[发明专利]一种超高速磨床床身的设计方法及结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高速磨床床身的设计方法及结构，适用于砂轮线速度为120m/s～250m/s的磨床，属于磨床生产技术领域。

背景技术

有关基础研究成果表明，高速与超高速磨削可以实现高效率、高精度的完美统一，这是因为一方面，由于高速可以使切削激励力远离机床的低阶固有频率，使加工过程稳定可靠，而有利于加工质量提高；另一方面，由于磨削热、力、化学和工件材料等的耦合效应，在高速或超高速条件下的相关工作区域，工件上的实际作用力、温度及其分布可以大大优于常规磨削速度情况。因此，可以完全避免和改善磨削表面烧伤问题，减小机床受热变形、受力变形等影响加工质量、机床精度和使用寿命等的缺陷。

然而，我国目前生产用的磨床，如通用磨床的砂轮线速度一般为35-45m/s，轴承磨床的砂轮线速度不超过60m/s，一些实验用的高速与超高速磨床，理论砂轮线速度可达120m/s甚至以上的磨床，实际磨削时的砂轮线速度突破100m/s的很少，即使砂轮线速度突破100m/s的磨床，其磨削深度、表面粗糙度等，也即磨削效率和磨削表面质量等仍然受到限制，分析个中原因之一是高速磨床的床身尚不能具备良好的高速特性，如足够的支撑刚性和强度、极好的抗振能力和良好的高速稳定性等。因此，提供一种科学的分析与计算方法、简洁而真实的设计过程，在高速与超高速机床床身研制中，提供可信的基础数据并进行综合优化评价，已变得非常迫切和刻不容缓。

公开号为CN101811257A的专利提出了一种机床床身优化设计方法，其将床身加强筋设计分成三个阶段，1)以结构刚度为目标，进行床身加强筋分布形态设计；2)以自振频率为目标，进行尺寸的详细设计；3)工艺孔及其位置的拓扑设计。但由作者给出的具体实施方式及其表1可以看出，该方法给出的优化结果对床身性能改善不大；未能突破传统方格型加强筋的布置格局，即未能有效地提高床身静动态特性；优化设计时需要设置优化目标值(自振频率)，对于全新的设计问题，该设计过程显得非常繁琐且设计结果仍会与实际实施目标具有明显差距。公开号为101653909A的专利提出了一种卧式镗铣床的床身加强筋结构，其特征是中间为圆形，圆形的四周呈放射状发散，使床身整体受力强度提高，但文献未涉及科学或具体的计算方法、分析对比数据及实施例。

综上所述，提出一种科学的、可简化设计过程的床身优化设计方法，建立一种可定量计算的床身加强筋优化设计模型，给出一种满足各类机床尤其是高速与超高速磨床高的静动态特性要求的床身加强筋结构不仅具有理论研究价值，更重要的是具有工程应用价值和推动创新设计的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种超高速磨床的床身结构及其设计方法，以解决现有技术及装备对高速磨削支撑不足的现象与技术瓶颈。

为了达到上述目的，本发明提供了一种超高速磨床床身的设计方法，其特征在于，将超高速磨床床身的结构分为约束结构和非约束结构，所述约束结构包括砂轮主轴箱座、工件主轴箱座及其工作台基座以及砂轮修整器及其工作台基座，所述非约束结构包括床身工作台面、床身支撑框架以及加强筋；在约束机构不变的基础上，对非约束结构进行优化。

所述的非约束结构的优化方法如下：

(1)所述的床身工作台面的上平面(即与约束结构直接相连的表面)的四个角在垂直工作台面法线方向上呈三高一低，形成冷却液和磨屑顺畅流动的工作曲面，在低点处设置冷却液和磨屑的出口孔。

(2)所述的加强筋采用米字形矩形单元结构，使最主要的约束结构砂轮主轴箱座完全对称位于米字形矩形单元之上，即指砂轮主轴箱座的对称中心与米字形矩形单元的对称中心相重合。

(3)所述米字形矩形单元的长l、宽b、长度方向的个数S_l和宽度方向的个数S_b取决于床身加强筋的总长L、总宽B以及砂轮主轴箱座沿床身长度方向的尺寸l_c与沿床身宽度方向的尺寸b_c，其综合优化的计算模型如下：

米字形矩形单元长度初值l_I为：

l_I＝(1±0.1)l_c；

米字形矩形单元长度方向的个数S_l为：

S_l＝int(L/l_Imin，L/l_Imax)；

米字形矩形单元的长度l为：

l＝L/S_l；

米字形矩形单元宽度初值b_I为：