CA6140机床床身结构设计与优化
CA6140车床结构解读
CA6140车床结构解读首先是床身结构。
床身通常由整体铸铁制成，具有很高的刚性和稳定性。
床身上会设置导轨，用于支撑和引导床载部件的运动。
导轨通常采用V型铁，能够提供良好的刚性和稳定性，以确保加工精度。
其次是主轴箱结构。
主轴箱由床身上的主轴孔、主轴承、主轴驱动装置和变速机构组成。
主轴孔是主轴的安装位置，主轴承用于支撑和导引主轴的旋转运动。
主轴驱动装置和变速机构提供主轴转速的调节功能，以满足不同加工要求。
进给箱作为车床的重要组成部分，负责实现工件和刀具的相对运动。
进给箱通常包括齿轮传动装置、进给电机、进给机构等。
齿轮传动装置通过传递动力，使工件能够实现旋转运动。
进给电机供给机械能给进给机构，使刀架能够沿工件轴向或横向进行进给运动，实现加工操作。
刀架是用于夹持和定位刀具的部件，通常由刀架座、刀架滑块和卡爪等部分组成。
刀架的设计受到加工要求和操作方便性的影响。
刀架座上设置有刀架滑块，可沿床身上的导轨进行移动，并通过刀尖定位器实现刀具的定位。
卡爪用于夹持刀具，确保刀具切削过程中的稳定性和精度。
主轴是车床中最重要的零件之一，主要负责工件的旋转运动。
主轴由主轴箱提供动力，通过主轴承与床身连接，实现工件的位置固定。
主轴的旋转速度和精度对加工结果有着重要的影响，所以主轴设计要求高刚性、高精度，并具备调整旋转速度的功能。
最后是进给系统。
进给系统包括工作台、进给轴、进给传动装置等。
工作台是放置工件的位置，通过进给轴的运动实现工件在车床上的移动。
进给传动装置可以通过手动或自动控制，确保工作台的运动平稳、精度高。
总结起来，CA6140车床的结构复杂而精密，通过床身、主轴箱、进给箱、刀架、主轴和进给系统等组成部分的协同工作，实现对金属材料的精密加工。
这种结构设计能够有效提高车床的加工效率和加工精度，满足制造业对金属零部件加工的要求。
CA6140卧式车床的结构分析(1)只是课件
式离合器M2啮合。主轴获得10r/min～500r/min的低转速； ⅳ)齿式离合器M2啮合脱开，运动由轴Ⅲ直接传给主轴，
得到6级高转速，450r/min～1400r/min。
Ⅴ
26 58
M2 ( 合 )
Ⅵ（主轴）
50
51
63 50
56 39
电机（7.5kw,1450 r/min)
130 230
Ⅰ
M1左
3581
43
M1右
50 34
Ⅶ
34 30
Ⅱ
3401
50 22
58
Ⅲ
20
20
80 50
Ⅳ
2、车床运动：车床的主运动是由工件的旋转运动实现 的；进给运动则由刀具的直线移动完成的。
3、车床分类：按其用途和结构的不同，主要分为：卧式 车床及落地车床，立式车床，转塔车床，仪表车床，单 轴自动和半自动车床，多轴自动和半自动车床，彷形车 床及多刀专门化车床，车床。
这里仅介绍CA6140型卧式车床， 目的如下：
80 50
Ⅴ
26 58
M2(合
)
Ⅵ（主轴）
50
51
63 50
b)主轴转速级数和转速 经低速传动路线时，主轴获得的实际转速是2×3×（2×2-1）=18级转
速，加上由高速传动路线获得的6级转速，主轴共可获得24级正转转速。 主轴反转时，有3×[1+（2×2-1）]=12级转速。
注:ⅰ) 在轴Ⅰ上装有双向多片摩擦离合器M1，使主轴正 转、反转或停止。
任务1认识CA6140型车床的结构
任务1认识CA6140型车床的结构CA6140型车床是一种普通的大型车床，主要用于加工中、小型工件的外圆、内圆、端面、孔等形状。
它具有结构简单、使用方便、加工精度高等特点，被广泛应用于机械制造、航空航天、汽车、军工等行业。
CA6140型车床的主要结构如下：1.主轴箱体：主轴箱体是车床的中心部分，承载着主轴和驱动系统。
它由床身、床架和箱盖组成，具有高刚性和稳定的特点。
主轴箱体上装有刀架、进给系统和主轴马达。
2.床身：床身是车床的基础部分，由铸铁或钢板制成。
它支撑着所有的主要组件，如主轴箱体、工作台等。
床身具有高刚性和稳定性，以确保车床在加工过程中的稳定性和精度。
3.工作台：工作台是安装工件的部分，用于加工工件的移动和旋转。
工作台由转动主轴、尾座、工作台滑道等组成。
工作台具有高精度和可靠性，用于固定和定位工件。
4.刀架：刀架是车床上用于切削工件的工具系统，它能够安装不同类型和规格的切削刀具。
刀架通常由刀架底座、刀架滑块和刀架调节机构组成。
5.进给系统：进给系统是控制车床工作台和刀架运动的部分。
它由进给电机、齿轮传动装置、螺杆和导轨等组成，可实现工作台和刀架的精确运动。
6.冷却液系统：冷却液系统用于冷却和润滑工件和切削刀具，以减少摩擦和热量，提高加工质量和寿命。
冷却液系统通常由水箱、泵和喷嘴组成。
7.控制系统：控制系统是用于操控车床运行的部分，通常由数控系统或手动控制系统组成。
数控系统能够通过计算机程序来控制车床的运动和加工过程，实现自动化生产。
CA6140型车床的结构简单、使用方便、加工精度高，能够满足各种工件的加工需求。
它广泛应用于各个行业，如机械制造、航空航天、汽车和军工等。
在实际应用中，必须根据具体的加工要求和工件类型选择合适的刀具、进给速度和冷却液，以保证加工质量和效率。
同时，对于数控系统的操作和维护要求也需要严格遵守，以确保车床的正常运行和加工精度。
CA6140车床数控改造结构设计说明书
CA6140车床数控改造结构设计说明书1概论数控机床与通用机床相比，增加了功能，提高了性能，简化了结构，较好地解决形状复杂、精密、小批及形状多变零件的加工问题，能够获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控机床的应用也受到其他条件的限制。
1.1 数控机床应用的局限性（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，对中小企业常是心有余而力不足。
（2）目前，各企业都有大量的通用机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费。
（3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。
（4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。
要较好地解决上述问题，通用机床数控化改造便是很好的对策。
通用机床的数控化改造就在通用机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。
这一工作早在20世纪60年代已经开始时迅速发展，并有专门企业经营这门业务。
目前，在国外已发展成为一个新兴的工业部门。
从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造也必不可少，如日本的大企业中有26%的机床经过数控改造，中小企业则多达74%。
在美国有许多数控专业化公司为世界各地担供数控化改造业务。
中国是拥有300多万台机床的国家，其中大部分都是多年累积生产的通用机床，如卧式车床和各种铣床等，自动化程度低，要想在近几年来内用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金还是中国机床制造厂的能力都是办不到的。
因此，通用机床的数控化改造大有可为。
它适合中国的经济水平、生产水平和教育水平，已成为中国设备技术改造主要方向之一1.2机床数控化改造的优点（1）改造闲置设备，能发挥机床的原有功能和改造后的新增功能，提高机床的使用价值。
可以提高固定资产的使用效率。
（2）适应多类、小批量零件生产。
（3）自动化程度高，专业性强，加工精度高，生产效率高。
（4）降低对工人操作技术水平的要求。
（5）数控改造费用低，经济性好。
CA6140型卧式车床主要结构
CA6140型卧式车床主要结构CA6140型卧式车床主要结构（一）主轴箱CA6140车床的主轴箱包括：箱体、主轴部件、传动机构、操纵机构、换向装置、制动装置和润滑装置等。
其功用在于支承主轴和传动其旋转，并使其实现起动、停止、变速和换向等。
机床的主轴箱是一个比较复杂的运动部件，它的装配图包括展开图、各种向视图和剖面图，以表示出主轴箱的所有零件及其装配关系。
1、主轴部件主轴部件是主轴箱最重要的部分，由主轴、主轴轴承和主轴上的传动件、密封件等组成。
主轴前端可安装卡盘，用以夹持工件，并由其带动旋转。
主轴的旋转精度、刚度和抗振性等对工件的加工精度和表面粗糙度有直接影响，因此对主轴部件的要求较高。
CA6140型车床的主轴是一个空心阶梯轴。
其内孔是用于通过棒料或卸下顶尖时所用的铁棒，也可用于通过气动、液压或电动夹紧驱动装置的传动杆。
主轴前端有精密的莫氏6号锥孔，用来安装顶尖或心轴，利用锥面配合的摩擦力直接带动心轴和工件转动。
主轴后端的锥孔是工艺孔。
CA6140型卧式车床的主轴部件在结构上做了较大改进，由原来的三支承结构改为两支承结构；由前端轴向定位改为后端轴向定位。
前轴承为P级精度的双列短圆柱滚子轴承，用于承受径向力。
后轴承为一个推力球轴承和角接触球轴承，分别用于承受轴向力和径向力。
主轴的轴承的润滑都是由润滑油泵供油，润滑油通过进油孔对轴承进行充分润滑，并带走轴承运转所产生的热量。
为了避免漏油，前后轴承均采用了油沟式密封装置。
主轴旋转时，依靠离心力的作用，把经过轴承向外流出的润滑油甩到轴承端盖的接油槽里，然后经回油孔流回主轴箱。
主轴上装有三个齿轮，前端处为斜齿圆柱齿轮，可使主轴传动平稳，传动时齿轮作用在主轴上的轴向力与进给力方向相反，因此可减少主轴前支承所承受的轴向力。
主轴前端安装卡盘、拨盘或其它夹具的部分有多种结构形式。
2、开停和换向装置CA6140型卧式车床采用的双向多片式摩擦离合器实现主轴的开停和换向。
CA6140型车床结构.
CA6140型车床结构CA6140型车床结构如图1所示。
图1 车床结构图1-挂轮箱 2-主轴箱 3-刀架 4-溜板箱 5-尾座 6-床身7-后床脚 8-丝杆 9-光杆 10-操纵杆 11-前床脚 12-进给箱1.主轴箱主轴箱是支撑主轴并带动工件作回转运动。
箱内装有齿轮、轴等零件，组成变速传动机构，变换箱外手柄位置，可使主轴得到多种不同的转速。
2.进给箱进给箱是进给传动系统的变速机构。
它把交换齿轮箱传递来的运动，经过变速后传递给丝杆，以实现各种螺纹的车削或机动进给。
3.挂轮箱挂轮箱是用来将主轴的回转运动传递到进给箱。
更换箱内的齿轮，配合进给箱变速机构，可以得到车削各种螺距的螺纹的进给运动；并满足车削时对不同纵、横向进给量的需求。
4.溜板箱溜板箱接受光杆传递的运动，驱动床鞍和中、小滑板及刀架实现车刀的纵横进给运动。
溜板箱上装有一些微手柄和按钮。
可以方便地操纵车床上来选择诸如机动、手动、车螺纹及快速移动等运动方式。
5.床身床身是车床的大型基础部件，精度要求很高，用来支撑和连接车床的各个部件。
床身上面有两条精确的导轨，床鞍和尾座可沿着导轨移动。
6.刀架刀架由床鞍、两层滑板和刀架体共同组成，用于装夹车刀并带动车刀作纵向、横向和斜向运动。
7.尾座尾座安装在床身导轨上，并可沿着导轨纵向移动，以调整结构及工作位置。
尾座主要用于安装后顶尖，以支撑较长的工件，也可以安装钻头、铰刀等切削刀具进行孔加工。
8.前后床脚前后两个床脚分别与床身前后两端下部连为一体，用以支撑床身及安装在床身上的各个部件。
可以通过调整垫块把床身调整到水平状态，并用其长地脚螺栓固定在此工作场地上。
CA6140车床床身加工工艺及磨床夹具设计
CA6140车床床身加工工艺及磨床夹具设计院、部：机械工程学院学生姓名：周小荣指导教师：范志明职称副教授专业：机械设计制造及其自动化班级：机本0903班完成时间：2013.5.31湖南工学院2013 届毕业设计（论文）课题任务书院：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化指导教师范志明学生姓名周小荣课题名称CA6140车床床身加工工艺及磨床夹具设计内容及任务1、工艺规程（包括工艺过程卡及主要工序工序卡）一套2、零件--毛坯合图3、加工零件图4、夹具装配总图5、夹具零件图一套6、设计说明书一份（绘制图纸折合3张零号图；其中手工绘制图纸折合1张一号图）拟达到的要求或技术指标1、大批生产2、设计的工艺规程应保证零件加工质量，尽量降低工人劳动强度，经济，加工效益好。
3、设计的夹具必须满足工艺要求，结构性能可靠，使用安全省力，操作方便，有利于实现优质高效高产低消耗，能改善劳动条件，设计的夹具应具有良好的结构工艺性，便于制造检验维修装配调整且便于切屑的清理和排除。
4、培养设计能力。
包括计算能力、绘图能力、编写说明书能力、文献检索能力、决策能力、答辩能力。
进度安排起止日期工作内容备注1、3月5日至3月24日2、3月25日至4月13日3、4月14日至5月3日4、5月4至5月23日5、5月24至5月28日查阅和收集设计资料，并写开题报告进行CA6140床身加工工艺及夹具设计并绘制毛坯图填写机械加工工艺过程卡片和工序卡片、绘制床身零件图及夹具装配图编写设计说明书毕业设计（论文）的修改、答辨的准备时间主要参考资料1、李益民.机械制造工艺设计简明手册2、机械加工工艺手册3、李洪.机床设计图册,哈尔滨工业大学4、薛源顺,机床夹具设计5、唐金松,简明机械设计手册6、叶琳,邱龙辉.画法几何与机械制图7、孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理(第七版)8、刘杰民.材料力学教程9、濮良贵,纪名刚.机械设计（第八版）10、周兆元,李翔英.互换性与测量技术基础11、吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册(第二版)教研室意见年月日系主管领导意见年月日湖南工学院毕业设计(论文)开题报告题目CA6140车床床身加工工艺及磨床夹具设计学生姓名周小荣班级学号09201440345 专业机械设计制造及其自动化一、课题简介：CA6140车床是普通精度级万能车床，它运用加工各种轴类，套筒类和盘类零件上的回转表面，以及车削端面等，是应用最广泛的车床。
CA6140--结构解析
第二十页，共26页。
第二十一页，共26页。
四.操纵练习步骤 1．床鞍、中滑板和小滑板摇动练习 （1）中滑板和小滑板慢速均匀移动， 要求双手交替动作自如。
当z33在左位时，运
动从轴Ⅸ经轴Ⅺ传 到轴Ⅹ，传动比不 变，只改变了轴Ⅹ 的旋转方向，用来 加工左旋螺纹。
第十四页，共26页。
③增倍变速组
轴ⅩⅤ到轴ⅩⅦ之间的传动路线为：
有1／8、1／4、1／2、l等4种传动比，这4种传动比 成倍数关系排列,称增倍变速组
（2）丝杠 用来车削螺纹。
（3）光杠 用来传动动力，带动床鞍、中滑板， 使车刀作纵向或横向的进给运动。
答：
第二页，共26页。
新课教学内容
一.CA6140车床基本结构
CA6140型卧式车床属通用的中型 车床。其外型及组成部件如图所示。其 主要组成部件可概括为“三箱刀架尾座 床身”。
第三页，共26页。
CA6140车床外形图
1-主轴箱；2-刀架；3-尾座；4-床身；5、9-床腿； 6光杠；7-丝杠；8-溜板箱；10-进给箱；11-挂轮
第十七页，共26页， 起支撑作用。
第十八页，共26页。
二.CA6140车床型号解释
床身上最大回转直径为400mm的卧式车床 的型号为：
C 61 40
类代号：车床类
组、系代号：卧式车床 主参数：Φ400mm
第十九页，共26页。
三.车削加工的主要工艺类型
第四页，共26页。
车
床 结 构
如图
三箱
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CA6140机床床身结构设计与优化
机床床身的结构性能对整机特性影响很大，关系到整机的加工精度和零件的加工质量，以及整机的运行稳定性与工作寿命。
目前，对普通车床床身的设计缺乏有效的理论依据，床身的设计不尽合理，结构设计上存在不少缺陷。
针对这些因素，有必要进行以减重为目的的床身结构优化。
CA6140车床是普通车床中的主流车床之一，因此对该型号车床的床身进行优化设计有重要的实际意义。
本文利用三维建模软件UG建立床身的简化模型，导入ANSYS中进行模态分析，求得其6阶固有频率，为以防止共振为目的的结构优化提供方向和依据。
以床身原结构为参考，对其腔体数量、肋板厚度及形状进行设计，得到4种优化方案，逐一导入ANSYS中进行分析，求得各方案质量、固有频率、最大振幅以及振型图等。
对各优化后的方案作对比分析，综合考虑刚度、固有频率、质量、振幅与噪声等影响，选择最优方案。
1、车床床身三维模型的建立
车床零部件较多，其中对整机结构性能影响较大的零部件主要有床身、主轴箱、溜板箱、尾架等，因此可以对CA6140车床模型进行简化。
根据CA6140实体建立的床身UG模型如图1所示。
车床模型总体长1810mm，宽240mm，高397mm。
图1床身UG模型
2、床身结构的有限元模态分析
模态是结构的固有振动属性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和振型，模态分析在结构动态设计中不可缺少。
固有频率和振型是机械零部件承受动态载荷时结构设计中的重要参数，为了有效避免结构在使用中因共振等因素造成的影响，对床身进行模态分析，从而确定机床结构的模态频率、阻尼比和振型，分析结果可作为结构优化设计和结构改进的理论依据。
将UG建立的三维实体模型导入ANSYS。
设置床身材料为HT300，密度为7850kg/m3，泊松比μ=0．3，弹性模量E=200GPa，压缩屈服强度为250MPa。
在2个床腿处施加固定约束，以约束全部自由度。
网格可划分为1～10个精度等级，选6级精度对床身模型进行网格划分，共划分出149705个节点，89260个单元，如图2所示。
在ANSYS中定义自由模态分析阶数为6阶进行有限元分析。
求解得到床身前6阶刚体模态振型如图3所示。
床身结构的前6阶固有频率和振型见表1。
图2网格划分模型
图3床身前6阶模态振型
表1CA6140车床床身模态分析
3、床身结构优化方案及对比
3．1优化方案
对CA6140车床床身进行以减重为目的的床身结构优化设计，保证减重后床身的静刚度不变，固有频率不降低。
通过研究CA6140的总装图，明确与其他零件的装配方式，以及装配过程中可能出现的干涉、排屑、润滑等工作要求，提出优化方案，各方案模型见图4。
方案1在原有结构的基础上，增加床身肋板数量和腔体数量。
方案2在原有结构的基础上，增加肋板厚度。
方案3在方案1基础上，改筋板结构为交叉网状结构。
方案4在方案1基础上，改肋板结构为V字型。
对方案1进行模态分析，将其三维模型导入ANSYS中，经求解得6阶振型，如图5所示。
根据方案1的模态分析，各阶固有频率、振幅等数据见表2。
图4改进后模型
图5方案1的前6阶模态振型
表2方案1模态分析
对方案2进行模态分析，将其三维模型导入ANSYS中，经求解得6阶振型，如图6所示。
各阶固有频率、振幅等数据见表3。
图6方案2的前6阶模态振型
表3方案2模态分析
对方案3进行模态分析，将其三维模型导入ANSYS中，经求解得6阶振型，如图7所示。
各阶固有频率、振幅等数据见表4。
对方案4进行模态分析，将其三维模型导ANSYS中，经求解得6阶振型如图8所示。
各阶固有频率、振幅等数据见表5。
3．2各方案对比分析
对优化前后的床身模态进行对比分析，由表6中数据及表7中固有频率/质量比值可知:4种优化方案中除方案1固有频率略低外，其余各阶固有频率均有所提高，质量都有降低，振幅也有所减少。
方案1由于增加了腔体的数量，质量上有明显降低，刚度却略显不足，且考虑到其3阶固有频率19．475Hz 与II轴回转振动频率19．52Hz很接近，易发生共振，故此方案舍弃。
方案2基本实现了优化的目的，减轻了床身质量，增加了床身刚度，但其1阶固有频率13．125Hz与I轴回转振动频率13．02Hz 相接近，其3阶固有频率19．607Hz与II轴回转振动频率19．52Hz相接近，较易发生共振。
方案3较好地实现了床身的优化，质量减轻，固有频率有较大提高，有效避开了车床的回转振动频率及啮合振动频率，不易发生共振。
方案4也很好地满足了要求，但其1阶固有频率12．994Hz与I轴回
转振动频率13．02Hz很接近，易发生共振。
图7方案3的前6阶模态振型
表4方案3模态分析表5方案4模态分析
图8方案4的前6阶模态振型
表6优化前后各阶固有频率及质量对比
表7各方案固有频率质量比
4、结论
综上分析，方案3在减轻床身总质量的同时，提高了系统刚度，降低了振动与噪声，有效避开了传动
轴回转振动频率和齿轮啮合振动频率，使系统更安全、可靠。
本文针对CA6140型号车床的结构优化设计，可为同类机床的研发设计提供理论参考。