機床導軌與床身結構設計研究
2017-11-23 來源： 沈陽（yáng）機床成套設備有（yǒu）限責任公司 作者（zhě）：張朝麟
【摘要】: 如何使機床（chuáng）導軌（guǐ）結合麵和支撐件實現高效率、低能耗，提高機（jī）床的（de）整體性能是現代機（jī）床發展的必要（yào）手段。文章（zhāng）分別探討（tǎo）了導軌結合麵尺寸設計、床身導軌尺寸設計、床身結構設（shè）計，優化機（jī）床性能。
【關（guān）鍵詞】: 導軌結（jié）合麵尺寸設（shè）計; 床身導軌 尺寸設計; 床身結構設計
1.導軌結合麵尺寸設計
機床導軌非常重要，其精度不僅影響機床整（zhěng）體性能（néng），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（kě）以分為安裝（zhuāng）麵、導軌和移（yí）動（dòng）構件3 個方麵。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麵的運動部件，如圖1 所示。
圖1 導軌結構示意圖
傳統導（dǎo）軌的設計原則如下:
（1）機床的最（zuì）大加工直徑決定導軌之間的跨距（jù），導軌的跨距越小，導軌的（de）接觸麵受（shòu）力越大，缺點是會使床鞍產生傾覆角。
（2）導（dǎo）軌的跨距受機（jī）床整體外形尺（chǐ）寸的限製，床（chuáng）鞍的剛度也會受到影響。
（3）機床導軌尺寸設計出一（yī）個範圍，後期再根（gēn）據（jù）設計人員優化進行（háng）尺（chǐ）寸設計。
導軌係統設計後（hòu）需要對其進行（háng）優化，優化方法是對機床（chuáng）導軌係統進行三維（wéi）模（mó）擬建模。建模的方法是模擬機床（chuáng）導軌係統，將移動件、導軌、導軌（guǐ）底（dǐ）麵進行模擬，優化設置分為優化目標、優化約束、設計變量3 個（gè）方麵。
（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麵（miàn）中心的最大變（biàn）量作為優（yōu）化目標。
（2）優化約束。約束是導軌結（jié）合麵體積分數要小於優化後（hòu）的。
（3）設計變量。將（jiāng）導軌結合麵的單（dān）位（wèi）密（mì）度作（zuò）為設（shè）計變量。
2.床身導軌尺寸設計
根據機床導軌的性能（néng）和尺寸設計（jì）一套機床床身導軌的設計流程，如圖2 所示:
圖2 床身導（dǎo）軌尺寸（cùn）設計流程
（1）床（chuáng）身導軌尺寸的初步確定不能根據（jù）設計者的意願進行設計，需要根據以往傳統設計方法對（duì）床身導軌進行初步確（què）定。
（2）床身導軌係統載荷求解與分配。機床在工作過程中，由於零件與機床之間的相對（duì）運（yùn）動，機床本身的載荷是非常複雜的（de），而機床導軌的載（zǎi）荷采用機床常規工況下的載荷作為研究對象，也就是（shì）機床的切削參數，將機床切削時的載荷分配到（dào）機床導軌上，將切削參數產生的3 個力分配到機床導軌（guǐ）上之後，根（gēn）據靜力平衡原理，再將載荷等效地分配到導軌係統的（de）3 個組成部（bù）分上（shàng），最終求得導軌每個部件所受（shòu）的力。
根據上述理論（lùn）進行距離說明，利用斜床身車床進（jìn）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（rú）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（huá）板、床鞍（ān）與刀架連接所受的載荷，主（zhǔ）軸箱、尾座（zuò）與主軸以及尾座套之間的載荷（hé），選取這3 處工況進行載荷分析。利用功率法求切削（xuē）力，計算公式如下:
式中， F c、F P、F f 為主切削（xuē）力、背（bèi）向力和進給切削（xuē）力;PE、Pc 為主軸電機功率和切（qiē）削功率;η 為能量傳遞效率;v 為切削速度。
（3）床身導軌（guǐ）係（xì）統（tǒng）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（chuáng）身導軌係統位移求解與疊加。根據上邊各個部（bù）件載荷分布與（yǔ）大小，再結合機床導軌的整體剛度特性（xìng），將導軌在工作過程中各部（bù）件位移情況進行求解，圖４為導軌（guǐ）係統（tǒng）位移的一種形式。
圖４ 床身導（dǎo）軌位移示意圖
床身導軌係統在不受載荷情況下，各個零件部件處（chù）於相對理想位置，通過（guò）對各部件建立坐標係，會發現坐標係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，坐標係會發生變化，而各部件也會發生位移。
對床身導軌每個部件的坐標係進行分解（jiě），會（huì）求解出坐標（biāo）係矢量疊加後在一個方向上，這（zhè）個方向就是部件位（wèi）移方向，通過導（dǎo）軌係統位移疊加最終求（qiú）得導（dǎo）軌係統位移優化方向。
（ 5 ） 床身導軌係統尺寸優化。尺寸優（yōu）化（huà）是（shì）消（xiāo）除各（gè）部件之間的影響（xiǎng），利用模（mó）型最終確定合理尺寸特征，分別通過（guò）結構件相對性能和約束，再通過尺寸作為變量（liàng），對機床（chuáng）導軌進行優（yōu）化，優（yōu）化時將導（dǎo）軌尺寸進行重新計算，選擇合理結構進行（háng）檢驗，最終確定（dìng）符合實際的尺寸，確定機床（chuáng）導軌的零件圖。
3.床身結構設計
導軌結構設計（jì）的流程為: 確定設計指標、建立物理模（mó）型（xíng）、概（gài）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（de）基本設計指標要（yào）滿（mǎn）足強度（dù）高、靜（jìng）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（dà）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（shè）計可以根據機床的剛度和材料等指標（biāo）; 有的機（jī）床在設計時需根據客戶（hù）進行特（tè）定設計。
3.2機（jī）床結構物理建模（mó）
主要的結構建模（mó）為幾何建模、載荷求解、約束等效和設（shè）定材料屬性等。幾何建模包括數（shù）字化建模和基礎優化初始建模，後者的建模包括軸承、絲杠等零件的建（jiàn）模，載荷求解是對（duì）床身導軌係統的載荷計算，載荷主要是（shì）由主軸（zhóu）箱、尾座（zuò）、床鞍等部件產生的（de），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（bù）件與其配合或者相（xiàng）鄰構件之（zhī）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（de）合力會影響床身（shēn）導軌（guǐ）的精度。設（shè）定（dìng）材料屬性是基於機床（chuáng）構件各自的功能要求，根據機床床身結構件材料的（de）實際（jì）特性進（jìn）行優化，如螺（luó）紋（wén）材料的鋼、床身本體的鑄鋼。
3.3 床身概念模型設計
概念（niàn）模型就是利（lì）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（xíng）處理後（hòu）對床身進（jìn）行（háng）六（liù）麵體網（wǎng）格劃分，對床身進行結構優化，目的是（shì）利用較少的材料滿足機床的設計要求和性（xìng）能，降低製造成本。
3.4 床身構（gòu）型方案設計
床身構（gòu）型（xíng）方案設計是對初始提出的模糊設計模型，不具備（bèi）製造工藝的方案進行工藝（yì）上的合理設計，因此在床身設計方案的確定上需要人工修（xiū）正。床身構（gòu）型可以（yǐ）分為外部壁板、內部壁板、主筋（jīn）板三種模型設計。
3.5 床身（shēn）尺寸優化
尺寸優化是利用有（yǒu）限元軟件對床身進行性能參數與特征尺寸數據處理，常用（yòng）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（fèn）析與評價的依據，再建（jiàn）立床身性能分析模型，最後（hòu）根據床身的性能（néng）分析（xī）結構對比優化前後床身本身發生的變化，包括床身的質量、靜剛度（dù）等，最終得到（dào）床身優化分（fèn）析的結果，評價出較（jiào）為合理的結構方案。在機床床身（shēn）優化（huà）前後對比中，優化後的指（zhǐ）標一定會比之前（qián）好。通過靜剛度的對比，會發現（xiàn）床身（shēn）的（de）X 方向或Y 方向上的剛度（dù）會比優化前有所提高。機床質量的優化是一個很重要（yào）的指（zhǐ）標（biāo），不僅會節省機床生產材（cái）料，還（hái）會（huì）降（jiàng）低（dī）能耗，達到節約成本的目的。
4.結語
機床導（dǎo）軌的精度關係到整（zhěng）體機床的性能，而導軌的設計是導軌精度的前提。如何在導軌結合麵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（xìng）能達到最優是關（guān）鍵。現代機床導軌的設計，可以使用機床載荷力（lì）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（dù）高的導軌。但是，單一地提高機（jī）床導軌的（de）性能，還不能有效提高（gāo）機床整體性能。機床是一個整體，隻有將機床的每個零件充分優化（huà），才能有效提高機床性能。
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