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國宇:數控車削中心斜床身雙層結構及鑄造方法,值得你學習!

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國宇:數控車削中心斜床身雙層結構及鑄造方法,值得你學習!

發布日期:2019-02-21 作者:臺州市國宇數控機床有限公司 點擊:

        高速切削加工是汽車、航天航空、精密模具等領域急需的設備,在高速及快移速度 的情況下定位精度不超過3μm,對機床剛性提出了極高的要求。

        作為刀塔、切削力的支撐體, 床身是實現高精度、高動態性能的根本保證,是決定整機精度的關鍵。目前國內車削中心的 機床斜床身內部筋板布置均采用井字筋。

        隨著車削中心向著高切削速度、高進給速度和高 加工精度的方向發展,作為機床重要部件的床身,其動態性能關系到整個機床的工作性能, 數控機床床身結構的設計尺寸和布局形式,決定了其本身的各個動態特性。

       往往由于床身 結構及內部筋板設計不合理,盲目增加筋板的數量,導致床身的剛度不足,產生各種變形、 振動;由于固有頻率的存在,機床總會有振動。一味地加強剛度使機床過度剛化,使機床成 為一個剛性整體影響了振動能量的釋放。

       斜導軌車床床身,屬于機械技術領域。該車床床身本體采用整體澆注,為臥式結構,床身內 部開設若干幾何圖形鏤空結構,床身底部設計呈拱形。

       該床身內部采用幾何形狀 設計,使得床身的有效載荷得以分流在各個幾何體中鏤空位置,然后傳至拱形底座上,有效 地消除了共振產生,使機身重量也有較大減輕,同時在左側面底部設計了一個水箱,使得整 個床身重心分布更為合理。但該公開的技術方案采用筋板為鏤空的結構,其幾何 形狀為圓形,目得一是為了減輕床身的重量;二是鑄件在鑄造、生產、熱處理過程中在應力 的作用下,不會產生應力集中,而使筋板產生裂紋造成機床損環。

       床身包括整體澆注的水平主體、設置于主體上端的傾斜中空走廊以及設置 于中空走廊上的傾斜導軌,中空走廊中心設置有圓筒筋,圓筒筋上間隔設置有若 干條平板筋,所述平板筋將中空走廊上開設的若干個連接隔腔體相互連接。該公開的技術方案床身采用整體澆鑄,其圓筒筋為床身上端外輪廓的一部分,因此其實際形狀 為C形筋,因此該技術方案仍然存在在重切削工作情況下,導致床身的剛度不足,產生變形、 振動的問題。

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技術優點:

(1)機床床身應用了模塊化組合設計,解決了高速、重切削情況下床身容易 震動影響加工精度的問題,具有很好的抗彎和抗扭剛度;橫截面為三角形的外框具有很好 的穩定性和抗彎剛度,三角形截面的抗扭慣性矩大于矩形截面,圓筒作為貫穿筋抗彎慣性 矩、抗扭慣性矩大于同面積其他筋板,通過二者相結合得到一種抗彎、抗扭都較大的復合截 面;外框和圓筒之間通過沿圓筒長度方向間隔設置的若干橫向隔板固定連接能夠抵抗機床 在受縱向力時產生局部變形;

(2)裝置設置圓筒中心軸線穿過外框橫截面三角形的重心,使外框受到外 力產生扭矩時能夠繞圓筒旋轉,抵消外框的變形,保持床身整體精度不發生變化;

(3)裝置床身下部的投影面積大于并覆蓋床身上部主軸的投影面積,一方 面考慮工作人員在裝卸工件時更加方便,另一方面,作為受力點的機床主軸落在作為支撐 面的床身下部之內的情況下,在受外力作用時不會產生傾覆力,整體結構更加穩定;

(4)裝置外框的橫截面為直角三角形,結構更加穩定、剛度更強;

(5)裝置設置橫向隔板的間隔距離小于移動鞍座的寬度,優選地設置橫向 隔板的間隔距離為移動鞍座寬度的三分之二或者二分之一,這樣設置可以確保始終有至少 一塊橫向隔板落在移動鞍座底部,給承載切削力的移動鞍座提供支撐力,分解切削力,且橫 向隔板的筋板結構能使床身外壁的局部載荷傳遞給其他壁板,使它們均衡的承受載荷,并 將外壁的彎曲變形轉化為筋板的拉伸和壓縮變形,從而大大減少甚至消除了因大件扭轉變 形產生的機床輪廓畸變;

(6)裝置設置圓筒外徑滿足該關系情況下能夠支持外框提供足夠的抗彎曲 強度,確保了機床高速載荷下的穩定性和剛性,提高了機床的加工精度;

(7)裝置的制造方法中材料采用HT300,其耐磨性與消震好,由于鑄鐵中石 墨有利于潤滑及貯油,所以耐磨性好;同樣,由于石墨的存在,灰口鑄鐵的消震性優于鋼;工 藝性能好,由于灰口鑄鐵含碳量高,接近于共晶成分,故熔點比較低,流動性良好,收縮率 小,因此適宜于鑄造結構復雜或薄壁鑄件;采用木模進行樹脂砂造型鑄造機床床身鑄件的 優點是:樹脂砂型剛度好,澆注初期砂型強度高,這能夠與本方法選材相匹配,有條件利用 鑄鐵凝固過程的石墨化膨脹,有效地消除縮孔和縮松缺陷;本發明方法利用第一次燜火消 除鑄造時產生的內應力,提高了后續粗加工的精度;利用第二次燜火消除粗加工時的切削 應力,提高了后續半精加工以及精加工的加工精度;

(8)方法中鑄造時床身導軌面必須朝下,可以使在鐵水流動過程中產生的 熱氣向床身導軌面相背的方向冒出,從而使床身導軌面不易產生氣孔;在鑄件較厚的、散熱 慢的地方設置冷卻機構,能夠確保鑄件各部的冷卻速度相同,從而獲得強度和結構剛性一 致的整體床身;要求鑄件出模的溫度小于200℃能夠確保鑄件局部不產生裂紋。

       由于裝置床身上部外框的橫截面為三角形,故可以看成是橫截面為三角形 的梁,由于在受外力作用下產生彎曲時,梁的底部各縱向伸長,上部各縱向縮短,從伸長區 到縮短區過梁的中心有一層既不伸長也不縮短的過渡層,這一過渡層稱為中性層,當三角 梁受外力矩時,三角梁的外形不變,三角梁受外力繞自身中心軸線作相對轉動,本發明裝置 設置圓筒中心軸線穿過外框橫截面三角形的重心,使外框受到外力產生扭矩時能夠繞圓筒 旋轉,抵消外框的變形,保持床身整體精度不發生變化。

       選取一般工況情況下進行說明,切削參數:切削速度:V=220m/min;進給 量:f=0 .2mm;工件直徑:D=250mm;切深:7mm;刀具主偏角:75°,由此工況計算得:主切削 力:P=4100N;再根據主切削力P對床身所產生的扭矩:工件直徑:D=250mm;主切削力:P= 4100N;β=45°;α=30°;h=0 .75D,根據公式(2)計算得:T=303 .147N·m;結合參數:〔τ〕= (0 .8~1 .0)〔σ〕(鑄鐵的〔σ〕=35MPa)取〔τ〕=0 .8〔σ〕=28MPa設計ρ為圓筒截面內、外徑的比 值=0 .9;

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由此可知:可知本例中Dt>54 .33mm。

車削中心雙層結構斜床身的制造方法,包括以下步驟:

1)整體鑄造:選用HT300,采用木模進行樹脂砂造型對床身整體一次造形鑄造完 成,鑄造毛坯預留5~8mm的加工余量,床身壁厚相對較厚的位置設置冷卻機構進行冷卻,確 保鑄件各部的冷卻速度相同,從而獲得強度和結構剛性一直的整體床身;鑄造時床身導軌 面朝下,防止導軌面產生氣孔;

2)保持步驟1)中鑄造毛坯在200℃以上出模,出模后進行第一次燜火;

3)將步驟2)中第一次燜火后的鑄造毛坯冷卻至常溫再進行粗加工;

4)將步驟3)中粗加工后的半成品進行第二次燜火;

5)步驟4)中第二次燜火后冷卻至常溫再進行半精加工和精加工。本例中燜火即隨爐冷卻退火。

實例2與實施例1相同,所不同的是:為了進一步提高床身整體的剛性,降低移動鞍座傳 遞給斜床身產生的切削力,本實例中設置橫向隔板3的間隔距離為移動鞍座4寬度的二分 之一,從而確保了在移動鞍座底部始終保持有至少兩塊橫向隔板的板筋結構,給承載切削 力的移動鞍座提供支撐力,分解切削力,從而進一步地減少因大件扭轉變形產生的機床輪 廓畸變。

實例3與實例2相同,所不同的是:床身下部的投影面積大于并覆蓋床身上部主軸的投 影面積。

這樣設置一方面考慮工作人員在裝卸工件時更加方便,另一方面,作為受力點的 機床主軸落在作為支撐面的床身下部之內的情況下,在受外力作用時不會產生傾覆力,整 體結構更加穩定。

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