高速龍門機床的部件結構設計與分析

高力（常州昌隆機床制造有限公司，江蘇常州，213125）

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高速龍門機床的部件結構設計與分析

高力
（常州昌隆機床制造有限公司，江蘇常州，213125）

摘 要：當前，數控機床已經取代傳統半自動機床，成為主要加工設備之一，而高速小型龍門鏜銑床也越來越普及，因此對高速龍門機床進行研究設計有重要的實用價值。本人以公司產品XK24125-250高速龍門橋式鏜銑床的床身為例，分析其機械原理和內部結構，剖析了設計過程中的重點和難點。在產品實際投產使用后，既滿足客戶的要求，又凸顯公司產品特色，從而形成性價比優越的產品，為公司創造新的利潤增長點。

關鍵詞：結構設計；主軸箱構造；床身分析；部件機構

引言

高速龍門機床是一種高效、多功能中小型機械加工設備，是擁有小型立式數控鏜銑床和大型龍門數控鏜銑床相關優勢的裝備，可滿足不同用戶加工工件的需要，具有廣泛的市場需求。具有小龍門、大扭矩、高轉速的主軸強力切削能力是機床行業的發展趨勢。

此次設計的機床采用床身、立柱、橫梁組成的龍門框架結構，具有高剛性與高穩定性。機床三個坐標軸均可以自動定位，能完成銑、鉆、鉸、攻絲等各種工序的加工，還可以根據用戶需要增加數控轉臺。機床適用于各種板件、盤件、殼體件、模具等復雜零件的多品種中小批量生產。同時機床可配備附件臥銑頭一次裝夾，就可完成五面加工。由于機床各坐標軸可以自動定位，在加工時可以節省掉鉆鏜模具，直接進行鉆、鏜孔，并且能保證孔距的精度，因而可以節省工藝裝備，縮短生產周期，提高經濟效益。

1 床身與工作臺設計原理

本機床是工作臺移動式定梁龍門數控鏜銑床，機床的設計理念是對公司原有產品的升級改良，其由雙立柱及固定橫梁組成龍門框架，剛性強、結構對稱、穩定性好；工作臺沿床身縱向X軸移動，Y軸拖板沿橫梁導軌左右移動（Y軸），方滑枕沿Y軸拖板上下移動（Z軸），主軸安裝在T型滑枕中心，高速齒輪箱安裝在拖板內部，動力由交流主軸電機通過斜齒輪傳動至中間傳動軸傳至機床主軸。附件銑頭庫支架安裝在右立柱前，床身兩側設有自動螺旋排屑器，立柱后端設有自動潤滑站，液壓站、油冷卻機、帶空調電氣系統箱等，床身前端設有冷卻水箱。機床采用四周全封閉防護罩，防止冷卻液及鐵屑飛濺。

床身工作臺采用高強度鑄鐵材料和樹脂砂工藝鑄造，床身采用“米字形”筋板布置［1］，以提高床身的剛度和強度。導軌防護罩與工作臺側面螺栓聯接牢固，定位光柵尺安裝在工作臺的后端部，提供X軸的運動反饋信號給系統，從而形成有效的閉環控制。X軸傳動絲杠安裝在工作臺端部，直線滾動導軌安裝在床身箱體上，同時立柱安裝在床身的中部，床身兩側水槽內放置螺旋排屑器，它將工作臺上被加工下來的鐵屑輸送到床身前端的鐵屑提升裝置中，再經過鐵屑提升裝置輸送到集屑小車中。

機床床身為封閉箱體結構［3］，總長5820mm、寬2390mm、高480mm。內部分布著縱橫交錯十字筋板和米字交叉筋板，床身底部有分布方形出砂孔，內部筋板有長形泥芯連接孔。

2 Y軸拖板和T形滑枕鏜銑頭結構設計

Y軸拖板導軌副采用進口滾動直線導軌，并增加滑動面，使其達到很高的精度保持性及切削抗振性。滑枕為T型滑枕結構，具有極強的剛性。拖板上裝有兩只單油缸的液壓平衡裝置，用來平衡滑枕和主變速箱的重量，以減少滾珠絲杠的傳動扭距和絲杠的磨損，保持滾珠絲杠的精度穩定性。

Z軸導軌采用導軌淬火加貼塑形式的矩形滑動導軌，剛性高。Z軸采用交流伺服電機，通過消隙減速裝置驅動直徑為50mm、螺距為12mm的滾珠絲杠，以實現滑枕的上下運動。鏜頭內部安裝主軸，它是由主軸電機通過安裝在箱體內部的齒輪和傳動軸傳遞動力和扭矩。工作時，由機床的主驅動機構交流主軸電機與附屬的驅動單元驅動，動力從交流主軸電機經高、低兩檔齒輪變速裝置傳動主軸，并且主軸自動變速時采用漸開線花鍵齒內外套滑移換擋，撥叉換擋動力源由氣動氣缸控制，具有換擋行程小，齒輪無沖擊，換擋更省力，結構緊湊的特點。同時換擋時主軸恒功率范圍寬，低速扭矩大，變速箱主要構件為高剛度球鐵鑄件，主軸可以進行強力切削，滿足不同用戶的粗加工和高速精加工的寬范圍加工需求。

圖1 主軸變速箱齒輪匹配示意圖

在結構設計上，箱體內部完全摒棄了傳統的同步帶傳遞扭矩，改用全封閉主軸，標準模數的漸開線圓柱齒輪傳動，經過若干檔齒輪降速，合理布局齒輪范圍，并由電動潤滑泵控制提供稀有潤滑，整個油路中有流量檢測開關檢測供油情況，可很好的保證齒輪的潤滑性能。設計過程中為保證主變速箱的空間結構緊湊［5］，將箱體內的二擋變速齒輪設計如圖1所示，高速擋傳遞速比i=1，由主電機熱套在齒輪軸1上，齒輪1與內齒輪5嚙合，通過內徑定心的花鍵軸傳遞至大齒輪6與7，帶動主軸旋轉。低速檔傳遞速比為。

根據主電機的特性曲線，在主電機870r/min上升時，電氣系統發出信號，執行液壓動作，換擋油缸9將撥叉左移，使得齒輪軸1與內齒輪5脫開，而小齒輪3與大齒輪4嚙合，電機動力通過降速齒輪1與2，降速齒輪3與4傳遞至主軸，從而實現換擋動作。

3 自制主軸結構設計

如圖2所示，主軸3采用液壓松刀—碟簧6拉緊自動拉刀裝置，拉刀力為16000N。同時主軸可以選配帶中心出水，而且主軸材料采用合金鋼。主軸、變速箱內齒輪7和軸齒都通過氮化、滲碳淬火、磨削等工藝，具有高精度、高負載，能承受大功率與大扭矩切削，同時也具有很高的主軸精度和壽命。主軸電機采用FANUC伺服電機驅動，機械兩檔自動變速，保證無級變速并獲得高轉速，傳動平穩。主軸3頂端有松刀油缸8提供液壓力松刀，同時主軸上又安裝主軸編碼器9提供主軸定位以便加工時提供剛性攻絲，主軸內有通道，通道頂部有高壓中心出水回轉接頭10提供水道通冷卻液。冷卻水套1套裝在主軸外部，表面有螺旋水道可通冷卻液冷卻主軸軸承2，以保證主軸高速旋轉時，精度的穩定可靠。

圖2 主軸裝配示意圖

4 輔助系統工作原理

在機床工作中，還需要冷卻系統、油冷裝置和液壓系統，工作原理是：

（1）冷卻系統：機床設有兩只冷卻水箱：一只為高壓冷卻箱，高壓水箱上設有高壓冷卻泵（提供主軸中心出水）和外冷用冷卻泵（提供外部冷卻）。高壓水箱設有多級過濾裝置，確保加工時對鐵屑、粉末的過濾，提高高壓泵的使用壽命。另一只為設在機床前端的冷卻水箱，主要用于加工時冷卻液的回收，并同時為高壓冷卻水箱提供冷卻液。

（2）油冷裝置：有單獨兩路油冷相對獨立使用，一路用于機床主軸軸承冷卻；另外一路用于主軸箱內的齒輪和軸承的潤滑，確保齒輪和軸承在恒溫條件下工作。

（3）液壓系統：主要用于松刀或換擋時提供動力。液壓自動平衡裝置采用平衡閥與油缸形成獨立回路型式，避免動力回路對平衡回路的干擾。

5 結束語

本文以XK24125-250型高速龍門機床為例，根據合同提出的性能要求，設計了機床的主要機械結構，并對其各功能部件的工作原理和典型結構進行了分析，為進一步結構受力計算做好了鋪墊。

參考文獻

［1］ 機械工業出版社.《現代實用機床設計手冊》第六卷.

［2］ 張曙.張炳生.衛美紅.《機床的動態優化設計-機床產品創新與設計專題八》［J］.制造技術與機床，2012（4）：7-13.

［3］ 王艷輝.伍建國.繆建成《精密機床床身結構參數的優化設計》［J］.機械設計與研究， 2003（6）.

［4］ 劉鴻文《材料力學》 1979.

［5］ 陳榮波《結構力學》 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

中圖分類號：TH122

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8412 （2016） 02-276-03

DOI：工業技術創新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.041

作者簡介：

高力（1980-），男，機械工程師，技術開發部部長，碩士。研究方向：數控龍門機床及附件裝備的設計與研究。

E-mail： 16949634@qq.com