第3章 总体设计方案的拟定 根据以上布局形式的初步确定，立式加工中心的总体布局图如下：
图3 小型加工中心的总体布局图
以上为本次设计的总体方案，在设计中会根据不同的实际问题和具体的情况做出改动，不断完善此设计。
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第4章 基础结构部件的设计 第4章 基础结构部件的设计
基础结构部件通常是指构成立式加工中心主体的那些功能部件，如床身部件、立柱部件和工作台部件等。基础结构部件是机床的承载与支承的基体，它支承各构件并为运动部件导向。这些部件要承受一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力以及相应的弯矩和扭矩[5]。
4.1床身的设计
4.1.1 床身的作用
床身是整个加工中心的基础支承件，一般用来放置导轨、主轴箱和工作台等重要部件。为了满足加工中心机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化要求，加工中心床身主要有以下两大功能：
1、支承作用 即支承其它零部件，在机床承受切削时，承受着一定的重力、切削力、摩擦力、以及夹紧力；
2、基准作用 即保证机床在使用中或者长期使用后，能够保证各部件之间正确的相互位置关系和相对运动轨迹。
4.1.2 床身的基本要求
1、刚度要求 在切削力、机床部件的和工件重量的作用下，床身本身与其它部件的接触面就会产生形变，机床原有的几何精度就会被破坏，从而给加工带来误差；如果床身的刚度不足，不仅会产生变形，还会产生爬行和振动，从而影响机床的定位精度及其它性能。因此床身要有足够大的刚度。
2、抗震性要求 振动不仅会使机床产生噪声，同时也会影响加工质量，因此床身应有足够的抗震性，具有合乎要求的动态特性。
3、热变形要求 机床工作时，电动机、传动系统的机械摩擦及切削过程都会发热，机床周围环境温度的变化也会引起床身温度变换，产生热变形。从而影响机床的工作精度和几何精度。因此应对床身的热变形及热应力加以控制。
4、内应力要求 床身在铸造、焊接以及粗加工过程中，材料内部会产生内应力，导致变形。床身的设计应从结构、材料上保证其内应力要小，例如对于铸造床身，各处金属分布应均匀，尽可能避免壁厚突然转换的过度面。
5、其它 床身还应该使排屑通畅，操作方便，吊运安全，切削液及润滑油回收方便，加工及装配工艺性好等。
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第4章 基础结构部件的设计 4.1.3 床身结构设计及材料选择
1、结构设计
床身是机床的关键基础件之一，要求有足够的静、动刚度和精度保持性。为减少连接环节，增大支承件的重量，提高床身的刚性，通常都把它设计成整体件，并选择稳定性较好的横截面形式。床身设计往往会受机床总体设计和工艺手段的制约在满足总体设计要求的前提下，应尽可能做到既要结构合理、肋板布置恰当，又要保证良好的冷、热加工工艺性。中、小型立式加工中心，一般都采用固定立柱式，把床身与支承立柱的底座连接在一起，构成了一个整体床身，这类床身的加工工艺性、刚性、精度保持性都比较好。平面上的两个坐标移动是由滑块和工作台实现的，床身结构比较简单[13]。
本立式加工中心采用立柱全行程移动、工作台固定。这样不仅便于操作，易于配置NC转台，还可以有效提高生产效率。（下图为某立式加工中心床身图）
图4.1 小型加工中心床身
2、床身材料
材料选择灰铸铁HT250，因为灰铸铁的铸造性能好，便于铸成形状复杂的零件，
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第4章 基础结构部件的设计 而且抗震性较好，价格也便宜，因此选用灰铸铁为床身的材料。由于铸件在铸造成型后，冷却过程中会因为收缩造成内应力，而内应力的产生会影响机床精度，是加工出的零件精度受到影响，所以要进行时效处理以消除内应力。
床身铸件的壁厚要均匀，拐角处要采取圆滑过渡，要有足够大的清砂口，加工平面应尽可能在一个平面内以便加工。
4.1.4 床身的肋板布置和截面的形状
加工中心的静刚度和适当的固有频率靠合理的截面形状与尺寸、恰当的肋板布置来获得。加工中心内部肋板布置形式很多，归纳起来可分为纵向、横向和斜向三大类。纵向肋板可以加强纵向抗弯强度；横向肋板对提高抗扭刚度有显著效果；斜向肋板对提高抗弯、抗扭刚度又较好的效果。虽然斜向肋板抗弯扭刚度综合效果好一些，但考虑到斜向肋板铸造工艺的复杂性及机床经济性要求，所以很少甚至根本不采用斜向肋板。
当肋板厚度相同时，米字形肋板结构的抗弯刚度接近与#字形肋板结构，而抗扭刚度却是井字形肋板结构的两倍。但制造工时却比#字形肋板多2～3倍，而工艺性差。综合考虑，本次设计采用了#字形肋板[13]。
4.2 立柱的设计
4.2.1 设计立柱的基本要求
加工中心的立柱，随卧式加工中心和立式加工中心的不同，其结构形式亦不相同，但是他们既然是加工中心的立柱，就要支撑主轴箱，使之沿垂直方向上下移动。这就使它在承受切削力、振动、温度变化等恶劣环境条件下进行工作。因此，立柱亦和床身一样，是加工中心的主要基础零部件，是主轴箱支承和导向的主体，要求具有足够的构建刚度和良好的抗震性以及热变形性。
为了满足对立柱的这一要求，在设计结构和肋板布局上，要有合理的安排。
4.2.2 立柱的结构设计
1、结构设计
由于立、卧式两种加工中心结构上的差异和受力不同等原因，通常把立式加工中心的立柱的横截面设计成矩形或下正方形。
米字型肋板，它的抗扭刚度比#字形肋板的高得多。只是米字型肋板的铸造工时比#字形肋板多2~3倍。出于这种原因，本立柱，仍采用井字型肋板。
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第4章 基础结构部件的设计 平衡主轴箱重量的平衡重，一般设在立柱里腔，随主轴箱的升降而升降。采用这种平衡方式的立式加工中心，其立柱内腔是空的[13]。故本立柱内腔是空的。
在设计立柱时，还要考虑在运输中固定平衡重的稳妥可靠地方法。 2、立柱的材料选择
立柱材料选为灰铸铁HT250，因为灰铸铁的铸造性能好，便于铸成形状复杂的零件，而且抗震性较好，价格也便宜，因此选用灰铸铁为立柱的材料。由于铸件在铸造成型后，冷却过程中会因为收缩造成内应力，而内应力的产生会影响机床精度，是加工出的零件精度受到影响，所以要进行时效处理以消除内应力。
立柱铸件的壁厚要均匀，拐角处要采取圆滑过渡，要有足够大的清砂口，加工平面应尽可能在一个平面内以便加工。
4.2.3 立柱导轨形式及精度
1、导轨形式
从工艺性角度考虑，采用平—平导轨形式。 2、导轨精度
本次设计的是高精度的中型立式加工中心，立柱导轨精度可取推荐值如下: 直线度: 0.006～0.015mm 两导轨扭曲度：0.01～0.015mm
立柱底面对主导向面垂直度：小于0.01mm 安装滚动导轨基面的直线度：0.05～0.01mm[13]。
4.2.4 立柱与床身的联结
立柱与床身的联结，一般采用螺栓紧固和圆锥销定位方式。
为了提高圆锥销的定位效果，必须用专用圆锥销。它是根据所用锥铰刀的实际锥角，配磨圆锥销，以提高圆锥销在圆锥孔内的接触效果。标准圆锥销，因与实际锥铰刀有角度差别，接触效果不理想，故在关键定位部位不能用标准圆锥销，而必须用专用圆锥销。
为了提高立柱与床身的联结刚度，通常采用如下措施：
1）采用预紧力 螺栓联结时，应使结合面保持在不小于2Mpa的预紧力。 2）提高有效接触面积的平面度，减小接触面的粗糙程度值，以提高结合强度。通常采用刮研或磨削手段来实现。
3）增加局部刚度 在紧固螺栓位置处，加大加厚凸缘或增添加强肋[13]。
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小型立式加工中心机械结构设计大学论文
