一种车削中心双层结构斜床身及其制造方法

摘要

本发明公开了一种车削中心双层结构斜床身及其制造方法，属于机床领域，其解决了现有机床在高速运行过程中由于床身的过刚性易产生振动影响加工精度，且其床身在高频率振动下易产生变形的问题。本发明的装置包括床身上部和床身下部，所述的床身上部为斜床身，所述的斜床身包括外框、圆筒和横向隔板；所述的外框的横截面为三角形；所述的圆筒设置在外框的内部；所述的外框和圆筒之间通过沿圆筒长度方向间隔设置的若干横向隔板固定连接。本发明能有效降低机床振动，确保了机床加工精度，同时提高了抗弯、抗扭能力，延长了机床的使用寿命。

权利要求

1.一种车削中心双层结构斜床身，包括床身上部和床身下部，所述的床身上部为斜床身，其特征在于：所述的斜床身包括外框（1）、圆筒（2）和横向隔板（3）；所述的外框（1）的横截面为等腰直角三角形；所述的圆筒（2）设置在外框（1）的内部；所述的外框（1）和圆筒（2）之间通过沿圆筒（2）长度方向间隔设置的若干横向隔板（3）固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种车削中心双层结构斜床身，其特征在于：所述的圆筒（2）的中心轴线穿过外框（1）横截面三角形的重心。

3.根据权利要求1所述的一种车削中心双层结构斜床身，其特征在于：所述的床身下部的投影面积大于并覆盖床身上部主轴的投影面积。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种车削中心双层结构斜床身，其特征在于：所述的横向隔板（3）的间隔距离小于移动鞍座（4）的宽度。

5.根据权利要求4所述的一种车削中心双层结构斜床身，其特征在于：所述的圆筒（2）的外径为Dt，Dt的大小满足如下关系：其中：Dt为圆筒的外径，Ｔ为切削力所产生的扭矩，ρ为圆筒截面内、外径的比值，〔τ〕为许用剪应力。

6.一种权利要求1所述车削中心双层结构斜床身的制造方法，包括以下步骤：

1）整体铸造：选用HT300，采用木模进行树脂砂造型对床身整体一次造形铸造完成，铸造毛坯预留5～8 mm的加工余量；

2）步骤1）中铸造毛坯出模后进行第一次焖火；

3）将步骤2）中第一次焖火后的铸造毛坯冷却至常温再进行粗加工；

4）将步骤3）中粗加工后的半成品进行第二次焖火；

5）步骤4）中第二次焖火后冷却至常温再进行半精加工和精加工。

7.根据权利要求6所述的一种车削中心双层结构斜床身的制造方法，其特征在于：步骤

1）中铸造时床身导轨面朝下。

8.根据权利要求7所述的一种车削中心双层结构斜床身的制造方法，其特征在于：步骤

1）中床身壁厚相对较厚的位置设置冷却机构进行冷却。

9. 根据权利要求8所述的一种车削中心双层结构斜床身的制造方法，其特征在于：步骤1）中毛坯出模温度小于200 ℃。

说明书

一种车削中心双层结构斜床身及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于机床领域，具体地说，涉及一种车削中心双层结构斜床身及其制造方法。

背景技术

[0002] 高速切削加工是汽车、航天航空、精密模具等领域急需的设备，在高速及快移速度的情况下定位精度不超过3μm，对机床刚性提出了极高的要求。作为刀塔、切削力的支撑体，床身是实现高精度、高动态性能的根本保证，是决定整机精度的关键。目前国内车削中心的机床斜床身内部筋板布置均采用井字筋。随着车削中心向着高切削速度、高进给速度和高加工精度的方向发展，作为机床重要部件的床身，其动态性能关系到整个机床的工作性能，数控机床床身结构的设计尺寸和布局形式，决定了其本身的各个动态特性。往往由于床身结构及内部筋板设计不合理，盲目增加筋板的数量，导致床身的刚度不足，产生各种变形、振动；由于固有频率的存在，机床总会有振动。一味地加强刚度使机床过度刚化，使机床成为一个刚性整体影响了振动能量的释放。

[0003] 中国专利申请号201020178636.2，公开日2011年1月12日的专利文件，公开了一种斜导轨车床床身，属于机械技术领域。该车床床身本体采用整体浇注，为卧式结构，床身内部开设若干几何图形镂空结构，床身底部设计呈拱形。该实用新型床身内部采用几何形状设计，使得床身的有效载荷得以分流在各个几何体中镂空位置，然后传至拱形底座上，有效地消除了共振产生，使机身重量也有较大减轻，同时在左侧面底部设计了一个水箱，使得整个床身重心分布更为合理。但该实用新型公开的技术方案采用筋板为镂空的结构，其几何形状为圆形，目得一是为了减轻床身的重量；二是铸件在铸造、生产、热处理过程中在应力的作用下，不会产生应力集中，而使筋板产生裂纹造成机床损环。

[0004] 中国专利申请号201420124226.8，公开日2014年8月13日的专利文件，公开一种卧式斜床身结构，床身包括整体浇注的水平主体、设置于主体上端的倾斜中空走廊以及设置于中空走廊上的倾斜导轨，所述中空走廊中心设置有圆筒筋，所述圆筒筋上间隔设置有若干条平板筋，所述平板筋将中空走廊上开设的若干个连接隔腔体相互连接。该实用新型公开的技术方案床身采用整体浇铸，其圆筒筋为床身上端外轮廓的一部分，因此其实际形状为C形筋，因此该技术方案仍然存在在重切削工作情况下，导致床身的刚度不足，产生变形、振动的问题。

发明内容

[0005] 1、要解决的问题

[0006] 针对现有机床在高速运行过程中由于床身的过刚性易产生振动影响加工精度，且其床身在高频率振动下易产生变形的问题，本发明提供一种车削中心双层结构斜床身及其制造方法，能有效降低机床振动，确保了机床加工精度，同时提高了抗弯、抗扭能力，延长了机床的使用寿命。

[0007] 2、技术方案

[0008] 为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

[0009] 一种车削中心双层结构斜床身，包括床身上部和床身下部，所述的床身上部为斜床身，所述的斜床身包括外框、圆筒和横向隔板；所述的外框的横截面为三角形；所述的圆筒设置在外框的内部；所述的外框和圆筒之间通过沿圆筒长度方向间隔设置的若干横向隔板固定连接。

[0010] 优选地，所述的圆筒的中心轴线穿过外框横截面三角形的重心。

[0011] 优选地，所述的床身下部的投影面积大于并覆盖床身上部主轴的投影面积。

[0012] 优选地，所述的外框的横截面为直角三角形

[0013] 优选地，所述的横向隔板的间隔距离小于移动鞍座的宽度。

[0014] 优选地，所述的圆筒的外径为Dt，Dt的大小满足如下关系：

[0015]

[0016] 其中：D为圆筒的外径，T为切削力所产生的扭矩，ρ为圆筒截面内、外径的比值〔，τ〕为许用剪应力。

[0017] 一种车削中心双层结构斜床身的制造方法，包括以下步骤：

[0018] 1)整体铸造：选用HT300，采用木模进行树脂砂造型对床身整体一次造形铸造完成，铸造毛坯预留5～8mm的加工余量；

[0019] 2)步骤1)中铸造毛坯出模后进行第一次焖火；

[0020] 3)将步骤2)中第一次焖火后的铸造毛坯冷却至常温再进行粗加工；

[0021] 4)将步骤3)中粗加工后的半成品进行第二次焖火；

[0022] 5)步骤4)中第二次焖火后冷却至常温再进行半精加工和精加工。

[0023] 优选地，步骤1)中铸造时床身导轨面朝下。

[0024] 优选地，步骤1)中床身壁厚相对较厚的位置设置冷却机构进行冷却。

[0025] 优选地，步骤1)中毛坯出模温度小于200℃。

[0026] 3、有益效果

[0027] 相比于现有技术，本发明的有益效果为：

[0028] (1)本发明机床床身应用了模块化组合设计，解决了高速、重切削情况下床身容易震动影响加工精度的问题，具有很好的抗弯和抗扭刚度；横截面为三角形的外框具有很好的稳定性和抗弯刚度，三角形截面的抗扭惯性矩大于矩形截面，圆筒作为贯穿筋抗弯惯性矩、抗扭惯性矩大于同面积其他筋板，通过二者相结合得到一种抗弯、抗扭都较大的复合截面；外框和圆筒之间通过沿圆筒长度方向间隔设置的若干横向隔板固定连接能够抵抗机床在受纵向力时产生局部变形；

[0029] (2)本发明装置设置圆筒中心轴线穿过外框横截面三角形的重心，使外框受到外力产生扭矩时能够绕圆筒旋转，抵消外框的变形，保持床身整体精度不发生变化；

[0030] (3)本发明装置床身下部的投影面积大于并覆盖床身上部主轴的投影面积，一方面考虑工作人员在装卸工件时更加方便，另一方面，作为受力点的机床主轴落在作为支撑面的床身下部之内的情况下，在受外力作用时不会产生倾覆力，整体结构更加稳定；

[0031] (4)本发明装置外框的横截面为直角三角形，结构更加稳定、刚度更强；

[0032] (5)本发明装置设置横向隔板的间隔距离小于移动鞍座的宽度，优选地设置横向隔板的间隔距离为移动鞍座宽度的三分之二或者二分之一，这样设置可以确保始终有至少一块横向隔板落在移动鞍座底部，给承载切削力的移动鞍座提供支撑力，分解切削力，且横向隔板的筋板结构能使床身外壁的局部载荷传递给其他壁板，使它们均衡的承受载荷，并将外壁的弯曲变形转化为筋板的拉伸和压缩变形，从而大大减少甚至消除了因大件扭转变形产生的机床轮廓畸变；

[0033] (6)本发明装置设置圆筒外径满足该关系情况下能够支持外框提供足够的抗弯曲强度，确保了机床高速载荷下的稳定性和刚性，提高了机床的加工精度；

[0034] (7)本发明装置的制造方法中材料采用HT300，其耐磨性与消震好，由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油，所以耐磨性好；同样，由于石墨的存在，灰口铸铁的消震性优于钢；工艺性能好，由于灰口铸铁含碳量高，接近于共晶成分，故熔点比较低，流动性良好，收缩率小，因此适宜于铸造结构复杂或薄壁铸件；采用木模进行树脂砂造型铸造机床床身铸件的优点是：树脂砂型刚度好，浇注初期砂型强度高，这能够与本方法选材相匹配，有条件利用铸铁凝固过程的石墨化膨胀，有效地消除缩孔和缩松缺陷；本发明方法利用第一次焖火消除铸造时产生的内应力，提高了后续粗加工的精度；利用第二次焖火消除粗加工时的切削应力，提高了后续半精加工以及精加工的加工精度；

[0035] (8)本发明方法中铸造时床身导轨面必须朝下，可以使在铁水流动过程中产生的热气向床身导轨面相背的方向冒出，从而使床身导轨面不易产生气孔；在铸件较厚的、散热慢的地方设置冷却机构，能够确保铸件各部的冷却速度相同，从而获得强度和结构刚性一致的整体床身；要求铸件出模的温度小于200℃能够确保铸件局部不产生裂纹。

附图说明

[0036] 图1为本发明的结构示意图；

[0037] 图2为图1中沿A-A线剖面视图；

[0038] 图3为图2增设移动鞍座的结构示意图；

[0039] 图4为图1增设移动鞍座的结构示意图；

[0040] 图5为普通平床身切削工作时的受力图；

[0041] 图6为本发明的斜床身切削工作时的受力图。

[0042] 图中：1、外框；2、圆筒；3、横向隔板；4、移动鞍座。

具体实施方式

[0043] 下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

[0044] 实施例1

[0045] 如图1和图2所示，一种车削中心双层结构斜床身，包括床身上部和床身下部，床身上部为斜床身，斜床身包括外框1、圆筒2和横向隔板3；外框1的横截面为等腰直角三角形；圆筒2设置在外框1的内部；圆筒2的中心轴线穿过外框1横截面三角形的重心；圆筒2的外径为Dt，Dt的大小满足如下关系：

[0046]

[0047] 其中：Dt为圆筒的外径，T为切削力所产生的扭矩，ρ为圆筒2截面内、外径的比值，〔τ〕为圆筒截面的许用剪应力〔；τ〕＝(0.8～1.0)〔σ〕；〔σ〕是材料的许用拉应力；斜床身(包括圆筒、隔板)的材料为铸铁，铸铁的〔σ〕＝35MPa；通过实际生产强度测得切削力所产生的最大扭矩T，根据该扭矩T计算出圆筒2所需最小外径值，本实施例设置圆筒2的外径大于该值，以获得较为稳定的结构；

[0048] 外框1和圆筒2之间通过沿圆筒2长度方向间隔设置的若干横向隔板3固定连接；如图3和图4所示，横向隔板3的间隔距离为移动鞍座4宽度的三分之二；这样设置可以确保始终有至少一块横向隔板落在移动鞍座底部，给承载切削力的移动鞍座提供支撑力，分解切削力，且横向隔板的筋板结构能使床身外壁的局部载荷传递给其他壁板，使它们均衡的承担载荷，并将外壁的弯曲变形转化为筋板的拉伸和压缩变形，从而大大减少甚至消除了因大件扭转变形产生的机床轮廓畸变。

[0049] 本实施例通过对比普通平床身的受力特点可以看出本发明能够产生很好的有益效果：如图5所示为普通平床身结构工作时的受力图：该平床身所受扭矩为T1，

[0050] T1＝Pz·a1+Pyh＝P·(D/2)·cosα+P·h·sinα                  (1)

[0051] 如图6所示为本发明斜床身工作时的受力图，其所受扭矩为T2，

[0052] T2＝P·a2·cos(β-α)-P·h2·sin(β-α)

[0053] ＝P·(D/2)·cosβ·cos(β-α)-P·(h-(D/2)·sinβ)·sin(β-α)    (2)[0054] 显然T2＜T1

[0055] 由此可知在相同切削力作用下，斜床身能够更好地吸收床身所受扭矩力，从而提高了抗扭强度；另外，斜床身有利于排屑；床身上部外框横截面为三角形设计，运用了三角形稳定性的原理，使床身刚度更能大为提高。

[0056] 由公式(2)可知，当β＝30°时，T2≈0.5T1，当β＝45°时，T2≈0.3T1，所以斜床身外框横截面应设计成β＝45°的等腰直角三角形具有更强的稳定性和抗扭性能；

[0057] 由于本发明装置床身上部外框的横截面为三角形，故可以看成是横截面为三角形的梁，由于在受外力作用下产生弯曲时，梁的底部各纵向伸长，上部各纵向缩短，从伸长区到缩短区过梁的中心有一层既不伸长也不缩短的过渡层，这一过渡层称为中性层，当三角梁受外力矩时，三角梁的外形不变，三角梁受外力绕自身中心轴线作相对转动，本发明装置设置圆筒中心轴线穿过外框横截面三角形的重心，使外框受到外力产生扭矩时能够绕圆筒旋转，抵消外框的变形，保持床身整体精度不发生变化。

[0058] 本实施例选取一般工况情况下进行说明，切削参数：切削速度：V＝220m/min；进给量：f＝0.2mm；工件直径：D＝250mm；切深：7mm；刀具主偏角：75°，由此工况计算得：主切削力：P＝4100N；再根据主切削力P对床身所产生的扭矩：工件直径：D＝250mm；主切削力：P＝4100N；β＝45°；α＝30°；h＝0.75D，根据公式(2)计算得：T＝303.147N·m；结合参数〔：τ〕＝(0.8～1.0)〔σ〕(铸铁的〔σ〕＝35MPa)取〔τ〕＝0.8〔σ〕＝28MPa设计ρ为圆筒截面内、外径的比值＝0.9；由此可知：

[0059]

[0060] 可知本实施例中Dt＞54.33mm。

[0061] 一种车削中心双层结构斜床身的制造方法，包括以下步骤：

[0062] 1)整体铸造：选用HT300，采用木模进行树脂砂造型对床身整体一次造形铸造完成，铸造毛坯预留5～8mm的加工余量，床身壁厚相对较厚的位置设置冷却机构进行冷却，确保铸件各部的冷却速度相同，从而获得强度和结构刚性一直的整体床身；铸造时床身导轨面朝下，防止导轨面产生气孔；

[0063] 2)保持步骤1)中铸造毛坯在200℃以上出模，出模后进行第一次焖火；

[0064] 3)将步骤2)中第一次焖火后的铸造毛坯冷却至常温再进行粗加工；

[0065] 4)将步骤3)中粗加工后的半成品进行第二次焖火；

[0066] 5)步骤4)中第二次焖火后冷却至常温再进行半精加工和精加工。

[0067] 本实施例中焖火即随炉冷却退火。

[0068] 实施例2

[0069] 与实施例1相同，所不同的是：为了进一步提高床身整体的刚性，降低移动鞍座传递给斜床身产生的切削力，本实施例中设置横向隔板3的间隔距离为移动鞍座4宽度的二分之一，从而确保了在移动鞍座底部始终保持有至少两块横向隔板的板筋结构，给承载切削力的移动鞍座提供支撑力，分解切削力，从而进一步地减少因大件扭转变形产生的机床轮廓畸变。

[0070] 实施例3

[0071] 与实施例2相同，所不同的是：床身下部的投影面积大于并覆盖床身上部主轴的投影面积。

[0072] 这样设置一方面考虑工作人员在装卸工件时更加方便，另一方面，作为受力点的机床主轴落在作为支撑面的床身下部之内的情况下，在受外力作用时不会产生倾覆力，整体结构更加稳定。