ys3112高速干切滚齿机床身结构设计

1、Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityBed Structure Design of YS3112 High-SpeedDry-Cutting Gear Hobbing MachineUndergraduate: Yang Xiao Supervisor: Prof. Cao HuajunMajor: Mechanical Design & Manufacturing& AutomationCollege of Mechanical Engineering Chongqing UniversityJune 2011重庆大学本科学生毕业

2、设计（）摘 要摘要满足绿色需求是现代业的一个重要特征，高速干切滚齿机是齿轮制造业的主要装备，本文以 YS3112 高速干切滚齿机为研究对象，其重要结构部件床身的特点，重点探讨了 YS3112 高速干切滚齿机的床身结构设计。首先，深入探讨课题研究背景，对高速干切滚齿机及床身结构设计的国内外研究现状进行了综述，明确的研究内容及意义。其次，从高速干切滚齿机床身结构特点、材料的选择等方面着重分析了 YS3112高速干切滚齿机床身结构设计的要求，了高速干切滚齿机床身结构设计流程。再次，利用 CAD 三维建模技术，结合 YS3112 高速干切滚齿机床身结构的特点建立了机床床身的三维模型。最后，建立了高速干

3、切滚齿机床身结构有模型，并通过 ANSYS进行了动静力分析、热变形分析以及模态分析。对其：YS3112，高速干切，滚齿机，床身结构设计I重庆大学本科学生毕业设计（）ABSTRACTABSTRACTTo meet the demand of green manufacturing is an important feature of modern manufacturing, high-speed dry-cutting gear hobbing machine is the main equipment of gear production, this paper studies on YS3

4、112 high-speed dry-cutting gear hobbing machine, basing on the characteristics of its important structural components (the bed), this paper focus on the bed structure design of high-speed dry-cutting gear hobbing machine.Firstly, this paper deeply introduces the research background, analyzing presen

5、t research situation on high-speed dry-cutting gear hobbing machine of domestic and foreign, and also the bed structure design. Based on those, it puts forward the research content and the significance.Secondly, according to the characteristics of YS3112 high-speed dry-cutting gear hobbing machines

6、bed, structural analysis, selection of material and so on, it deeply analyses the bed structure of high-speed dry-cutting gear hobbing machine, and introduces the design process of high-speed dry-cutting gear hobbing machines bedstructure.Then, with the use of 3d ming technology of CAD, on the basis

7、 of thecharacteristics about YS3112 high-speed dry-cutting gear hobbing machines bed, amis to be established.Finally, this paper builds up a finite element m, and uses ANSYS to makesome research on the bed, such as statics analysis, dynamics analysis, thermaldeformation analysis, and also manalysis.

8、Key words：YS3112, high-speed dry-cutting, gear hobbing machine, bed structuredesignII重庆大学本科学生毕业设计（）目 录目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 本的研究意义及来源11.1.1 本的研究意义11.1.2 课题来源21.2 国内外相关领域的研究现状21.2.1 干切削技术的国内外研究现状21.2.2 高速干切滚齿机的国内外研究现状31.2.3 床身结构设计的国内外研究现状41.3 本研究的内容51.4 本章小结62 YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计流程72.1 YS3112 高速干切

9、滚齿机床身的特点72.1.1 概述72.1.2 YS3112 高速干切滚齿机床身材料分析72.1.3 YS3112 高速干切滚齿机床身结构特点82.1.4 YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计要求92.2 YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计过程分析102.3 本章小结133 YS3112 高速干切滚齿机床身结构的建模143.1 CAD 三维建模技术及 UG简介143.1.1 CAD 三维建模技术简介143.1.2 UG简介143.2 YS3112 高速干切滚齿机床身结构的实体建模153.3 本章小结174 YS3112 高速干切滚齿机床身结构的有分析184.1 有分析简介184.1.

10、1 有法简介184.1.2 ANSYS 简介184.2 YS3112 高速干切滚齿机床身结构有分析20III重庆大学本科学生毕业目 录模型的建立204.2.1 YS3112 高速干切滚齿机床身有4.2.2 YS3112 高速干切滚齿机床身的动静力分析214.2.3 YS3112 高速干切滚齿机床身的热变形分析244.2.4 YS3112 高速干切滚齿机床身的模态分析254.3 本章小结285 结论29参考文献30致谢32IV重庆大学本科学生毕业设计（）1 绪论1绪论1.1 本1.1.1 本的研究意义及来源的研究意义业是实现中华民族伟大复兴的支柱产业，给带来了极大的物质，同时也丰富了人们的生活，

11、但业建立在以资源消耗为代价的基础上，严重影响着环境。随着环保意识的逐渐增强，绿色已被越来越多的人接受。齿轮是不可或缺的机械零件，滚齿机则是齿轮的主要机械，对滚齿相关方面进行研究将会完善滚齿技术以及提高齿轮的精度。现代企业要想提高竞争力，必须在成本(C)、时间(T)、质量(Q)、对环境的影响(E)、资源消耗(R)这五个方面下功夫，科学技术的飞速发展使得的更新换代速度快，上市时间更是短暂，因此业必须高速、快速化，从而提高生产效率。20 世纪 80 年代以来，高速切削(HSC)技术得到了日益广泛的应用。高速切削具有降低切削力、工件热变形小等特点，为干切削提供了有利条件1。20 世纪 90 年代中期，

12、高速取得并被不断应用于生产，工业发达开始重点研究切削工艺中的干切削。经过不到六年的时间，干切削技术就进入到推广应用阶段，并地应用到了工业生产中。作为绿色战略实施的具体体现，干切削目前已经成为工程领域的研究热点之一2。齿轮具有传动平稳、传动比精确、工作可靠、传动效率高、速度和范围大等优点，被广泛用于各种机械和仪器仪表中3。齿轮多种多样，按中有无切削，可分为无切削精度，是齿轮的主要和有切削，按其两大类。齿轮的有切削分为成形法和具有良4是采用法两种。滚齿法根据齿轮啮合原理来进行的，用这种加工出来的齿形轮廓是刀具切削刃轨迹的包络线。只要模数和齿形角相同，即使齿数不同的齿轮，都可以用同一把刀具来。滚齿过

13、程是连续的，有插齿和刨齿那样的空行程，故其生产效率高，属于量大面广的机械；滚齿的操作和调整十分简便，不仅可以直齿易于轮，而且可以螺旋角不同的各种斜齿，因而其通用性好；滚齿保证被齿轮有较精确的齿距，这一特点使其特别适合于要求调节累计误差小的各种齿轮。滚齿可直接89 级精度齿轮，也可用作 7 级以上齿轮的粗及半精。滚齿可以获得较高的精度，但滚齿时齿面是由滚刀的刀齿包络而成，参加切削的刀齿数有限，因而齿面的表面粗糙度较大。为了提高滚齿的精度和齿面质量，粗精滚齿。由于滚齿具有上述突出的优点，因1重庆大学本科学生毕业设计（）1 绪论，据统计，目前世界上生产的齿轮中，45%左右属于此它是最常用的齿轮滚齿。

14、高速干切滚齿是滚齿工艺的一种先进工艺技术，具有高速干式切削高效环保、且在达到一定生产规模情况下成本低的特点。在当前利用绿色制造技术实现我国业可持续发为必然趋势的背景下，采用有利于环保的齿轮技术高速干切滚齿技术，对先进技术体系及金属切削理论的完善和我国机械业的可持续发展具有深远意义5。高速干切滚齿机6作为典型的机械装备，在齿轮行业占有重要地位。滚齿机床身作为重要的结构大件，支撑着工件、主轴箱等关键零部件，承受着切削力、重力等静态力和动态力的作用。床身结构7的合理性和性能的好坏直接影响着机床的成本、各部件之间的相对位置精度和各部件相对轨迹的准确性，从而影响着工件的质量，间接影响着机床所具的耐用度，

15、同时也到机床是否能安全可靠的工作。了解机床床身的结构特征，进行合理优化的结构设计，将避免机床在使用中的不必要损失，提高其使用性能，使它满足机床对质量和精度的要求。综上所述，传统的滚齿机已经不能满足现高涨的环保要求和可持续发展战略，面向绿色产实际的需要，为了适应日益、高效的高速干切滚齿无疑是齿轮的良好选择，而滚齿机床身结构到滚齿机的性、滚齿机的生产成本，更制约着滚齿机的质量。从这个方面来说，对高速干切滚齿机的床身结构进行合理的设计非常必要。有鉴于此要，本着重探讨了采用环保高效的高速干切削技术进行滚齿的 YS3112 高速干切滚齿机床身结构的设计，对其床身结构进行三维建模，并完成床身有1.1.2

16、课题来源分析。本研究内容来源于“十二五”支撑计划项目“机床再业化”。成套技术及产1.2 国内外相关领域的研究现状1.2.1 干切削技术的国内外研究现状干切削技术是上世纪九十年代在全球日益高涨的环保要求和可持续发展战略背景下发展起来的一项绿色切削技术，1995 年干切削的科学意义正式确立以后，干切削技术开始在工业界和学术界引起广泛的关注。干切削是一种理想的绿色工艺，据统计，目前德国有 20%左右的企业采用干切削技术，并且在干切削的研究和应用方面处于世界领先地位。日本在这方面也进行了大量研究，开发了几种不用切削液的干式中心，在2重庆大学本科学生毕业设计（）1 绪论其中的一种中心上，采用液氮冷却的干

17、切削系统从空气中提取高纯度氮气，常温下以 56 个大气将液氮送往切削区实现干切削。研发的“红月牙”铸铁干切技术使切除率达到 49cm3/min，生产效率提高了 2 倍多。其它如英国、加拿大等工业发达也进行了干切削技术的研究，部分业展开相关工作。同样重视干切削技术的研究，并积极鼓励和支持我国一些高校对干切削技术进行了研究和探讨，如重庆大学、哈尔滨工业大学、山东大学、刀具涂层、工业大学、合肥工业大学等在干切削的刀具设计、刀具材料、方式等方面进行了较系统的研究。成都工具研究所、等对超硬刀具材料(如陶瓷、立方氮化硼、石等)及刀具涂层技术进行了系统的研究并取得不少的研究成果机床研究所开发的 KT 系列中

18、心能够实现高速干切削。我国陶瓷刀具已具有一定的生产能力，这给干切削技术的研究与应用提供了初步的技术基础。总体来说，我国干切削技术的理论研究还不够成熟，与国外相比较大的差距，更值得注意的是，任何科学技术只有转换到实际生产的应用中才具有价值，而我国干切削技术在对干切削的研究和应用的推广刻不容缓2。1.2.2 高速干切滚齿机的国内外研究现状业中的应用范围窄，加快与湿式切削相比，高速干式切削滚齿机切削速度高，可以完全不使用切削液或者使用极少量的切削液，不但提高了机床的生产效率、降低了工件的成本，而且更有利于环境保护和自然资源的节约。随着世界范围内环境保护意识的日益提高和对低成本的追求，高速干式滚齿机必

19、将成为齿轮商的新宠，高速干式滚齿机是滚齿机发展的趋势。在干式切削滚齿方面，德国利波海尔公司早在十几年前就开始研究高速干式切削滚齿机，三菱重工则是最早将高速干式切削滚齿机商品化的商。三切滚齿机，切削速度是传统滚切速度的 2 倍，达到菱公司推出了世界上第一了 200m/min。配合该公司专门设计的涂有涂层的 MACH7 高速钢滚刀，在加工汽车末级传动齿轮、大型载重齿轮、汽车小齿轮及行星齿轮时均取得了较理想的效果，使生产成本降低 40%；Gleason 公司用硬质合金滚刀在 Phoenix 机床上用干切削锥齿轮，滚刀转速高达 3000r/min，与传统的高速钢刀具相比，切削时间降低 50%，而且表面

20、粗糙度显著降低，几何精度大为提高3。近几年，国际上著名的滚齿机商都在集中精力研发高速干切滚齿机8。德国利波海尔公司的 LC80 系列滚齿机，格里森集团公司的 GP130 系列滚齿机，三菱重工公司的GN10 系列滚齿机等均采用高速干式切削技术进行滚齿。其中，GP130 系列滚齿机可以不使用切削液。三菱重工在 GE 系列干式切削滚齿机中追加并推出了最大直径为 250mm 的 GE25A，这种滚齿机带有倒角装置，3重庆大学本科学生毕业设计（）1 绪论GE25A 在提高主轴与载物台转轴刚性的同时降低了发热，并且提高了滚刀架的热需要 90 秒的切削时盤和油压装置等外容量。由于能够在高速条件下，因此使老式

21、湿式间减少了一半，刨除工具费以外，成本可减少 30%。由于部装置都实现了模块化，更容易适应生产线编制及布局变更。此外，还缩短了滚刀架正面到滚刀中心的距离，并且采用了图形画面，由此提高了可操作性9。就目前来看，国内拥有 4滚齿机3，其中绝大部分是上世纪 60、70 年代的，急需更新换代。20 世纪 80 年代以后国内生产的滚齿机的技术含量有所提高，其主要特征是机床的数控化。在滚齿机设计技术方面，主要经历了两个研究阶段：从传统机械式滚齿机通过数控改造发展为 23 轴(直线控高效滚齿机；全新的六轴动数控高速滚齿机的开发。轴)实用型数面对全球化的机遇和，国内也开始了高速干切滚齿机的研发工作，是重庆机床

22、厂研制的 YKS3112 六轴并取得了一定的进展，标志性动数控高速滚齿机，这是一种干切、湿切两用的滚齿机。仅就高速而言，YKS3112与国外类似滚齿机相比尚有一定的差距3。2008 年以来，国内齿轮行业兴起了一股干切热潮，各种干切的消息层出不穷，如在非常简易的国产机使用涂层高速钢刀具进行干切以及在天津机使用涂层高速钢刀具进行干切，底盘在奥利康 C 系列机使用硬质合金涂层刀具进行过数次弧齿锥齿轮干切，株洲齿公司在凤凰 600HC 机轮进行过许多次干切、湿切试验，且部分已进行了批量生产10。重庆机床集团研发出的七轴动数控高速干切自动滚齿机 YS3116CNC71112，可实现七轴数字和四轴联动自动

23、干式切削，不需要切削液，实现了绿色环保60，其效率是湿式切削的 23 倍，单件成本仅占传统滚齿的精度可达到 GB10095 的六级精度，该机床完全能够满足汽车、摩托车等行业高精度、大批量的齿轮要求，达到了当今国际先进水平，属国内首创并拥有全部知识产权。2010 年 8 月，重庆机床集团继而推出了新一代七轴动高速干切滚齿机 YE3120CNC7，其特点是：结构紧凑、节能环保性能和可靠性突直径为 210mm，最大加出、效率高，以及高性价比等特点，此机床最大工模数 4mm，主轴最高转速可达 2000r/min，精度能够达到 GB/T10095.1-2008的 6-6-7 级，可以用于各种直、斜齿轮、

24、双联或多联齿轮、小锥度齿、蜗轮、齿、链轮、花键等，特别适用于摩托车、汽车、起重机械、流体机械等行业13。的大批量齿轮1.2.3 床身结构设计的国内外研究现状床身是机床的基础支撑件，承载着机床大多数其它执行部件，其结构的合理性和性能的好坏直接影响着成本和各部件之间的相对位置精度，进而影响机4重庆大学本科学生毕业设计（）1 绪论床的性能。因此，高速干切滚齿机床身结构设计是高速干切滚齿装备研究和开发的一个重要方面。20 世纪60 年代后期，计算机技术的发展地促进了有工程实践的应用，从而实现了计算机技术和有理论的结合，大大提高了机床床身结构设计的效率和质量。机械工程师学会的“Optimal synth

25、esis of compliant mechanisms usingsubdivision and commercial FEA” 14一文里，利用了有对机械结构分析，并且使用全程参数化设计技术对其进行拓扑优化，仔细全面地分析了设计变量对优化程序的影响。国外机床床身结构设计的特点主要体现在以下三点：其一，分析与设计平行。从满足一定性能要求为目标的结构选型与结构设计，到具体设计方案的对比、确定及设计方案的模拟实验。在床身结构设计过程中，各个阶段均涉及到结构分析，床身结构分析作为一条主线贯穿了整个设计过程，由这种方式确定的床身结构设计方案基本上就是最终方案。其二，结构优化的思想被用于设计的各个阶段

26、。利用优化设计的相关理论对设计出的床身进行结构优化，不但可以设计出更加符合要求的床身结构，而且能够降低生产成本。其三，用大量虚拟实验代替传统的实物实验。虚拟实验不仅能够在没有实物的条件下进行，而且具体实施过程迅速、量大。依靠虚拟实验可以从多个设计方案中选出最优方案，减少设计的盲目性，同时也能够及早发现设计中生的成本，缩短设计用时15。的问题，从而减少设计所产国内在对机床床身结构进行设计时采用经验设计法16。例如等17在提高一种数控机床床身动态特性的结构优化设计中运用有变量化分析技术和结构动态设计原理，重庆理工大学的等18在对一种精冲机床床身结构进行有分析时，根据分析结果提出了机身结构的一些改进

27、方案，并进行了分析，结果得到了更优的设计方案，且改进后的床身静力学性能得到了进一步的提高。，这些研究促进了床身结构优化设计技术的发展，对床身设计参数进行动、静态多目标优化设计的研究却不多，因而机床床身结构常常难以获的19研究了一种数控得最优的设计结果。为了解决这个问题，南京锻压机床的床身，在保证床身结构各项静、动态性能满足设计要求及工作标准的前提下，通过使用有法对该锻压机床床身结构进行多目标优化设计，从而提高床身的和抗振能力，减小变形的同时减轻床身的质量。1.3 本研究的内容实施绿色是业发展的必然趋势，齿轮是重要的机械，而滚齿机将近占制齿机床数量的一半，是业必备的之一。滚齿机床身结构关系到滚齿

28、机的结构性、精度以及生产成本，更制约着滚齿机的质量。5重庆大学本科学生毕业设计（）1 绪论从这个方面来说，对高速干切滚齿机的床身结构进行合理、优化的设计非常必要。本文将结合 YS3112 高速干切滚齿机的特点进行床身结构设计及三维建模，完成床身有分析。各个章节的主要内容如下：第一章 绪论，深入探讨了研究背景，分析了高速干切滚齿机的国内外研究现状，并总结了床身结构设计的国内外研究现状，在此基础上，明确了本的研究内容。第二章 YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计流程，从高速干切滚齿机床身的特点、结构分析、材料的选择等方面着重分析了滚齿机的床身结构设计要求，了高速干切滚齿机床身结构设计流程。第三

29、章 YS3112 高速干切滚齿机床身结构的建模，了 CAD 三维建模技术UG NX4.0 的相关情况，结合第二章高速干切滚齿机床身结构设计和三维建模的要求对设计出的滚齿机床身进行三维建模。第四章 YS3112 高速干切滚齿机床身结构的有分析，本章开头简要模型转化，最后利用了有ANSYS分析，然后将建立起来的床身实体模型向有对滚齿机床身模型进行静力、动力、热变形以及模态分析。第五章 结论，在前面研究工作的基础上，提出了相关结论。1.4 本章小结本章概述了高速干切滚齿机床身结构设计的目的及意义，第二节参考相关文献论述了国内外在高速干切滚齿机床身结构设计方面的研究现状，第三节简单概括了本研究的主要内

30、容。6重庆大学本科学生毕业设计（）2 YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计流程2YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计流程2.1 YS3112 高速干切滚齿机床身的特点2.1.1 概述科学技术的不断发展，给机床带来了巨大的，对于现代机床来说，高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化是其发展趋势。与常规切削相比，高速切削具有独特的优点，除极大地提高了生产率以外，其另一明显优势是可以得到很高的零件齿机作为齿轮表面质量，此外还可以在无冷却液的情况下进行干切削。滚的主要装备，对滚齿质量的影响无疑是巨大的，机床床身作为滚齿机的一个重要的结构大件，它起着支撑工件和主轴箱、大小立柱等关键零部件的作用，

31、直接到齿轮的精度和表面粗糙度等。2.1.2 YS3112 高速干切滚齿机床身材料分析近年来，很多公司和科研对滚齿机床身材料做了大量研究。可以用作滚齿机床身材料的有：灰铸铁、钢材焊接件、矿物铸件和轻质材料。通过次的研究发现，滚齿机床身的材料需要具有如下特点： 耐磨性和耐腐蚀性良好； 热性和性良好；成一定形状； 可根据结构需要 满足床身结构的、强度及性等要求。长久以来，灰铸铁材料因具有的典型优势而作为床身的主要材料20。灰铸铁的性好，体收缩和线收缩小，铸造性能良好，容易获得形状复杂的铸件，在铸造中加入少量合金元素可提高耐磨性能。灰铸铁的切削性能好，精度高，工艺成熟。机床运行时转速很高，容易产生振动

32、，而笨重的灰铸铁材料及其高含量的以起到减震的效果。灰铸铁材料强度、都很高，塑性变形小，不易产生形变。虽然灰铸铁生产周期长、废品率高、减震性能差、阻尼特性不突出，但是灰铸铁的造价低，对于超重的机床床身而言其性价比最高。因而本设计的 YS3112 高速干切滚齿机床身，材料采用灰铸铁。除了灰铸铁以外，还可以用钢材焊接成床身，并根据受力情况布置肋板，其造型简单迅速，对单间小批量生产适应性较强。由于钢的弹性模量比铸铁大，在同样的载荷条件下壁可以做得比铸铁轻，固有频率高。但不应过分追求重量上的轻巧，壁厚不宜太薄，须适当增加肋板防止薄壁振动。钢的内摩擦阻尼小较，材料的内阻尼仅占整台机床总阻尼的 10%，而各

33、零部件结合处的阻尼占 90%左右，所以材料的内阻尼对整台机床的影响较小。另外，焊接结构的焊缝本身有阻尼作7重庆大学本科学生毕业设计（）2 YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计流程用，采用焊接蜂窝状夹层结构及封闭式箱型结构，可有效地提高抗振能力，并保证有高的扭转和弯曲。钢材焊接件结构复杂，承受的工作载荷大，抗变形能力差，焊接裂纹处易产生疲劳，焊接施工难度大21。矿物铸件(国内称作人造花岗石)是一种新型结构材料，与传统床身材料铸铁相比较，矿物铸件对热不敏感、导热系数低，受环境温度影响小；吸振性能好、稳定性高；环保、低能耗；在常温下经一次浇制即可成形，生产工序少20，且形状工整、表面光滑、精确，

34、极大地降低了后续的机械切削工作量；对酸碱不敏感，耐蚀性好，切削液对其损坏小等等，因而矿物铸件被广泛应用于高精度。目前，欧美等工业22广泛应用人造花岗石，提高了和高速的机械性能和精度，我国在这方面的研究起步晚，目前已取得一定成果。矿物铸件是一种面向未来的环保材料，将以其价格和性能优势替代传统的铸铁来床身。机床近年来，纤维增强聚合物基材料、蜂窝铝，金属等轻质材料23开始应用到机床行业，这类轻质材料在减重、阻尼和精度方面具有明显优势。就三明治夹层结构为主导的轻质材料和结构而言，它们的芯层材料纤维增强复合材料、金属、中空球形复合材料、聚合物、点阵材料和蜂窝材料等，其在机床的支撑件如床身中发挥的作用越来

35、越重要。金属材料具有很物理以及力学性能，机床床身采用填充提高机床固有频率。金属的中空部件和夹层结构能够减轻床身重量，2.1.3 YS3112 高速干切滚齿机床身结构特点高速是指 5 到 10 倍于常规切削速度进行切削的一种高速，度大，极高速时，主轴转速高、输出转矩及输出功率大、进给速度高、大地提高了时间内的材料切除率，从而提高了生产效率。高速切削过程中，超过 95%24的切削热在来不及传给工件的情况下就被切屑迅速带走。任何事物都具有两面性，在利用高速滚齿到扬长避短。优点的同时更应该避免它的不足，做滚齿过程中，切削时所耗费的能量除了 1%2%用以形成新的表面和以晶格扭曲等形式形成潜藏能外4，剩下

36、的都转化为热能，且热能集中在较小的几个变形区内，这使得刀具和切屑接触区域的温度很高，速度极快。高温不仅影响着滚刀的磨损，也影响着工件的表面质量和精度。传统的滚齿靠切削液来提高切削质量，同时，切削液的使用能够延长滚刀，减少工件的热变形，减少刀屑与工件的摩擦，使切削顺利排出，将切屑从机面质量，起到冷却、润滑和工件的作用。冲走，提高已齿高速干切滚齿机进行滚齿时，采用的是高速干式切削法，这种8重庆大学本科学生毕业设计（）2 YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计流程是在无切削液的作用下用很高的切削速度进行滚齿。基于此，高速干切滚齿机的床身必须有其独特的地方，以便快速地排出滚烫的切屑，快速地散发产生的

37、热量，防止机床温度升高。为了保证机床的刚性、热平衡及排屑顺畅，高速干切滚齿机宜采用高刚性的多层壁结构及方便排屑的大斜面结构。床身采层全对称设计，合理布置床身内部隔板(采用“井”字形肋)和肋条，使壁结构且得在较小的重量下有较高的，这样既保证了良刚性，又保证了热平衡；排屑槽设计在机床的区域内，可快速地排出滚烫的切屑，此外，对于高速干式切削滚齿机，切屑的快速顺利排除能够避免高屑在机床中存留而引起机床各零部件产生热变形。因此，机床区域内不能有凹面及大平面，尽可能设计成大斜面，同时在这些大斜面面上安装一层表面光滑且具有隔热作用的不锈钢钢板，以便利于切屑尽快落到排屑器中排出机床外，对于有可能积存切屑的地方

38、，如夹具的定位面，宜采用常规空气将其吹走，这同时保证了定位面的清洁干燥。如果排屑槽使用绝热材料，则高速干切滚齿机的热量问题就要比使用冷却液的传统滚齿机更为简单25。2.1.4 YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计要求高速干切削对滚齿机的要求主要对滚齿机的整体结构和辅助设施而言，床身作为结构支承件，是保证滚齿机工作的基础大件。过程中，滚刀与工件之间相互作用的力沿着大部分支撑件传递并引起变形。在使用干切削技术且速度高的条件下滚齿，必然伴随大量的热产生，这势必影响到素，YS3112 高速干切滚齿机床身结构应达到以下要求：精度。综合上述因和较高的重量比24。足够的静和 床身具有足够的静重量比才能够

39、保证机床在静态载荷下不至产生大的变形，避免影响身最基本的要求。精度，它是床 床身具有足够的强度和、较抗振性。强度是衡量床身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标；意指床身抗扭弯变形能力的床身整机的刚性，足够的度的影响很大。能够保证强力切削时机床变形小；床身抗振性能的强弱对精 床身结构简单，重量轻，方便。床身结构力求简单，筋的布置和壁厚的设计要合理，铸造工艺性要好，床身整体重量轻从而节约材料降低成本，此外床身后续工作量要小，避免不合理结构的出现。 保证排屑顺畅。滚齿机宜采用方便排屑的立式主轴布置，在床身上应留出排屑槽，从而使切屑在重力作用的参与下顺利地落入排屑槽下方的切屑传送装置上，快速散发热量，

40、防止机床温度的升高。 采取隔热措施。对于铸铁床身来说，宜使用保护罩来保护陡峭的倾斜壁，9重庆大学本科学生毕业设计（）2 YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计流程防止切屑与机床部件间的直接接触，如果排屑槽用绝热材料对机床的影响将会更小等26。，那么高屑 保证热平衡性。温度不均会引起热变形进而影响精度，例如可以将电机设置在机床的纵向轴上作为热平衡结构。此外，床身应采用热体铸造框架式或龙门式结构，增加绝热倾斜盖板。性较整 对称设计床身结构。调查显示，干切削机床的对称性设计极其重要。床身横向对称设计的同时增大床身面积，床身内部设计出具有热补偿能力的空腔，排屑器放置在机床 具有良等，这些措施可有效提

41、高滚齿机的动态特性。移动部件需要频繁作往复能力和精度。，引起惯性力方向反不足，容易产生整机复改变，且切削中有交变载荷的作用，如果床身的动态振动，床身动态特性的好坏对机床的性能起到的作用。 具备较热变形特性24。由于高速干切滚齿机的主轴转速和进给速度远高于普通滚齿机，所以由摩擦热、切削热等热源引起的热变形问题更为严重，同时高速干切滚齿机要求在连续工作的条件下保证工件的高精度，因而机床的热变形问题尤其应该重视。在设计时，除了采取措施加强散热之外，还要求床身热特性好，热变形小或者热变形对精度影响小。减少机床热变形的措施：改进结构以减少热变形对通过热变形自动补偿装置精度的影响；对机床发热部位进行散热、

42、强制冷却；机床的。2.2 YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计过程分析机床床身结构设计过程本质上是一个对进行收集、分析、传递、采纳使用的过程，该过程包含了两个重要的方面：设计与。床身结构设计可以看作是设计活动和活动彼此交织相互作用的过程，设计活动推动流程向前演进，而盾、分析量轻的则是验证设计结果的重要。实际身结构设计是一个发现矛和处理的复杂过程。例如，要求床身强度大、刚性好和床身重；、装配精度高和成本低的等等。设计者应该尽可能地运用现代科技的最新成果，抓住主要，恰如其分地处理好各种次要，才能设计出高质量的机床床身。由于机床床身种类繁多，用途不一，性能结构差异很大，所以机床床身的设计过程有所

43、不同。根据床身设计的影响因素，总结出如下所示的 YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计流程图（图 2.1）：10重庆大学本科学生毕业设计（）2 YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计流程相关标准研究目的研究内容实现途径未通过审核通过床身长度床身宽度床身材料床身高度床身造型床身截面高宽比床身壁厚床身布局确定床身基本床身肋板布局肋板布置形式审核肋板几何通过床身模型床身接口孔吊装孔动、静力分析、强度分析热变形分析模态分析图 2.1 YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计流程图11完成设计ANSYS分析未通过审核通过未通过审核通过整理归档工艺文件三维转二维工程图三维建模床身设计床身特点设计要求

44、结构工艺性未通过三维实例库国内外床身结构图概念设计总体设计设计任务书质量功能配置需求分析重庆大学本科学生毕业设计（）2 YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计流程作为 YS3112 高速干切滚齿机的重要支撑部件，其床身结构的设计必须满足加工过程的需求。对于任何机械的设计来说，设计者首先应该根据、市场或者客户的需要和使用要求来确定其功能范围和工作指标，研究实现的可行性。在高速干切滚齿机床身结构设计的第一阶段，依据市场调研分析的结果，运用质量功能配置的，在床身设计相关标准的基础上，制定出设计任务书，在任务书中应该指出设计目的、设计内容以及实现途径，任务书审核通过阶段的设计工作。下一依靠现有资料，

45、深入了解国内外相关领域的研究现状，在任务书规定的框架内，开始进行床身结构设计的第段概念设计与总体设计。高速干切滚齿机不同于传统滚齿机，要实现高速和无切削液，其床身结构必然有其不同寻常的地方。设计者必须清楚高速干切滚齿机床身结构的特点，对其床身设计的要求了然于胸，充分考虑结构工艺性，在此基础上进行床身设计。滚齿机床身结构的设计须以：所用材料能够满足床身的使用要求；床身造型美观大方；床身布局合理，便于排屑；床身肋板的布置应该合理高效，用最少的肋板保证床身的的、强度；床身还应该对称设计以求热平衡，减少机床热变形对精度。在这些设计工作的基础上，确定出床身的长度、宽度、高度、床身截面高宽比、床身壁厚等基

46、本。通常来说，在这一设计阶段中，往往要进行多方案和技术评价，从中选最佳方案。高速干切滚齿机床身结构设计的第三阶段是依据三维 CAD 建模技术，在参考国内外床身结构图的基础上建立出床身模型、床身接口、孔、吊装孔等的床身实体模型。在这一阶段实施过程中，首先应当对所要建立的模型有大概的印象，明确床身模型建立的具体步骤，确定好模型建立的基准集合体。完成了床身模型的建立后，就可以利用 ANSYS 有分析对其进行相关分析，评估设计是否达到要求。对于高速干切滚齿机来说，其床身结构的有动静力分析、热变形分析和模态分析三个大部分。如果有分析应当分析满足设计要求，下一阶段的设计工作。设计出来的床身结构最终会被用于

47、实际生产，虽然实体模型便于感官，能够直观地看到床身的完整形状，但是不能用于指导生产。根据建立床身实体模型和，画出床身的二维工程图，并设计出工艺文件。到此，完成了高速干切滚齿机床身结构的设计。机床床身设计过程的各个阶段是相互紧密关联的，在某一阶段中发现的问题和不当之处，必须返回到前面有关阶段去修改，因此，床身设计过程是一个不断返回、不断修改和完善，以逐步接近最优结果的过程。12重庆大学本科学生毕业设计（）2 YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计流程2.3 本章小结本章从 YS3112 高速干切滚齿机的床身材料，床身结构特点，床身设计的具体要求出发，在国内外现有资料的基础上，着重探讨了 YS3

48、112 高速干切滚齿机床身结构设计的详细流程，了 YS3112 高速干切滚齿机床身结构设计流程。13重庆大学本科学生毕业设计（）3 YS3112 高速干切滚齿机床身结构的建模3YS3112 高速干切滚齿机床身结构的建模3.1 CAD 三维建模技术及 UG3.1.1 CAD 三维建模技术简介简介20 世纪 50 年代后期，机械设计领域出现了依赖计算机软、硬件资源、外部设备、开发环境等工具进行设计的 CAD 技术。CAD 是 Computer Aided Design（计算机辅助设计）的缩写，作为是一门综合性的设计技术，CAD 体现了传统设计与计算机技术的有机结合。设计者运用 CAD，根据设计和流

49、程进行设计，通过人、机交互操作方式进行构思、概念设计、总体设计、详细设计、分析计算、制定工艺，以及编写技术文件等27。工业实际应用的需求催生了 CAD 技术的发展，随着实际应用的需要，计算机新技术和新算法在 CAD 中不断出现和发展。建模技术是 CAD 的技术，它经历了二维建模、三维几何建模(包含线框建模、曲面建模、实体建模)、特征建模(包含参数化建模、变量化建模)及进入 21 世纪以来，集成建模的发展过程。的迅速发展推动着全球由工业向的过渡，业化已成为发展的必然趋势。采用高速、高效、低成本的 CAD 三维建模技术不但符合了绿色的大趋势，而且有利于提高企业的竞争力。3.1.2 UG简介CAD

50、三维建模技术在机械行业的使用，根本性地改变了机械的设计、工、装配等环节，节约了开发成本28，大幅度提升了新产艺、分析计算、品开发效率， 缩短了上市时间。常用的三维建模技术有： AutodeskInventor，Solid Edge，SolidWorks，Pro/Engineer，CATIA，UG。UG (Unigraphics)是UGS 公司推出的 CAD/CAM/CAE集成，是一个交互式 CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的构建，被广泛应用于航空、机械等行业，是公认的世界一流的 CAD/CAM/CAE之一。UG 最早应用于的麦道飞机公

51、司，是从二维绘图、数控编程、曲面造型等功能发展起来29 。 90年代初， 通用汽车公司选中 UG 作为全公司的 CAD/CAE/CAM/CIM 主导系统，这进一步推动了 UG 的发展。在 UG 中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，使得它被大多数机械设计及厂家所采用，几乎所有飞机发动机和大部分汽车发动机都采用UG 进行设计，充分体现 UG 在高端工程领域，特别是军工领域的强大实力27。在本中，将运用 UG NX4.0 对高速干切滚齿机床身结构进行三维实体建14重庆大学本科学生毕业设计（）3 YS3112 高速干切滚齿机床身结构的建模模。UG NX4.0 实体建模是基于特征的参数化系统，具有交互创建和编辑复杂实体模型的能力，能够帮助设计者快速进行概念设计和局部结构设计。另外系统还将保留每一步设计，与传统基于线框和实体的 CAD 系统相比，它具有特征识别的编辑功能。UG NX4.0 面向生命周期而进行，涵盖的概念设计、详细设计、装配、生成工程图、运用分析和数控方面。它既可进行参数化设计也可以进行并行工程设计，其主要功能29如图 3.1：UG NX4.0机构运动分析产品设计CAD性能分析CAE零件加工CAM产品宣传布线图 3.1 UG NX4.