源自日本、德国技术及部件
Advanced production technology and components imported from Japan, Germany
海默自主升级优化的数控磨床，12年专业团队的品质保证。专业的技术，专业的数控磨床、内圆磨床。
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海默提供配套的CBN砂轮、金刚石滚轮，可使数控磨床实现高精度、高效率、高稳定性、高产品一致性的磨削加工
Machining precision 2 microns; CPK value is 1.33; Work beat 20 seconds
加工精度<2μm、节拍<20s的数控磨床，可以代替国外同类进口磨床。
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2013/10/23 10:22:12 | 发布者: | 栏目：常见问题
【导读】提高机床刚性、避免共振、降低振幅是提高机床精度的有效措施，利用Pro/MECHANICA对MK7731型立轴双端面磨床的床身设计和分析进行简要的介绍。
机床床身和箱体等零件，在一台机床的总质量中占有很大的比例（有的在机床中约占总质量的70%～90%），同时在很大程度上影响着机床的工作精度及抗振性能；若兼作运动部件的滑道（导轨）时，还影响着机床的耐磨性等。所以正确选择床身和箱体等零件的材料和正确设计其结构形式及尺寸，是减小机器质量、节约金属材料、提高工作精度、增强机床刚度及耐磨性等的重要途径。现对我公司生产的MK7731型立轴双端面磨床的床身设计和分析进行简要的介绍。
机床床身的形式繁多，按照MK7731型立轴双端面磨床的结构形式来看，床身的构造形式应为箱壳类、整体式。固定式机床床身的结构较为复杂，刚度要求也较高，因而通常都为铸造。零件铸造材料正常选用既便于施工又价廉的铸铁，而在磨床床身上采用铸铁更为合适，这是因为磨床加工精度高，加工时机床震动产生的误差是影响精度的关键因素，铸铁的组织结构使其具有一定的吸震作用，所以选择铸铁材料。
1 机床床身部件结构简要介绍
进给传动结构为与下床身联接的主要部件，如图1所示，利用齿轮减速机构、蜗轮蜗杆减速机构将伺服电机的源动力传给滚珠丝杠上，通过丝杠与丝母的相对运动实现砂轮主轴的升降运动。下床身的主要作用是固定进给传动部件及支撑上床身部件，设计时要准确布置好蜗杆、丝杠及导轨的位置。考虑支撑上床身的重力和下床身心部安放修整装置，下床身必须设计成空心结构，两侧布置有上下连通的筋板和配重孔一周的筋板，避免下床身中部凹陷变形，另外下床身中部还要设计一个向后倾斜的平面，用于向后排出机床加工时的磨削液。
图1 MK7731双端面磨床进给机构图
1—伺服电机 2—齿轮减速机构 3—丝杠轴连接座 4—蜗轮蜗杆减速机构
5—丝杠轴部件 6—砂轮主轴部件
2 床身结构构成
根据图1传动结构图设计出与其配合的下部床身结构图，如图2所示，图3为下床身内部剖视图。首先床身上留出固定传动部件的轴孔（蜗杆轴孔、丝杠轴孔）及导轨面，如图4上下床身是通过3个支撑点进行联接（即3点支撑），所以在床身的上面留出3个直径φ40 mm的光孔，这3个孔是上下床身联接的位置。另外由于上床身组件重心较靠前，为了加工时上主轴上下移动得更加平稳，减小进给时电机输出的扭矩，在上主轴上联2个总重与主轴连接部件重量相近的配重块，上床身留有的2个φ176 mm的光孔就是安放配重块的位置。在下身床的中间有一向后倾斜的平面，主要用于向后排出机床加工时的磨削液。在下身床的底部留有2个平面与地脚联接，其余的部分主要依据联接、查看、维修的方便性进行箱体设计，并在适当的位置上添加加强筋，更有利于提高床身的强度和刚性。上下床身的结构类似，图5为上床身结构图。
图2 下床身结构图
图3 床身内部剖视图
图4 MK7731双端面磨床简图
图5 上床身结构图
3 床身结构静态分析
3.1 建立几何模型
利用Pro/ENGINEER软件建立的下床身几何模型，如图2所示。
3.2 定义材料属性
材料选为灰铸铁HT250。根据相关资料，HT250的质量密度为7.34e-06 kg/mm3；弹性模量为1.55e11 Pa；泊松比为0.27。
3.3 定义约束
下床身与地脚连接，固定不动，所以对下床身的底平面的6个自由度全部进行约束。
3.4 定义载荷
机床的重量主要由下床身来承受，这里我们只对下床身进行分析。在实体建模软件Pro/E中建立床身三维模型，这时我们需要先找出床身主要哪些部位受力及受力大小和方向，之后在模型上施加力，再对模型进行分析。首先受力较大的应是三点支撑处，它支撑着整个上床身，承受着上床身所有部件的重力，由于加工时上磨头主轴的轴向力是向上的，所以三点支撑所受的最大力就是上床身所有部件的重力之和，经过计算，上床身部件的总质量约为1 540 kg，当重力加速度g=10 m/s2时，重力G=mg=1 540×10=15 400 N，每个作用点约为φ60 mm的圆，如图6给三点支撑处施加15 400 N的力。
图6 三点支撑施力图(右图是左图的放大)
床身的前端联接有换件卡具、防护等，质量约为178 kg，重力G=1 780 N，由于重心在机床外，且床身联接处用螺钉联接无法准确找到扭矩作用点，因此我们用一组斜向下的力作用到连接螺钉附近的面域上取代扭矩。分析如图7、图8所示。
图7 床身前端受力分析图 图8 床身前端施力图
还有2处作用点就是丝杠轴部件的固定处和蜗杆固定处：丝杠轴部件是通过轴承及轴承端盖连接到床身上的，下方的轴承端盖4个螺钉孔处是受力最大的地方；丝杠螺母把丝杠传过来的力传到蜗轮蜗杆上，通过蜗杆两端的轴承再传到身床上，所以上面这2处的受力应结合起来分析。丝杠下方轴承端盖4个螺钉孔处受到丝杠部件和下磨头主轴部件的重力及加工时产生的向下轴向的磨削力，经计算得出丝杠部件和下磨头主轴部件的重力为2 400 N；依据磨床的磨削力资料得知磨床磨削力计算公式：
Fz=9.81×[CF·V/v2]tgα
式中，Fz为轴向垂直磨削力（N）；CF为去除单位体积的磨屑所需的能，如表1所示，取490 kgf/mm2；V为单位时间内磨屑的体积（mm3）（由于工件是先进入两砂轮之间后，上砂轮才向下进给进行加工，所以V≈π·R2·fz，fz为单位时间轴向进给量，粗磨进给量大，一般要求最大10 mm/min；R为工件最大半径，62.5 mm）；v2为砂轮线速度（mm/s），电机转速1 455 r/min，v2=1 455×2π×62.5；α为磨粒为圆锥形时的锥顶半角，计算时一般取61°～69°35′。
表1 各种工件材料的CF值（GB80R1A和TL80RA）
工件材料 | 花岗岩 | 硅 | 纯 铁 | 铸 铁 | 高速钢 |
CF（kgf/mm2） | 430 | 550 | 280 | 490 | 1800 |
将已知数据带入公式得：Fz=9.81×[490π（D/2）2×10/（1 455×πD）]·tg61°=1 862.5 N，所以轴承端盖4个螺钉孔处受到的力为4 262.5 N，把这个力施加到作用面上，如图9所示。蜗杆处轴承主要受到蜗杆的轴向力，在轴承孔的端部受力最大，在此传动过程中，蜗杆受到的圆周力FT=4 262.5 N，导程角γ=6.84°，tgγ=FT/FX蜗杆受到的轴向力FX=FT/tgγ=35 520.8 N，把这个力施加到作用面上，如图10所示。其他作用力对床身的影响不大，这里不予考虑。床身整体拖力如图11所示。
图9 4个螺钉孔处受力图 图10 轴承端部受力图
图11 下床身约束及受力图
3.5 运行分析检查结果
查看位移云纹图，如图12、图13所示，床身最大变形量为0.013 53 mm，发生在支撑蜗杆轴承的端面上，这是理论上加工时最大的变形量，在实际中很难产生这么大的受力变形，一般变形小于0.01 mm，并且在蜗杆方向上有调节间隙的装置，可以保证不影响机床的精度。而三点支撑处变形量只有0.007 mm左右，更不会对机床的稳定性造成影响。
图12 位移云纹图 图13 最大位移处云纹图
查看应力云纹图，如图14、图15所示，最大Von Mise应力达1.844e+02 N/mm2（即184.4 N/mm2），低于材料的抗拉强度224 N/mm2。机床的刚性比较好，可以满足实际的要求。
图14 应力云纹图 图15 最大应力处云纹图
4 结语
本文以MK7731立轴双端面磨床的床身为例，阐述了机床床身设计的过程。首先在确定了机床的加工方式、传动系统后我们就能设计出相应的床身形状；再根据工作时的受力情况对床身进行了受力分析，运用Pro/E建立模型，对床身受力后的位移和应力进行分析，最后计算出位移和应力云纹图结果。通过设计和分析得到机床的受力情况及静刚度，为床身的结构设计、改进和性能提高提供了理论依据。
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