高速龙门机床的部件结构设计与分析

2016-07-21高力常州昌隆机床制造有限公司江苏常州213125

工业技术创新 2016年2期

高力（常州昌隆机床制造有限公司，江苏常州，213125）

高速龙门机床的部件结构设计与分析

高力
（常州昌隆机床制造有限公司，江苏常州，213125）

摘要：当前，数控机床已经取代传统半自动机床，成为主要加工设备之一，而高速小型龙门镗铣床也越来越普及，因此对高速龙门机床进行研究设计有重要的实用价值。本人以公司产品XK24125-250高速龙门桥式镗铣床的床身为例，分析其机械原理和内部结构，剖析了设计过程中的重点和难点。在产品实际投产使用后，既满足客户的要求，又凸显公司产品特色，从而形成性价比优越的产品，为公司创造新的利润增长点。

关键词：结构设计；主轴箱构造；床身分析；部件机构

引言

高速龙门机床是一种高效、多功能中小型机械加工设备，是拥有小型立式数控镗铣床和大型龙门数控镗铣床相关优势的装备，可满足不同用户加工工件的需要，具有广泛的市场需求。具有小龙门、大扭矩、高转速的主轴强力切削能力是机床行业的发展趋势。

此次设计的机床采用床身、立柱、横梁组成的龙门框架结构，具有高刚性与高稳定性。机床三个坐标轴均可以自动定位，能完成铣、钻、铰、攻丝等各种工序的加工，还可以根据用户需要增加数控转台。机床适用于各种板件、盘件、壳体件、模具等复杂零件的多品种中小批量生产。同时机床可配备附件卧铣头一次装夹，就可完成五面加工。由于机床各坐标轴可以自动定位，在加工时可以节省掉钻镗模具，直接进行钻、镗孔，并且能保证孔距的精度，因而可以节省工艺装备，缩短生产周期，提高经济效益。

1 床身与工作台设计原理

本机床是工作台移动式定梁龙门数控镗铣床，机床的设计理念是对公司原有产品的升级改良，其由双立柱及固定横梁组成龙门框架，刚性强、结构对称、稳定性好；工作台沿床身纵向X轴移动，Y轴拖板沿横梁导轨左右移动（Y轴），方滑枕沿Y轴拖板上下移动（Z轴），主轴安装在T型滑枕中心，高速齿轮箱安装在拖板内部，动力由交流主轴电机通过斜齿轮传动至中间传动轴传至机床主轴。附件铣头库支架安装在右立柱前，床身两侧设有自动螺旋排屑器，立柱后端设有自动润滑站，液压站、油冷却机、带空调电气系统箱等，床身前端设有冷却水箱。机床采用四周全封闭防护罩，防止冷却液及铁屑飞溅。

床身工作台采用高强度铸铁材料和树脂砂工艺铸造，床身采用“米字形”筋板布置［1］，以提高床身的刚度和强度。导轨防护罩与工作台侧面螺栓联接牢固，定位光栅尺安装在工作台的后端部，提供X轴的运动反馈信号给系统，从而形成有效的闭环控制。X轴传动丝杠安装在工作台端部，直线滚动导轨安装在床身箱体上，同时立柱安装在床身的中部，床身两侧水槽内放置螺旋排屑器，它将工作台上被加工下来的铁屑输送到床身前端的铁屑提升装置中，再经过铁屑提升装置输送到集屑小车中。

机床床身为封闭箱体结构［3］，总长5820mm、宽2390mm、高480mm。内部分布着纵横交错十字筋板和米字交叉筋板，床身底部有分布方形出砂孔，内部筋板有长形泥芯连接孔。

2 Y轴拖板和T形滑枕镗铣头结构设计

Y轴拖板导轨副采用进口滚动直线导轨，并增加滑动面，使其达到很高的精度保持性及切削抗振性。滑枕为T型滑枕结构，具有极强的刚性。拖板上装有两只单油缸的液压平衡装置，用来平衡滑枕和主变速箱的重量，以减少滚珠丝杠的传动扭距和丝杠的磨损，保持滚珠丝杠的精度稳定性。

Z轴导轨采用导轨淬火加贴塑形式的矩形滑动导轨，刚性高。Z轴采用交流伺服电机，通过消隙减速装置驱动直径为50mm、螺距为12mm的滚珠丝杠，以实现滑枕的上下运动。镗头内部安装主轴，它是由主轴电机通过安装在箱体内部的齿轮和传动轴传递动力和扭矩。工作时，由机床的主驱动机构交流主轴电机与附属的驱动单元驱动，动力从交流主轴电机经高、低两档齿轮变速装置传动主轴，并且主轴自动变速时采用渐开线花键齿内外套滑移换挡，拨叉换挡动力源由气动气缸控制，具有换挡行程小，齿轮无冲击，换挡更省力，结构紧凑的特点。同时换挡时主轴恒功率范围宽，低速扭矩大，变速箱主要构件为高刚度球铁铸件，主轴可以进行强力切削，满足不同用户的粗加工和高速精加工的宽范围加工需求。

图1 主轴变速箱齿轮匹配示意图

在结构设计上，箱体内部完全摒弃了传统的同步带传递扭矩，改用全封闭主轴，标准模数的渐开线圆柱齿轮传动，经过若干档齿轮降速，合理布局齿轮范围，并由电动润滑泵控制提供稀有润滑，整个油路中有流量检测开关检测供油情况，可很好的保证齿轮的润滑性能。设计过程中为保证主变速箱的空间结构紧凑［5］，将箱体内的二挡变速齿轮设计如图1所示，高速挡传递速比i=1，由主电机热套在齿轮轴1上，齿轮1与内齿轮5啮合，通过内径定心的花键轴传递至大齿轮6与7，带动主轴旋转。低速档传递速比为。

根据主电机的特性曲线，在主电机870r/min上升时，电气系统发出信号，执行液压动作，换挡油缸9将拨叉左移，使得齿轮轴1与内齿轮5脱开，而小齿轮3与大齿轮4啮合，电机动力通过降速齿轮1与2，降速齿轮3与4传递至主轴，从而实现换挡动作。

3 自制主轴结构设计

如图2所示，主轴3采用液压松刀—碟簧6拉紧自动拉刀装置，拉刀力为16000N。同时主轴可以选配带中心出水，而且主轴材料采用合金钢。主轴、变速箱内齿轮7和轴齿都通过氮化、渗碳淬火、磨削等工艺，具有高精度、高负载，能承受大功率与大扭矩切削，同时也具有很高的主轴精度和寿命。主轴电机采用FANUC伺服电机驱动，机械两档自动变速，保证无级变速并获得高转速，传动平稳。主轴3顶端有松刀油缸8提供液压力松刀，同时主轴上又安装主轴编码器9提供主轴定位以便加工时提供刚性攻丝，主轴内有通道，通道顶部有高压中心出水回转接头10提供水道通冷却液。冷却水套1套装在主轴外部，表面有螺旋水道可通冷却液冷却主轴轴承2，以保证主轴高速旋转时，精度的稳定可靠。

图2 主轴装配示意图

4 辅助系统工作原理

在机床工作中，还需要冷却系统、油冷装置和液压系统，工作原理是：

（1）冷却系统：机床设有两只冷却水箱：一只为高压冷却箱，高压水箱上设有高压冷却泵（提供主轴中心出水）和外冷用冷却泵（提供外部冷却）。高压水箱设有多级过滤装置，确保加工时对铁屑、粉末的过滤，提高高压泵的使用寿命。另一只为设在机床前端的冷却水箱，主要用于加工时冷却液的回收，并同时为高压冷却水箱提供冷却液。

（2）油冷装置：有单独两路油冷相对独立使用，一路用于机床主轴轴承冷却；另外一路用于主轴箱内的齿轮和轴承的润滑，确保齿轮和轴承在恒温条件下工作。

（3）液压系统：主要用于松刀或换挡时提供动力。液压自动平衡装置采用平衡阀与油缸形成独立回路型式，避免动力回路对平衡回路的干扰。

5 结束语

本文以XK24125-250型高速龙门机床为例，根据合同提出的性能要求，设计了机床的主要机械结构，并对其各功能部件的工作原理和典型结构进行了分析，为进一步结构受力计算做好了铺垫。

参考文献

［1］机械工业出版社.《现代实用机床设计手册》第六卷.

［2］张曙.张炳生.卫美红.《机床的动态优化设计-机床产品创新与设计专题八》［J］.制造技术与机床，2012（4）：7-13.

［3］王艳辉.伍建国.缪建成《精密机床床身结构参数的优化设计》［J］.机械设计与研究， 2003（6）.

［4］刘鸿文《材料力学》 1979.

［5］陈荣波《结构力学》 1987.

Design and Analysis to Component Structural of High-speed Gantry Type Machine

Li Gao
（Changzhou Changlong Machine Tool Manufacturing Co.，Ltd.Changzhou， Jiangsu， 213125， China）

Abstract：At present， numerical control machine has replaced the traditional semi-automatic machine，has become one of the main processing equipment.The small gantry boring and milling machine is becoming more and more popular.Therefore， the optimization of machine bed， especially of small machine bed has important practical value.Taking the XK24125-250 small gantry boring and milling machine as an example， this paper builded machine model by using the three-dimensional software.Meanwhile， the detailed mechanical structure of the model components was designed.This builds foundation for the research on model optimization design.

Key words：Structural Design； Spindle Box Structure； Analysis of Machine Bed； Modal Component

中图分类号：TH122

文献标识码：A

文章编号：2095-8412 （2016） 02-276-03

DOI：工业技术创新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.041

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