關分析，評估設計是否達到要求。對于高速干切滾齒機來說，其床身結構的有動靜力分析、熱變形分析和模態(tài)分析三個大部分。如果有分析應當分析滿足設計要求，下一階段的設計工作。設計出來的床身結構最終會被用于

47、實際生產，雖然實體模型便于感官，能夠直觀地看到床身的完整形狀，但是不能用于指導生產。根據(jù)建立床身實體模型和，畫出床身的二維工程圖，并設計出工藝文件。到此，完成了高速干切滾齒機床身結構的設計。機床床身設計過程的各個階段是相互緊密關聯(lián)的，在某一階段中發(fā)現(xiàn)的問題和不當之處，必須返回到前面有關階段去修改，因此，床身設計過程是一個不斷返回、不斷修改和完善，以逐步接近最優(yōu)結果的過程。12重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）2 YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計流程2.3 本章小結本章從 YS3112 高速干切滾齒機的床身材料，床身結構特點，床身設計的具體要求出發(fā)，在國內外現(xiàn)有資料的基礎上，著重探討了 YS3

48、112 高速干切滾齒機床身結構設計的詳細流程，了 YS3112 高速干切滾齒機床身結構設計流程。13重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）3 YS3112 高速干切滾齒機床身結構的建模3YS3112 高速干切滾齒機床身結構的建模3.1 CAD 三維建模技術及 UG3.1.1 CAD 三維建模技術簡介簡介20 世紀 50 年代后期，機械設計領域出現(xiàn)了依賴計算機軟、硬件資源、外部設備、開發(fā)環(huán)境等工具進行設計的 CAD 技術。CAD 是 Computer Aided Design（計算機輔助設計）的縮寫，作為是一門綜合性的設計技術，CAD 體現(xiàn)了傳統(tǒng)設計與計算機技術的有機結合。設計者運用 CAD，根據(jù)設計和流

49、程進行設計，通過人、機交互操作方式進行構思、概念設計、總體設計、詳細設計、分析計算、制定工藝，以及編寫技術文件等27。工業(yè)實際應用的需求催生了 CAD 技術的發(fā)展，隨著實際應用的需要，計算機新技術和新算法在 CAD 中不斷出現(xiàn)和發(fā)展。建模技術是 CAD 的技術，它經歷了二維建模、三維幾何建模(包含線框建模、曲面建模、實體建模)、特征建模(包含參數(shù)化建模、變量化建模)及進入 21 世紀以來，集成建模的發(fā)展過程。的迅速發(fā)展推動著全球由工業(yè)向的過渡，業(yè)化已成為發(fā)展的必然趨勢。采用高速、高效、低成本的 CAD 三維建模技術不但符合了綠色的大趨勢，而且有利于提高企業(yè)的競爭力。3.1.2 UG簡介CAD

50、三維建模技術在機械行業(yè)的使用，根本性地改變了機械的設計、工、裝配等環(huán)節(jié)，節(jié)約了開發(fā)成本28，大幅度提升了新產藝、分析計算、品開發(fā)效率， 縮短了上市時間。常用的三維建模技術有： AutodeskInventor，Solid Edge，SolidWorks，Pro/Engineer，CATIA，UG。UG (Unigraphics)是UGS 公司推出的 CAD/CAM/CAE集成，是一個交互式 CAD/CAM(計算機輔助設計與計算機輔助)系統(tǒng)，它功能強大，可以輕松實現(xiàn)各種復雜實體及造型的構建，被廣泛應用于航空、機械等行業(yè)，是公認的世界一流的 CAD/CAM/CAE之一。UG 最早應用于的麥道飛機公

51、司，是從二維繪圖、數(shù)控編程、曲面造型等功能發(fā)展起來29 。 90年代初， 通用汽車公司選中 UG 作為全公司的 CAD/CAE/CAM/CIM 主導系統(tǒng)，這進一步推動了 UG 的發(fā)展。在 UG 中，優(yōu)越的參數(shù)化和變量化技術與傳統(tǒng)的實體、線框和表面功能結合在一起，使得它被大多數(shù)機械設計及廠家所采用，幾乎所有飛機發(fā)動機和大部分汽車發(fā)動機都采用UG 進行設計，充分體現(xiàn) UG 在高端工程領域，特別是軍工領域的強大實力27。在本中，將運用 UG NX4.0 對高速干切滾齒機床身結構進行三維實體建14重慶大學本科學生畢業(yè)設計（）3 YS3112 高速干切滾齒機床身結構的建模模。UG NX4.0 實體建模是基于特征的參數(shù)化系統(tǒng)，具有交互創(chuàng)建和編輯復雜實體模型的能力，能夠幫助設計者快速進行概念設計和局部結構設計。另外系統(tǒng)還將保留每一步設計，與傳統(tǒng)基于線框和實體的 CAD 系統(tǒng)相比，它具有特征識別的編輯功能。UG NX4.0 面向生命周期而進行，涵蓋的概念設計、詳細設計、裝配、生成工程圖、運用分析和數(shù)控方面。它既可進行參數(shù)化設計也可以進行并行工程設計，其主要功能29如圖 3.1：UG NX4.0機構運動分析產品設計CAD性能分析CAE零件加工CAM產品宣傳布線圖 3.1 UG NX4.