數(shù)控龍門銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)及滑枕設(shè)計(jì)

王增新 李初曄

(北京航空制造工程研究所，北京100024)

隨著中國(guó)從“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”的轉(zhuǎn)變及航空、航天、鐵路、船舶等行業(yè)的迅猛發(fā)展，加工任務(wù)對(duì)高端數(shù)控機(jī)床的要求越來越苛刻，高端數(shù)控機(jī)床的發(fā)展對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了更高要求。

機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在保證機(jī)床靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的前提下使移動(dòng)部件輕量化。機(jī)床結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)件的形狀和筋板的合理布置，在輕量化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高剛度和高剛度質(zhì)量比［1］。

筆者綜合考慮了大扭矩高轉(zhuǎn)速的主傳動(dòng)系統(tǒng)和滑枕熱變形、結(jié)構(gòu)剛度、動(dòng)態(tài)特性，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法完成了FG32040 MA 固定龍門銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)和滑枕的相關(guān)設(shè)計(jì)。

1 機(jī)床概述

FG32040 MA 數(shù)控三坐標(biāo)龍門銑床(圖1)的總體結(jié)構(gòu)為固定龍門工作臺(tái)移動(dòng)式，三軸聯(lián)動(dòng)，配自動(dòng)交換附件頭，可進(jìn)行五面加工。

主要技術(shù)參數(shù):

主軸功率:37 kW(S1)/45 kW(S6)

主軸扭矩:1300 N·m(S1)/1900 N·m(S6)

主軸最高轉(zhuǎn)速:4000 r/min

工作臺(tái)尺寸:4000 mm×2000 mm

坐標(biāo)最大移動(dòng)速度:15 m/min

FG32040 MA 是針對(duì)航空零件數(shù)控加工特點(diǎn)設(shè)計(jì)制造的，機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊，剛性大，功能強(qiáng)，主要用于鈦合金、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵等黑色金屬航空零件的數(shù)控加工。

2 主傳動(dòng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)固定龍門滑枕式銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)(圖2)［2］中，一根長(zhǎng)傳動(dòng)軸將齒輪箱內(nèi)的動(dòng)力傳給主軸，驅(qū)動(dòng)刀具完成切削運(yùn)動(dòng)。長(zhǎng)傳動(dòng)軸必須通過幾組軸承支撐，為了獲得良好的裝配精度，實(shí)現(xiàn)較高的主軸轉(zhuǎn)速，滑枕內(nèi)部的軸承座孔的加工同軸度要求很高。這樣，滑枕的加工難度成倍增加，并且精度難以保證。長(zhǎng)傳動(dòng)軸要傳遞較大切削扭矩，必須具有較大截面直徑，而截面直徑的增大又使得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成指數(shù)倍增加，嚴(yán)重制約主軸的動(dòng)態(tài)性能。長(zhǎng)傳動(dòng)軸的裝配精度難以保證，而且長(zhǎng)傳動(dòng)軸本身具有一定的撓度，這使得傳動(dòng)系的動(dòng)平衡難以保證，主軸的高轉(zhuǎn)速難以實(shí)現(xiàn)。

（5）臨時(shí)通告必須從通告上剪下粘貼歸檔，分類和刪除無效的通告。（中、英版臨時(shí)通告 年度摘要上的無效通告要做刪除標(biāo)記，或建立一個(gè)有效臨時(shí)航海通告索引）

固定龍門滑枕式銑床的主軸要實(shí)現(xiàn)大功率、大扭矩和高轉(zhuǎn)速，主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須要克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問題，首當(dāng)其沖的是將制約大扭矩傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速的長(zhǎng)傳動(dòng)軸進(jìn)行更改設(shè)計(jì)。

FG32040 MA 銑床(圖3)的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用獨(dú)立傳動(dòng)箱插入式安裝，采用空心傳動(dòng)軸3 將動(dòng)力傳遞至主軸4，成倍縮短了傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度。空心傳動(dòng)軸經(jīng)過嚴(yán)格的動(dòng)平衡試驗(yàn)，無須滑枕內(nèi)部軸承支撐，避免了傳統(tǒng)滑枕加工孔系同軸度難以保證的問題，降低了加工難度，也節(jié)省了成本。而且，傳動(dòng)箱作為獨(dú)立部件有利于潤(rùn)滑冷卻設(shè)計(jì)，并且方便采取措施進(jìn)行熱防護(hù)和散熱處理。

大功率、大扭矩的主傳動(dòng)系統(tǒng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)引起的熱變形，是整機(jī)誤差的重要組成部分。如何減小熱變形誤差，是提高機(jī)床加工精度的重要途徑。

主傳動(dòng)的熱源，主要分布于圖3 所示的主軸電動(dòng)機(jī)1、減速器2 及其下方傳動(dòng)齒輪和軸承所在局部區(qū)域。要減小熱變形的影響，一般有3 種方式:一是減少熱源的發(fā)熱量，二是加強(qiáng)散熱，三是隔離熱源。

外置的冷卻系統(tǒng)對(duì)封閉結(jié)構(gòu)的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，能夠有效降低熱源的發(fā)熱量。主軸伺服電動(dòng)機(jī)本身具有優(yōu)異的散熱能力，溫升相對(duì)較小。安裝在滑枕與主軸電動(dòng)機(jī)之間的隔熱板，能夠有效隔離主軸電動(dòng)機(jī)的熱輻射，使主軸電動(dòng)機(jī)的熱影響降到最低。

主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為獨(dú)立傳動(dòng)箱插入式安裝，必須在滑枕正面設(shè)計(jì)相應(yīng)的安裝窗口，勢(shì)必會(huì)削弱滑枕的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;而且大功率機(jī)械主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)引起滑枕的彎曲變形，使滑枕的工作姿態(tài)發(fā)生變化，降低工件的加工精度。

為了降低插入式主傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)滑枕結(jié)構(gòu)的削弱和熱變形的影響，主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)盡量使結(jié)構(gòu)緊湊，在保證最小維修空間前提下使插入部分的軸向尺寸盡可能小。

3 滑枕設(shè)計(jì)

滑枕是固定龍門機(jī)床的重要結(jié)構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣決定機(jī)床的切削效率和加工精度，直接影響機(jī)床的性能和精度。

(1)材料選擇

鑄鐵材料因其固有的消振作用而被大多數(shù)機(jī)床制造廠在設(shè)計(jì)滑枕材料時(shí)選擇，為了具有足夠剛性，鑄件壁板和筋板都較厚，自重較大，嚴(yán)重影響機(jī)床動(dòng)態(tài)性能。隨著焊接技術(shù)的進(jìn)步和綠色制造的普及，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)床越來越多地以焊接結(jié)構(gòu)取代了鑄件結(jié)構(gòu)，大幅降低了結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量(相同剛性的鋼板焊接結(jié)構(gòu)的重量?jī)H為鑄件的60%左右［3］)，提高了機(jī)床的固有頻率(合理的焊接結(jié)構(gòu)固有頻率可以比鑄件結(jié)構(gòu)高50%［3］)和動(dòng)態(tài)特性。

為了獲得良好的剛度質(zhì)量比，F(xiàn)G32040 MA 的滑枕采用為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮焊接工藝性和裝配維護(hù)的可操作性，還要考慮抵抗熱變形等因素。

(2)導(dǎo)軌支撐位置選擇

滑枕導(dǎo)軌形式、導(dǎo)軌包容設(shè)計(jì)和導(dǎo)軌支撐位置是否合理，對(duì)機(jī)床強(qiáng)度、剛性、精度影響較大。目前，龍門銑床滑枕導(dǎo)軌形式及包容形式主要有以下幾種:

①?gòu)陌莘秶鷣碚f，主要有全包容和半包容之分。全包容如果制造質(zhì)量好，其強(qiáng)度及抗振效果將相當(dāng)理想。但因其制造復(fù)雜、成本高、不易裝配，目前使用廠家很少。

②從導(dǎo)軌形式上分，主要分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌兩種。滑動(dòng)導(dǎo)軌因其吸振性強(qiáng)，阻尼大，支撐強(qiáng)度及剛性高，防撞性及可維護(hù)性好等特點(diǎn)，常用于中速中載和低速重載機(jī)床上，其缺點(diǎn)是摩擦阻力大，動(dòng)態(tài)性能差，不適合用于高精度、高進(jìn)給速度機(jī)床。［4］

FG32040 MA 滑枕(圖4 滑枕三維模型)的導(dǎo)軌設(shè)計(jì)為半包容結(jié)構(gòu)，采用直線滾柱導(dǎo)軌對(duì)稱布置，不僅能夠承受較大切削負(fù)載、提供很高的支撐剛性，還能滿足15 m/min 的高速進(jìn)給需要，有效提高機(jī)床的極限加工能力，同時(shí)通過高速快移提高占空比提升機(jī)床的工作效率。

滑枕導(dǎo)軌支撐位置的不同，不僅影響滑板(或滑鞍)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)機(jī)床的性能具有重要影響。

通過有限元技術(shù)對(duì)滑枕導(dǎo)軌的3 種支撐方式(圖5滑枕導(dǎo)軌的3 種支撐方式)，在滑枕極限工作位置(Z向工作行程1100 mm)對(duì)主軸端面X/Y/Z三個(gè)方向分別施加10 kN 切削負(fù)載，進(jìn)行受力變形分析和模態(tài)分析。

從受力變形結(jié)果(表1 滑枕導(dǎo)軌的3 種支撐方式的變形)分析，支撐方式2 變形最小，支撐方式3 變形最大，相差僅為0.00128 mm，得出導(dǎo)軌的不同支撐位置對(duì)滑枕的剛性影響較小。

表1 滑枕導(dǎo)軌的3 種支撐方式的變形

從模態(tài)分析的前5 階固有頻率結(jié)果(表2 滑枕導(dǎo)軌的3 種支撐方式的固有頻率)分析，支撐方式3 固有頻率最大，支撐方式1 固有頻率最小，第1 階固有頻率相差28%，得出導(dǎo)軌的不同支撐位置對(duì)滑枕的固有頻率影響較大。

表2 滑枕導(dǎo)軌的3 種支撐方式的固有頻率

通過對(duì)滑枕導(dǎo)軌的3 種支撐方式進(jìn)行有限元分析數(shù)據(jù)對(duì)比，得出導(dǎo)軌的支撐位置對(duì)剛性影響較小，對(duì)固有頻率具有明顯影響，支撐方式3 固有頻率明顯高于其他方案。因此，F(xiàn)G32040 MA 滑枕導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)選擇兩側(cè)中間支撐方式，使機(jī)床獲得更高的動(dòng)態(tài)性能。

(3)滑枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

FG32040 MA 的滑枕設(shè)計(jì)為鋼板焊接結(jié)構(gòu)件，截面設(shè)計(jì)為正方形，截面尺寸為450 mm ×450 mm，長(zhǎng)度2340 mm。

大功率、大扭矩的主傳動(dòng)系統(tǒng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)引起的熱變形，是滑枕部件甚至是整機(jī)誤差的重要組成部分。如何減小熱變形誤差是滑枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮的重要因素，也是提高機(jī)床加工精度的重要途徑。安裝在滑枕與電動(dòng)機(jī)之間的隔熱板，能夠有效隔離主軸電動(dòng)機(jī)對(duì)滑枕的熱輻射，使得主軸電動(dòng)機(jī)對(duì)滑枕的熱變形影響可以忽略。

主傳動(dòng)熱源引起的滑枕結(jié)構(gòu)變形，主要存在于減速器2 及其下方傳動(dòng)齒輪、軸承所在局部區(qū)域。主傳動(dòng)系統(tǒng)插入滑枕的開孔尺寸和開孔位置不同，可能對(duì)滑枕的剛度產(chǎn)生不同的影響。為了降低插入式主傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)滑枕結(jié)構(gòu)的削弱和熱變形的影響，主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)盡量使結(jié)構(gòu)緊湊，在保證最小維修空間前提下使插入滑枕部分的軸向尺寸盡可能小。同時(shí)，主傳動(dòng)系統(tǒng)插入滑枕部分的軸向尺寸越小，滑枕受熱面積和長(zhǎng)度小，熱源轉(zhuǎn)化到滑枕的機(jī)械變形能就少，引起的滑枕變形相應(yīng)減小。

在保證主傳動(dòng)功能和維修空間前提下，主傳動(dòng)系統(tǒng)在滑枕上開孔尺寸最終確定為320 mm ×280 mm。通過有限元分析計(jì)算，開孔位置不同對(duì)滑枕的剛度影響具有明顯的差異。當(dāng)滑枕處于極限加工工況(最大懸伸1100 mm 位置)、主軸位置施加極限載荷(XYZ三方向各施加10 kN 載荷)，開孔位置完全處于導(dǎo)軌滑塊支撐范圍外(圖6)與完全處于導(dǎo)軌滑塊支撐范圍內(nèi)

(圖7)相比，剛度相差11.6%，最終滑枕設(shè)計(jì)方案選擇后者。

4 結(jié)語

FG32040 MA 主傳動(dòng)系統(tǒng)和滑枕設(shè)計(jì)過程中，充分利用有限元技術(shù)進(jìn)行方案選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過設(shè)計(jì)插入式安裝獨(dú)立傳動(dòng)箱，與傳統(tǒng)滑枕式銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)相比大幅縮短了傳動(dòng)軸長(zhǎng)度，并通過計(jì)算對(duì)比優(yōu)選傳動(dòng)箱和導(dǎo)軌的安裝位置，優(yōu)化滑枕相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，獲得了較高質(zhì)量剛性比的設(shè)計(jì)方案，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，大幅縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了制造成本，并且在設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用多種方法進(jìn)行熱源處理和控制，提高了機(jī)床的精度和性能。

經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，此方案設(shè)計(jì)的主傳動(dòng)系統(tǒng)和滑枕能夠很好滿足大扭矩主軸4000 r/min 的設(shè)計(jì)要求，主傳動(dòng)系統(tǒng)溫升和噪聲符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，傳動(dòng)穩(wěn)定可靠。

［1］張曙，衛(wèi)漢華，張炳生. 機(jī)床結(jié)構(gòu)配置的新思路［J］. 制造技術(shù)與機(jī)床，2011(10):8 -11.

［2］夏向陽，張輝，李旭華，等. 一種龍門加工中心的成功改造［J］. 制造技術(shù)與機(jī)床，2010(11):105 -108.

［3］韓立光，王福軍，劉邦寧. 龍門橫梁鑄件與焊接件對(duì)比分析［J］. 制造技術(shù)與機(jī)床，2009(12):66 -68.

［4］黃煜. 從滑枕主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上提高龍門銑床剛性和精度［J］. 裝備制造技術(shù)，2008(10):120 -121.