1、摘 要本次毕业设计的主要任务是龙门式可换头五轴联动加工中心 3D 设计。该机床具有很强的数控功能，是高效率高精度加工空间曲面类零件，如各类模具、水轮机和汽轮机叶片、三元流离心压气机、船用螺旋浆和推进器及螺旋锥齿轮的关键设备。可一次装夹工件在多种空间角度进行铣、镗、钻等工序加工，加工各种具有复杂轮廓表面、型腔的工件，可作铣镗、钻孔等加工。广泛适用于各种机械制造业，特别是模具制造业。它可以实现五轴控制、五轴联动，高速运转。主轴电机采用交流伺服驱动系统，可实现主轴的自动无级变速。该部分的主要内容是龙门立柱、床身及进给部件的 3D 设计。在掌握PRO/E 软件的基本功能后，对机床的各部件进行造型设计，
2、然后，进行装配和运动仿真，达到设计的目的。第一章 概 述第一节 加工中心加工中心是有机械设备与数控系统组成的适用于复杂零件加工的高效自动化机床。由于它具有自动换刀能力，能在一次装卡后完成多道工序，如钻、铣、镗、铰、攻螺纹、切内槽等加工，形成多工序自动换刀数控镗铣床，它用于加工各种箱体类、板类复杂零件。各种高精床加工中心，可代替精密坐标镗床，还可作为基础组成柔性制造单元和柔性制造系统。一、加工中心的定义加工中心(Machining Center 简称 MC)是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现代控制
3、理论、测量及传感技术及通讯诊断、刀具和应用编程技术的高技术产品，它综合了数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能并聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可在一次安装工件后，数控系统控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环形槽及攻螺纹等加工。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可以减少工件装卡、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床 34 倍，达 80%以上。所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综
4、合性机床。二、加工中心的发展历程及在我国的发展状况1952 年，美国麻省理工学院首次实现了三坐标铣床数控化，数控装置采用真空管电路。1955 年第一次进行数控机床的批量制造，年产量为 100台。数控铣床是电子技术、自动控制技术、机械技术的结合运用，是机械加工领域划时代重大技术性突破，数控机床利用编程软件，可方便地将简单工序集中起来，从而大大提高了零件的加工效率和加工质量，并具有相当大的柔性。在复杂零件工序高度集中时，必须频繁更换刀具，以便提高生产效率，为了解决自动换刀问题，最早出现了转塔头立式钻镗铣床，在转塔头上有6-12 根短主轴，每根主轴上装有一把刀具，当处于工作位置的刀具加工完毕之后，机
5、床控制转塔头松开，转位，让下一工序的刀具进入工作位置，夹紧转塔头之后，再继续加工，直至完成全部工序。1958 年，美国 K而杆件的抗弯刚度和抗扭刚度则除与断面的面积大小有关外,还取决于断面的形状。杆件的抗弯和抗扭刚度与杆件断面惯性矩成正比。(2) 床身断面形状的选择图 1 床身断面形状这类床身工作时，主要承受弯曲载荷，由于无需经床身排除切屑，所以顶面多采用封闭的，台面也不能太高，以便与工件安装调整。断面尺寸的 h/b 比一般小于 1。适用于小型无升降台式铣床、龙门刨床、龙门铣床、镗床、插床等。(3) 立柱断面形状的选择矩形闭式断面结构，内部有筋板和筋条，抗扭及抗弯刚度高，应用于复杂空间载荷的机
6、床，如铣床镗床等机床。断面尺寸 h/b 约为 1。图 2 立柱断面形状(4) 横梁断面形状的选择龙门机床的横梁工作时承受复杂的空间载荷，其龙门垂直方向上的刚度，对机床总刚度影响很大。刚度小的横梁的变形量，有时在机床的综合变形量中可占到 2040，其中又以扭转变形为主，占 60。根据受力情况，横梁的断面一般选取矩形封闭式断面。在横梁内部均布置有纵、横筋板合筋条。图 3 横梁断面形状2.筋板和筋条的布置（1） 基本概念开式断面的结构和半开式断面结构的抗扭刚度较差，在其内部安置筋板，可增加抗扭刚度。闭式断面结构，当尺寸大而壁薄时，在其内部安装筋板，可减小其局部变形和断面形状的畸变。合理布置大件内部的
7、筋板是提高大件刚度、减轻大件重量的重要途径之一。筋板之所以能够提高大件的刚度，是因为筋板能使大件外壁的局部载荷传递给其它壁板，使它们均衡地承受载荷，并将外壁的弯曲变形转化为筋板的拉伸和压缩变形，由于这类变形的值很小，因此可阻止外壁的弯曲变形，筋板可大大地加强大件的四壁一个整体的作用，在承受扭矩时，可减小形状的畸变。（1） 的筋板布置龙门铣床的床身相当于断面中三面封闭的铰支梁。半封闭式断面的铰支梁抗扭刚度较低，内部必须布置筋板。图 4 床身筋板布置形状（1） 横梁的筋板布置龙门型机床的横梁一般均为封闭式断面。闭式断面的铰支梁较其它断面的铰支梁的抗弯和抗扭刚度都高，但机床横梁的变形对机床加工精度的
8、影响很大， ，所以内部一般仍多布置有各种筋板或筋条。图 5 横梁内部筋板布置形状（2） 立柱的筋板布置立柱由于支承条件不利并承受复杂载荷，所以断面形状一般为闭式矩形或双矩形。长度和断面尺寸较大时，内部均布置有纵、横的筋板和筋条，以减少大件的局部变形和断面畸变，并提高抗弯和抗扭刚度。图 6 横梁内部筋板布置形状（3） 工作台的结构和筋板布置本机床采用矩形工作台，其宽度较大，为了减轻重量，提高刚度，均取断面为封闭式的箱形结构，为了保证工作台有足够的抗弯刚度，闭式断面的工作台内部均应布置纵向筋和大量的横向筋。横向筋一般每隔300400mm 布置一条，纵向筋布置在 T 形槽下，以减小台面卡紧时的局部变
9、形。工作台周围需安排水槽供排泄切屑液用。图 7 工作台结构示意图其中 槽数 9 槽宽 22 槽距 160 （单位：mm）3.机架外壁上的窗孔机架内部由于安置传动机构、液压、电气装置及线道管道等，因而在外壁及内部筋板上需要作出各种窗孔。窗孔的形状、大小及位置，对机架的刚度有一定影响，设计时需适当考虑。4.机架壁厚的选择机架的重量在一台机床的总重量中占很大比例，在节约金属材料方面有较大的潜力。机架的壁厚应在刚度要求和铸造工艺允许的条件下，尽量采用较小的值。根据实践的经验，铸铁机架的壁厚可根据大件外形的最大尺寸或外性空间尺寸来选定。筋板的厚度一般取壁厚的 80。机架在导轨处、与其它机架联结处及安装轴
10、承和轴承支架处的壁板和筋板，除需合理布筋外，还应适当增加厚度，以局部变形。外壁和纵向主筋 1020mm筋 816mm导轨支承壁 2332mm5.机架间的联接与固定机床的床身、立柱、横梁等机架，在装配时用螺钉互相联接成为整体。，一般机床在工作时，床身或底座大都需用螺钉固定在地基上。机架的这些联接部分的结构必须设计适当，否则在工作中容易产生较大的局部变形。机架接合面处的变形和位移主要来源于接合面的接触变形、固定螺钉的变形以及机架联接部位的局部变形。为了保证机架的联接刚度，设计时应注意以下几点：a.重要的固定接合面的光洁度应规定的适当，一般不应低于6，最好能经过初刮工序，每 25*25mm2 面积内
11、的接触点数不少于 48 点。B.固定螺钉的直径应足够大，以期有足够的抗拉刚度。数量需充分，一般用 812 个，布置在接合部分的整个四周。装配时应保证接合面上的预压力为 1520kgf/cm2 C.机架的联接部位应选择适当的结构。机架连接部位的构造有三类：爪座式、翻边式、壁龛式二. 机架刚度、变形及其对刀具工件相对位移量的影响在机床和大件的主要尺寸、结构初步确定后，即可用一定方法核算机架的刚度、变形和所引起的刀具工件相对位移量的大小。机架变形与相对移量的计算，大致按以下步骤进行：（1） 绘制机床和机架结构尺寸的计算简图；（2） 选定大件的代表性断面，计算其抗弯和抗扭惯性矩 I、In,或直接计算抗
12、弯和抗扭断面刚度系数 EI、GIn ;（3） 根据机架的结构情况,确定有关修正系数,如剪切分配系数,轮廓畸变系数等；（4） 列出机架变形反应至刀具与工件相对位于量的计算式,将以上已确定的数据代入,计算相对位移量的大小。1.切削力的计算高速钢铣刀铣削力计算式(查表 7.1-27) 在什么地方或标准？Fc=CFae1.1af0.8dt-1.1ap0.95Z式中 CF系数 见表 7.1-28ae铣削接触弧(mm)af每齿进给量( mm/齿)dt铣刀直径( mm)ap铣削深度 (mm)z铣刀齿数各系数的取值CF =82 ae =50mm af =0.3m/z dt =50mm ap =5.4mm z=
13、4 工件材料为 45#计算结果P(所需功率)=27.92 KW进给力约为 1382 N径向力约为 2303 N主切削力约为 4606 N切削分力的计算 (查表 7.1-16)FH/FG=0.3 FH=1380 NFV/FG=1 FV=4600 NFa/FG=0.5 Fa=2300 N 2.立柱刚度对刀具工件相对位移量的影响计算公式（查表 5.1596）fx=pxlp3/3EIy+u2lp/GF+yp2lpN3/k0GIn-pyxpyplpN4/koGIn-pzxplpN1/px2EIy fy=py-lp3/3EIy-u1lp/GF-xp2lpN5/k0GIn+pxxpypN4/pyk0GIn+
14、pzyplpN6/py2EIxfz=pz-yp2/EIx-xp2lpN2/EIy+pylp2ypN6/pz2EIx+pxlp2xpN1/pz2EIy式中 L立柱高度 (cm)b立柱宽度 (cm)h立柱长度 (cm)c刀具至立柱侧面距离 (cm)lp立柱的计算高度(cm) 取 2L/3xc立柱侧面至立柱主形心轴距离 (cm) Ix、IZ 立柱断面抗弯惯性矩 (cm4)In立柱断面抗扭惯性矩(cm4)F力柱断面面积 (cm2)Px 、Py 、Pz切削分力 (kgf) 建议比例取 0.3：0.5：1u1 u2剪切分配系数，见图 5.1590K0窗孔系数，见图 5.1591N1 N2 N3 N4 N5
15、 N6 断面畸变系数，确定方法见表 5.1599 或表5.15100其中 L=300cm b=60cm h=70cm c=68cmlp=200cm xc=30cm a=50cm Ix=2.0*105cm4 Iz=1.5*105cm4 u1=2.3 u2=2.5K0=0.5 N1=0.32 N2=0.4 N3=1.5 N4=3.5 N5=15N6=0.1 F=256cm2 In=3.4*105cm4 E=1*106kgf/cm2G=0.4*106kgf/cm2计算结果fx=0.09mm fy=0.012mm fz=0.01mm3.横梁刚度对刀具工件相对位移量的影响计算公式（见表 5.15102）
16、fx=pxL3/48EIz+(PxZp-pzxp)Lzp/4GInfz=pz/E(zp2L/12Ix+xp2L/12Iz)fy=pyL3/48EIx-(pxzp-pzxp)LS/4GIn 式中 L立柱跨距（cm）h横梁高度 (cm)x1 z1横梁重心位置 (cm)xp=zp=x1Ix Iz In横梁断面的抗弯和抗扭惯性矩(cm4)G主轴箱系统的重量(kgf)其中 L=240cm h=70cm x1 =z1=200cm Ix=Iz=2.2*105cm4 In=3.7*105cm4 E=1*106kgf/cm2 G=0.4*106kgf/cm2计算结果fx=0.03mm fy=0.06mm fz=
17、0.02mm结论？是否满足要求？第二节 导轨设计计算导轨的作用是使运动部件能沿一定轨迹运动，并承受运动部件及工件的重量和切削力。导轨的设计应满足：精度高、寿命长、刚度及承载能力大、摩擦阻力小、运动平稳、结构简单、便于加工、装配、调整、维修、成本低。一.纵向导轨由于工作台只做直线往复运动，承受的载荷较大，且不受向上的力和大的颠覆力矩；因此，工作台导轨选用两条淬火贴塑矩形滑动导轨。矩形导轨制造维修方便，承载能力大，新导轨导向精度高，磨损后不能自动补偿，可用镶条调节，保证导向精度。1. 导轨的截面形状图 8 导轨的截面形状这种导轨的特点：承载能力大，制造简便；必须留有侧面间隙，磨损后不能自动补偿，需
18、用镶条调整，将降低导向精度；应注意导轨的防护。2. 导轨的尺寸（查表 6.29 矩形导轨型式尺寸 单位：mm）图 9 矩形导轨型式尺寸H=80 B=280 B1=65 A=1360 h=50 h1=h-1=49 b=203. 导轨的比压计算（1） 计算目的导轨的损坏形式主要是磨损，而导轨的磨损又与导轨表面的比压有密切的关系，随着比压的增加，导轨的磨损量也增加。此外，导轨面的接触变形又与比压近似成正比。在初步选定导轨的结构尺寸后，应核算导轨面的比压，时期限制在允许范围内。此外，通过导轨的受力计算，可以求出牵引力的大小，判断其配置是否合理；得知是否必须设置压板。分析导轨面上比压的分布情况，还可检验
19、设计是否合理。（2） 导轨面比压的分布规律及比压计算公式导轨面比压分布比较复杂，为了能进行工程计算，作如下假设：A 导轨所在部件本身刚度很高，受力后导轨接触面仍保持为一平面；B 导轨面上的接触变形与比压成正比例；C 导轨面宽度远比接触长度小，沿导轨宽度方向上的比压各处相等。导轨面平均比压图 10 导轨的压强如图 10 所示，由 F 和 M 在导轨上引起的压强为Pm=F/S (Mpa) S=La式中 F作用在导轨面上的法向力（N）S动导轨的承载面积 (mm2)L导轨接触面长度（mm） a 导轨接触面宽度 ( mm)其中 F=20000kg L=4000mm a280mmP m=0.2 (Mpa)
20、Pm=1/2(Pmax+Pmin)按梯型分布的比压与一个按矩形分布的比压等效时,按矩形分布比压图形的高度就等于平均比压。这时只要平均比压不超过许用的平均比压，则最大比压必然不会超过许用的最大比压。如果导轨受力后导轨面没有脱离接触，则只须计算平均比压。铸铁导轨的许用平均比压 Pm=0.40.5 (Mpa)由于导轨的平均比压在许用平均比压范围内,因此,导轨的结构尺寸符合要求。4. 导轨的间隙调整装置平面导轨的间隙调整装置广泛采用了镶条和压板。设计时，除了考虑保证调整容易外，应注意增强它们的刚性。当压板受力不大，或导轨工作长度较长时，只须在运动部件的两端或中间（受力区）装短的压板。短压板的长度可取为
21、导轨工作长度的1/31/4。（1）镶条、压板的材料和技术要求查表 6.225 材料与热处理 ZQSn6-6-3 ZQAl9-4特点 加工、配刮容易，耐磨性好，成本高应用场合 用于较大压力，中等尺寸，运动平稳性、移动精度和耐磨性要求较高的精密机床作镶条查表 6.226平面度 由接触点保证接触点 1012 点/25*25mm滑动接合面装配后允许间隙 0.03mm 塞尺塞入接触点 68 点/25*25mm镶条滑动接合面接触点 1012 点/25*25mm平面度 由接触点保证接触点 68 点/25*25mm滑动接合面接触点 1012 点/25*25mm平面度 由接触点保证接触点 1012 点/25*2
22、5mm压 板滑动接合面装配后允许间隙 0.03mm 塞尺塞入镶条或压板上可开适当的润滑油槽，保证有足够的润滑油。5.导轨的材料与热处理用于机床导轨的材料，应具有以下性能：（1） 良好的耐磨性。导轨的磨损不但影响机床加工精度的保持性，而且在许多情况下还影响与导轨相联系的摩擦副的工作性能。决定捣鬼耐磨性的因素很多，但最重要的四导轨配合副所用的材料以及工作表面的加工质量。材料硬度本身并不一定能保证导轨具有较高的耐磨性能，有时在同样使用条件下，硬的材料反而比软的材料容易磨损。（2） 良好的摩擦特性。包括较小的静摩擦系数和它受静接触延续时间的影响小，较小的动摩擦系数和它在低速进给范围内受滑动速度的影响小
23、等。还希望静、动摩擦系数较小。（3） 加工与使用中由于残留内应力产生的变形小。（4） 工作环境与自身温升的尺寸稳定，强度不变。导轨摩擦副应尽量由异种材料相配组成。在直线运动的导轨副中，较长的一条导轨用较耐磨的和较硬的材料制造，这是因为：长导轨在全长上磨损不均匀，而且磨损后不能用调整的办法来补偿，对加工精度影响较大；短导轨耐磨性较低，使用中误差会较快地消除，且便于刮研，减少修理的劳动量；长导轨通常是外露的，容易受到意外的损伤。表 6.237 导轨材料匹配及其相对寿命序号 导轨材料和热处理 相 对 寿 命1 铸铁/铸铁 12 铸铁/淬火铸铁 233 铸铁/淬火钢 24 淬火铸铁/淬火铸铁 456
24、塑料/铸铁7 有色金属板/铸铁主要用于不易润滑和能保护下导轨，提高耐磨性塑料具有化学稳定性高、摩擦系数低而且静、动摩擦系数接近与稳定、能在各种液体或无润滑条件下工作、耐磨损、耐腐蚀、吸振性好以及比重小、强度大、加工简便等许多优点，很适合做导轨材料；塑料还有良好的对异物的埋没性，极细小的磨粒等异物能埋入塑料内，减少金属表面的磨粒磨损。而且磨损后，更换塑料贴片容易。导轨材料选用 铸铁/淬火钢 表面采用刮研贴塑材料选用 聚四氟乙烯 F-4 （查表 6.240 ）6.导轨的润滑滑动导轨润滑的目的：（1） 使导轨尽量接近纯液体摩擦，以减小摩擦阻力、降低驱动功率、提高效率。（2） 减少导轨磨损，延长使用寿
25、命，防止导轨锈蚀。流动的润滑油还起冲洗作用。（3） 避免低速爬行并减小振动。（4） 降低高速时摩擦热，减少热变形。润滑方式：查表 6.291 采用连续供油压力润滑方式7.导轨的防护装置设计完善的防护装置,是改善导轨工作条件, 提高导轨寿命的重要措施。刚性的防护装置还能防止工件、扳手等物偶然掉落而损伤导轨。导轨的防护装置应满足下列要求：（1） 能挡住外物进入导轨，以免擦伤表面；（2） 能耐红热的切屑和冷却液的腐蚀；（3） 清理导轨时便于装卸；（4） 具有一定强度、刚度和使用寿命；（5） 外形美观，制造容易，成本低。参照表 6.296 本方案采用伸缩板式防护装置伸缩板式防护装置用于水平导轨时，一般
26、采用三面封闭，具有较大刚度的罩壳形式；用于移动速度不大和行程较短的垂直导轨时，可采用平板在槽内滑动的形式。其运动形式为：防护板在固定的支承板上移动。支承板的一侧弯曲，以防切屑掉入导轨。防护板用青铜板条导向。防护板的最后面一块固定在床身末端。在其余防护板周围有板条。与前一个防护板的板条配合用以导向。此外，板条还可以做防护板之间的密封（约 0.30.4mm） 。板条也可以放在防护板内侧。所有板条都铆接在防护板上。二. 横梁导轨横梁导轨采用矩形与燕尾形的组合，其结构形式如下图，其结构特点：采用矩形导轨来承受较大的颠覆力矩，用燕尾导轨作侧导向面，减少一个压板接触面，调整间隙简便，卡紧容易。由于移动的滑
27、枕较重，垂直向上的切削力相对来说较小；移动部件的重量作用在矩形导轨顶部水平面上，并且一部分重量由体重块装置来承担，这就减少了该面上的比压，同时卸荷力产生的力距可减少重力产生的颠覆力矩。第四节 丝杠螺母的设计一. 概述丝杆螺母传动的特点：（1） 用较小的扭矩转动丝杠（或螺母） ，可使螺母（或丝杠）获得较大的轴向牵引力。（2） 可达到很大的降速传动比，使降速机构大为简化，传动链得以缩短。（3） 能达到较高的传动精度。用于进给机构时，还可兼作测量元件。（4） 传动平稳，无噪声。（5） 在一定条件下能自锁，即丝杠螺母不能进行逆传动。此特点特别适用于作部件升降传动，可防止部件因自重而自动降落。1. 丝杆
28、螺母传动的导程、效率和驱动扭矩的计算（1） 导程 S丝杠螺母传动时，当回转件的转速为 n(r/min),移动件的线速度为v(m/min)时，则丝杠的导程 SS=1000v/n(mm)设螺纹头数为 k,则 s=kt,t 为螺距。当 k=时，s=t.s=1*10=10 mm(2)效率正传动效率，即由回转运动转换为直线运动的效率 为：tg/tg(+)式中 中径处的螺纹升角（deg）,tg=s/d2 d2螺纹中径（mm） ；当量摩擦角(deg)。对滚珠丝杠：tg-1f/dosina, 一般为 812式中 a滚珠与滚道的接触角(deg) ，一般 a=450;do滚珠直径(cm); (查表 5.735)f
29、-滚动摩擦系数（ f=0.001cm）查表 5.735 tg=3039 8.17 0.97397.3%（3） 驱动扭矩由参数可知纵向进给电机扭矩为 39Nm二. 滚珠丝杠螺母传动1.工作原理和特点滚珠丝杆螺母传动时在丝杠和螺母之间放入适量的滚珠，使丝杠与螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦的螺旋传动。它由丝杠、螺母、滚珠、及滚珠循环返回装置等 4 个部分组成。图 11 滚珠丝杠当丝杠和螺母相对运动时，滚珠就沿丝杠螺旋滚道面滚动。为防止滚珠沿滚道面滚出，在螺母上设有滚珠循环返回装置，使得滚珠沿滚道面运动后，能通过这个装置自动地返回其入口处，继续参加工作。滚珠丝杠螺母传动的优点：（1） 摩擦小，效率高。
30、一般情况下，它的机械效率在 90以上，约比滑动丝杠传动的机械效率高 24 倍。因此，在同样负荷下，驱动扭矩较滑动丝杠减少 2/33/4。同时它的逆传动效率也很高，接近于正传动效率，因此它可以较容易地把旋转运动转换为直线运动。（2） 由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相对极小，无论是静止，还是高、低速时，摩擦扭矩几乎不变，因而灵敏度高，传动平稳。（3） 磨损少、寿命长。滚珠丝杠副中的主要零件，如丝杠、螺母、滚珠和滚珠循环返回装置中部分零件，均经热处理，并有横傲的表面光洁度，再加上滚动摩擦的磨损很少，因而具有良好的耐磨性。（4） 可消除轴向间隙，提高轴向刚度。滚珠丝杠副因其摩擦小、效率高，预紧后仍能轻
31、快地传动，因此它能通过预紧完全消除间隙，是反向时无空行程，且可通过预紧给予一定的预紧变形来提高轴向刚度。滚珠丝杠螺母传动的缺点：（1） 不自锁。因其逆传动效率很高，滚珠丝杠副一般不能自锁。因此在不允许产生逆传动的地方，如横梁的升降系统等，必须增设制动或自锁机构。（2） 结构较复杂，工艺性差，成本高。2.材料及热处理滚珠丝杠副的零件材料及热处理可按下表零件名称 材 料 热处理与硬度GCr15,GCr15SiMn G60 C60CrWMn,9Mn2V C5638CrMoAlA D-850滚珠丝杠50(限用于 P 级精度) G56滚珠螺母 GCr15，CrWMn C60内循环用反相器 40Cr D-HRC56外循环挡珠器 45，65Mn =HRC56
