大型数控龙门镗铣床镶块式组合床身刚度研究与结构设计

摘要

论文针对影响大型数控机床精度保持的关键因素—整体式床身结构件变形问题，提出了一种有悖于传统观念的镶块分体式结构的床身设计方法，并提出了用于分析变形问题的几何变形量和工艺变形量两个概念。文中以大型龙门式镗铣床的横梁结构为例，设计了镶块分体式的结构并建立了刚度计算理论模型。通过理论分析计算证明了通过正确的连接方法连接的分体式结构在刚度上与整体式结构基本一致，而分体式结构由于单块体积小，在几何变形量和工艺变形量等主要方面明显优于整体式结构。
　　采用传统方法设计的整体式横梁结构设计方法简单，容易实现较大的设计刚度。但以现行的工艺方法消除内应力的效果与较小体积的分体式结构相差很多，随着时间的推移整体式大结构横梁容易出现弯曲变形，已经成为影响大型数控机床精度保持的主要因素;而较小体积的分体式结构的几何变形与整体几何变形之间存在非正相关性，从几何原理上明显与整体式结构相差不大;同时，较小体积的分体式结构制造工艺性明显优于大型整体式结构，易于消除内应力，从而使精度保持更久。
　　论文的主要研究内容包括以下几个方面:以大型龙门式镗铣床的横梁结构为例，采用UG6.0软件分别建立了整体式和分体式横梁的三维模型，采用ANSYS Workbench软件对其分别进行了刚度分析，综合比较了四种类型的横梁界面，用静刚度分析结果证明了分体式结构完全可以代替整体式结构;分体式结构采用在粗加工并消除应力处理后用高强度铰制孔螺栓连接并施加一定的预紧力，通过研究合理分配螺栓的数量和规格以及预紧力的大小与保证连接界面的刚度的关系，提出了用于分析计算的数学模型，给出了这方面的分析结论，对实际应用有理论上的一定的指导意义;从几何分析的角度研究了分体式结构变形的几何特点和整体式结构的区别，证明了分体式结构在几何变形量上的优势;采用ANSYS Workbench软件对横梁模型进行模态分析，详细地比较了整体式横梁结构与分体式横梁结构前六阶振动频率和振动形式，证明了分体式结构的抗震性与整体式结构非常相近;从制造工艺性的角度分析了分体式结构的优点，指出了实际应用的可行性，阐述了分体式结构连接后通过精加工消除接触变形的方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 课题的研究背景与意义

1．2．1 课题的研究背景

1．2．2 课题的意义

1．3 机床大型床身部件的静动态性能研究现状

1．4 课题的研究目标与研究内容

1．4．1 课题的研究目标

1．4．2 课题的研究内容

1．5 论文完成的主要任务

第2章 传统大型床身结构介绍与镶块式结构初探

2．1 一般大型机床床身结构介绍

2．1．1 大型床身部件的结构特点

2．1．2 大型床身部件的作用简介

2．1．3 大型床身部件的刚度要求

2．2 镶块式结构初探

2．2．1 镶块式结构的介绍

2．2．2 镶块式结构的可行性分析

2．3 本章小结

第3章 以横梁为例的镶块式大型床身结构与传统结构的刚度分析

3．1 横梁边界条件的确定

3．1．1 建立横梁的空间直角坐标系

3．1．2 横梁的受力分析

3．2 空间梁的有限元求解方法

3．3 传统床身结构的刚度分析

3．3．1 四种横梁截面的介绍

3．3．2 四种横梁截面的建模

3．3．3 梯度载荷下的有限元分析

3．4 镶块式结构螺栓组的连接计算

3．4．1 螺栓组的受力方式的简介

3．4．2 螺栓的布置方式

3．4．3 螺栓的强度与变形计算

3．4．4 螺栓联接的方法

3．5 镶块式横梁的接触刚度分析

3．5．1 接触问题的有限元理论

3．5．2 ANSYS WORKBENCH接触分析介绍

3．5．3 镶块式横梁的刚度分析

3．6 四种截面的镶块式结构与传统结构的刚度横纵向比较

3．7 本章小结

第4章 镶块式床身结构与传统大型床身结构的刚度保持与工艺性分析

4．1 大型铸件的工艺变形

4．1．1 大型铸件铸造加工方法与变形

4．1．2 以横梁为例的的变形分析

4．2 镶块式与传统式横梁结构的铸造与加工应力比较

4．3 镶块式与传统式横梁结构的综合变形比较

4．3．1 传统式横梁的变形分析

4．3．2 镶块式横梁的变形分析

4．3．3 镶块式横梁在精度保持上的优点

4．4 镶块式横梁的工艺优势

4．4．1 传统大型床身结构的一般工艺流程介绍

4．4．2 传统大型床身结构的工艺缺陷

4．4．3 镶块式结构铸件的工艺优势

4．5 本章小结

第5章 镶块式与传统式床身结构的动态特性的分析

5．1 机床横梁的在不同加工条件下的固有频率

5．2 传统式机床横梁的模态分析

5．3 镶块式机床横梁的模态分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢