数控立式加工中心滑枕导轨结构的设计研究

2014-12-23吴小蓉王军

机械工程师 2014年6期

吴小蓉，王军

（沈阳机床（集团）有限责任公司，沈阳110142）

0 引言

数控机床及数控加工中心是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力［1］。滑枕是加工中心的核心结构之一，它与横梁滑板、车削刀夹、刀具组成了机床的切削部分，是零部件加工的直接执行机构，它的结构设计是否合理对加工中心加工的工件质量有着直接的影响，因而加工中心滑枕的结构设计尤为重要。

滑枕的导轨形式对整个机床的精度及强度起着重要作用，本文对比圆形和方形两种滑枕结构的导轨在数控立式加工中心上的应用，分析其在实际使用过程中的利弊。

1 滑枕在数控立式加工中心中的应用

随着国内航天、船舶、风电等机械工业行业的快速发展，各种精度高、工序多、形状复杂的大型盘类零件加工已经成为国内加工业的主要对象。数控立式加工中心的使用，可实现一次装夹完成外圆、内孔、端面的车削加工，同时可实现外圆、内孔、平面、斜面、曲面、沟槽的铣削加工及镗孔、钻孔、攻丝等加工功能［2］。既可以节省工艺装备、缩短生产的准备周期，又能够保证零件的加工质量，提高生产效率。

图1 数控立式加工中心示意图

数控立式加工中心主要组成部分如图1所示。其中滑枕部分由滑板、滑枕外壳及滑枕体组成。滑板在水平（X轴）方向，沿横梁导轨左右运动，实现X轴方向的进给。滑枕外壳通过止口和螺栓安装在滑板的前面。在垂直（Z轴）方向，滑枕在滑枕外壳内部的导轨上实现Z轴进给运动。

2 滑枕结构的对比

2.1 滑枕形式的简介

目前数控加工中心滑枕体形式有圆形滑枕、方形或矩形滑枕以及棱形或八角形滑枕等［3］。本文以圆形及方形滑枕体为例，对滑枕导轨结构进行对比分析。

通常情况下，滑枕内装有铣轴和镗轴，为了扩大镗功能的加工范围，在达到设计要求的同时滑枕体的截面要尽量小，以达到加工更小孔的目的。圆形滑枕又称套筒式滑枕，相比于矩形滑枕体，其圆形断面和主轴箱孔的制造工艺简便，使用中便于接近工件加工部位。如图2所示，以滑枕体截面为280 mm×280 mm方形滑枕体为例，其加工内孔最小直径为φ396 mm，相比同规格的圆形滑枕，由于其本身直径φ280 mm，大大提高了车镗深孔功能的加工范围。

图2 方形及圆形滑枕截面示意图

2.2 滑枕导轨形式的比较

目前国内主要使用的导轨形式分别有滑动导轨、滚动导轨及浇注静压导轨。

2.2.1 滑枕体滑动导轨

滑动导轨的工作原理是滑枕体上导轨与滑枕外壳贴塑板（或抗磨软带）直接接触，依靠滑动摩擦实现进给运动。

图3为方形滑枕体导轨外壳形式，由单面两条导轨面贴塑板组成，呈左右及上下对称布置，其目的是增大接触面积，保证导轨均布接触。由于方形滑枕能承受4个方向的负荷和翻转力矩，且各面的间隙调整可通过调整斜铁完成，有效地提高了吸收刀具切削时产生振动的能力，并很好地防止了导轨系统启停时的振荡。由于其防撞性及可维护性能好，因此常用于中速中载和低速重载的机床上。

图3 方形滑枕体滑动导轨滑枕外壳图

滚动导轨在圆形滑枕体上应用时，在加工和装配时无法保证与滑枕外壳接触，其间隙调整及刮研都相当困难，难以保证在进给过程中的平稳运动。

2.2.2 滑枕体滚动导轨

方形滑枕体滚动导轨结构如图4所示，由4个滑动块分别设置于滑枕外壳的凹槽内，其分布形式与滑动导轨类似，也呈左右及上下对称布置，导轨分别与4个滑块导轨相接触。这种方式彻底解决了机床启动时动作延迟甚至爬行现象，改变导轨的受力，提高了导轨的寿命及滑块静载的安全系数，提高了加工精度［2］。

图4 方形滑枕体滚动导轨滑枕外壳图

滚动导轨对滑枕表面硬度要求很高，在材料的选择及热处理方法都有很高的要求。圆形滚动导轨副外购成本高、装配难度大且不易调整，因此也不适合使用该结构。

2.2.3 浇注静压导轨

浇注静压导轨的工作原理是将具有一定压力的润滑油，经节流器输入到导轨面上如图5所示的回字形油腔，在滑枕外壳与滑枕体之间形成承载油膜，使导轨面之间处于纯液体摩擦状态浇注静压导轨形式。导轨运动速度的变化对油膜厚度的影响很小；载荷的变化对油膜厚度的影响很小；液体摩擦，摩擦因数仅为0.005左右，油膜抗振性好。因此其常用于精密机床的进给运动和低速运动导轨。

图5 方形滑枕体静压导轨滑枕外壳图

浇注静压圆滑枕的结构是利用导轨涂敷料浇注前、后外壳基面而形成，后期浇注面与滑枕体之间存有静压浮起间隙；Z轴由电机带动丝杠传动，用双导向键（如图6所示），来保证沿Z轴方向的进给精度。但是圆滑枕在浇铸时，调整基准相对方滑枕的工艺性比较复杂，导轨涂覆料性能、静压间隙的调整都容易造成机床运动无法到达设计值。