基于斜床机床导轨的设计与床身结构优化研究分析

1 导轨结合面尺寸设计

机床导轨结合面是机床床身与导轨连接之间非常最要的位置，其尺寸有着至关重要的作用。可以对刀架起到导向和承载的作用，同时导轨的性能优劣也直接会影响到机床的指标。

对机床导轨结合面进行设计需要充分考虑机床的类型。同时还要了解机床加工的参数、转速范围等，机床的导轨形式也是决定性因素。传统的导轨设计方法是通过每个导轨之间的关系与系数进行换算，最终得出导轨的尺寸数值，图1为传统导轨尺寸关系

图1 传统导轨尺寸关系图

注：Bd 为跨距，Dmax 为加工最大直径，Bm 为床身宽度，BH 为外壁板距离，Ln 为导轨接触长度，L 床鞍中部宽度，L1为床鞍左侧宽度。

2 导轨尺寸设计

卧式机床是非常普遍的机床，而斜床身是卧式机床的一种。在对导轨尺寸设计过程中需要满足以下设计原则：

（1）两个导轨之间的距离需要精确设计，原因为导轨之间的跨距会影响机床的平稳性，会出现倾覆角，一般的设计原则为通过加工零件的最大直径来设计跨距；

（2）导轨的尺寸上需要能满足一定载荷的需求，导轨的主要作用就是支撑与导向，所以需要承受加工零件过程中产生的力矩，同时还需要满足刀架本身的重力；

（3）导轨的长度会影响机床承受载荷的大小，同时也会影响放置刀架系统，所以需要根据加工零件的范围，刀架的尺寸进行长度设计。

对于导轨的设计中，导轨的跨距和导轨的长度是主要的设计对象，而斜床身是一个非常典型的机床代表。床身由两个主轴进行联动，控制系统为半闭环控制系统，同时整个床身为45°的结构。机床整体的床身采用铸造的方法得到的，增加了圆筒筋板，机床的整体强度非常高，在承载能力方面非常好，对切削过程中的精度能够保障。

在机床导轨的设计中，载荷的计算是一个非常关键的环节，设计之前需要对机床导轨载荷进行计算才能知道导轨的设计要求，在计算载荷的时候需要将导轨进行简化。

在模型简化完成之前还需要对机床进行整体的受力分析，机床在工作中主要的受力部件为床身、滑板、床鞍、主轴箱、尾座，它们之间具有关联性，床身的作用是连接主轴箱、床鞍、尾座导轨等系统，主轴箱和尾座受到切削力作用，切削力的计算公式为：

Fp=0.45·Fc

Ff=0.35·Fc

式中：Fc ——主切削力；

Fp ——背向力；

Ff ——进给切削力；

Pe ——主轴电机功率；

Pc ——切削功率；

η——能量传递效率；

V——切削速度。

3 结构优化

机床设计中需要对结构进行优化，主要的优化方向分为以下几点：

（1）基本性能方向的优化，在机床的使用中，需要保证一些基本的工作功能，同时还需要具有一定的基本性能，机床结构的强度、刚度、使用寿命等；

（2）机床轻量化优化，机床的零件中，90%以上都是金属元件，所以在对机床结构优化中，需要进行轻量化分析，在满足刚度和强度的前提下，采用一些新材料和质量小的材料，同时也可以采用材料替代的方式，将一些辅助零件进行替换，减轻机床本身的重量。

（3）特殊结构设计，在机床的结构优化中，需要满足客户的需求，所以在设计中会将一些成形的方案进行优化，通过对方案的改造和增加最终得到客户需求的方案，这种机构的优化需要特别关注。

（4）结构简化，机床的结构中，不要采用特别复杂的结构，机构和结构要简化，便于后期的维修和保养，将机床机构中复杂的零件简化为简单的结构零件。

持续优化是一个非常重要的课题，在任何行业内，都需要不断的前进，优化是不断完善的前提，同时也是走向更深层次的前提，机床机构的优化也是非常重要的，主要的优化从以下几个方面进行：

（1）法向刚度分析，通过利用有限元的方法对导轨进行刚度与载荷关系的分析，例如在对导轨法向刚度进行分析，选取的对象为上下铸造板和中间贴塑板为研究对象，结构中贴塑板是与上板粘连的；

（2）抗扭转刚度分析，导轨在实际使用中，会受到扭转载荷的作用，特别是斜床机床的零件加工过程中，该机床的导轨系统中，导轨通过凹形与压板之间的配合将导轨固定上，这种结构优点非常稳定。

4 结 语

本文是通过斜床为研究对象，对其本身的导轨系统进行研究分析，通过总结与优化传统的设计方法，在结合机床导轨的刚度，导轨跨距的设计，最终可以设计出最优的导轨尺寸，机床床身是支撑与组装整个机床零件的载体，设计出符合要求、轻量化的床身，也是为了发展中一个关键任务。