精密臥式加工中心結構特性分析及優化設計

王佳鵬

沈陽機床（集團）有限公司設計研究院 遼寧沈陽 110000

我廠新開發的HMC160型臥式加工中心是具有最廣泛用途的一種萬能型機床,屬于量大面廣的機床之一。其工作性能以鏜、銑削為主，也可進行鉆孔、擴孔、锪平面、車端面、車外圓等多種工序的加工，特別適宜加工多孔系、孔距要求較精確的箱形零件。

1 精密型臥式加工中心機床概況

我廠新開發的HMC160型臥式加工中心是具有最廣泛用途的一種萬能型機床,屬于量大面廣的機床之一。其工作性能以鏜、銑削為主，也可進行鉆孔、擴孔、锪平面、車端面、車外圓等多種工序的加工，特別適宜加工多孔系、孔距要求較精確的箱形零件。是性能優良、工藝范圍廣泛、精度及生產效率高的先進設備。該產品不僅適應于軍工、造船、航天、紡織、運輸、礦山等多種行業，而且是大型泵閥業及減速箱行業急需的高性能數控機床。HMC160臥式加工中心的設計理念盡可能采用國內外先進的技術和成熟的結構。其結構和性能接近或超過國外同類產品水平，在國內處于領先地位。工作臺規范和坐標筆畫按模塊進行組合，滿足用戶的不同需求，使其在市場競爭中占有更大的優勢[1]。該機床的使用壽命為8～10年。

機床采用帶動柱的龍門式閉式前掛箱的結構形式。其主要特點：鏜軸功率高，扭矩大，工作臺面積2000×2500mm，承載能力可達25噸。增加機床的加工范圍。它不僅可以加工鉆孔、鉸孔、锪平面、車端面、車外圈等，還可以加工孔間距要求更精確的箱形零件。也適用于小而重的箱式零件的加工。

HMC160臥式加工中心總體設計布局為立式床與臥式床呈T型分離結構。立柱沿立式床來回移動，工作臺沿臥式床左右移動，床頭箱沿立柱上下移動。主軸設有自動裝卸刀具裝置。工作臺可旋轉，采用閉環控制，可實現任意角度定位，分度精度高，可保證車削鏜孔同軸度。X、Y、Z三軸采用滾動直線導軌，承載能力大，摩擦力小，定位精度高。每次坐標運動和旋轉都由交流伺服電機驅動。X、Y、Z坐標通過減速箱連接到滾珠絲杠上，B坐標通過減速箱連接到小齒輪和大齒圈上。采用雙齒輪消除傳動間隙，確保分度精度。主傳動采用三速傳動，傳動范圍大，主軸輸出扭矩大。X、Y、Z坐標的導軌均配有不銹鋼拉板保護罩，防塵防水，保護導軌，保護絲杠，外觀美觀。

該機床適用于大型箱式零件的銑、鏜、鉸等多工序加工。特別適用于加工多孔、孔距精確的箱形零件。該產品不僅適用于軍工、造船、航天、紡織、運輸、采礦等各種行業，而且是大型泵閥行業和變速箱行業迫切需要的高性能數控機床。

2 精密型臥式加工中心機床總體布局及結構優化

（1）HMC160臥式加工中心總體設計布局為縱、橫床身呈T字型結構，正掛箱，立柱縱向移動，工作臺橫向移動，主軸箱沿立柱上下移動，主軸可伸縮。

（2）主傳動采用三檔變速，變速范圍大，主軸輸出扭矩大，剛性好。

（3）工作臺的回轉導軌副采用閉式靜壓結構。靜壓導軌的優點在于：由于導軌面間是純液體摩擦，所以摩擦系數極小（約為0.0005左右），故驅動功率可大大降低；而同樣也因為是純液體摩擦的緣故，使得導軌不會磨損，故延長了機床壽命，能使機床長期保持制造精度；靜壓導軌副產生的油膜承載能力大，剛度高，吸振性良好，導軌運動平穩。而閉式靜壓導軌只有在其回轉方向的一個自由度，其余自由度都由導軌結構所約束，因此這就使得其能承受正、反方向的載荷，油膜剛度更高，并且其承受偏載及顛覆力矩的能力大大提高。這些特點都使得該工作臺的剛性及承載能力都大大增加，并且其低摩擦的特點給工作臺轉速的提高留下了充足的空間[2]。

（4）該工作臺配備的是自制齒輪減速箱。該減速箱通過調整兩對斜齒輪的嚙合位置來消除的齒輪背隙，使得齒輪減速箱的反向間隙減小到最低，這樣就提高了工作臺的回轉精度。在提高精度之余，該齒輪箱還增加了整體剛度，在滿足機床回轉要求的同時，降低了傳動比，大大提高了該重型承載轉臺的回轉速度。最終經試驗證明，該轉臺可承載25噸，轉速達到3r/min。

（5）X、Y、Z、W坐標移動和B坐標回轉均采用交流進給伺服電機拖動，其中X、Y、Z坐標通過減速箱與滾珠絲杠連接，B坐標回轉采用雙電機經減速箱、小齒輪、大齒圈傳遞動力使工作臺回轉，雙小齒輪用來消除傳動間隙，保證分度精度。

（6）刀庫機械手采用的是與主機分離、落地式結構，這種結構型式有利于刀庫中刀具數量柔性化，也有利于提高換刀速度。

3 精密型臥式加工中心機床設計計算

3.1 主運動部分計算

3.1.1 主軸轉速計算

主軸轉速范圍：10-3000r/min

主軸級數：無級

主軸電機：1PH7167-2NF03-0CA0

機械檔數：高,中,低三檔

主電機轉速：低檔：173-4495r/min

中檔：1225-4295r/min

高檔：1500-4940r/min

主軸轉速：nmin=172.94×Z1/Z2×Z3/Z4×Z5/Z6×Z6/Z7

=172.94×21/63×18/72×34/48×48/49

=10r/min

3.1.2 主電機功率的確定

機床電機功率是機床的主要動態特性參數之一，直接關系到機床的生產率。如果電源參數設置過多，機床會因重量過重而浪費材料和電能；如果太小，會影響機床的性能。的性能。

確定主電機功率的方法是調查、研究和科學實驗，輔以計算。隨著機械制造技術的發展和高速強力切削的廣泛應用，機床的功率也應得到提高。從國外機床行業的發展趨勢來看，它們也在朝著提速、增力的方向發展。

根據機器的最大負載的計算工具,所需的權力下的最大允許扭矩（銑）或機床的最大進料阻力（鉆探）可以從經驗中知道：銑削功率遠遠超過鉆井,所以銑是用來確定主軸電機功率。

3.2 立柱部分計算

3.2.1 參數的設定

切削時最大軸向抗力：F=30000N

最高速度：Vmax=24m/min

加速時間：t=0.2s

驅動電機：德國西門子1FT6108-8SF7型：

額定扭矩：70Nm,

靜態扭矩：90Nm

額定轉速：3000rpm

額定轉動慣量：260×10-4kgm2

3.2.2 絲杠的選擇

（1）螺紋直徑、導程、螺母的選擇：

根據同類機床比較，絲杠軸徑d=80mm，導程Ph=25mm

絲杠螺紋長=行程+螺母長+沖程+端邊限度

=2500+350+55X2+968=3928mm

絲母選凸緣雙螺母外循環TDB-U8025型

（2）精度的選擇：

絲杠精度：0.023mm/300,ISO5

（3）熱抗位移的計數測量（確定螺紋軸的預壓力）：

△l=ρ×△t×L

式中：△l-絲杠軸向伸縮量（mm）

ρ-熱膨脹系數12×10-6/℃

△t-絲杠軸溫度變化，取3℃

L-螺紋部有效長度3928

△l=12×10-6×3×3928=0.142mm

絲杠預壓力F=△l×ks=△l×Eπd32/4L

式中：F-預壓力（Kg）

ks-螺紋軸軸向剛性

E=2.1×105N/mm2；d3=71mm；L=3928mm

F=（0.142×2.1×105π×712）/（4×3928）=3.0041×104N

因此預拉伸力：F=3.0041×104N

拉伸量：0.142mm

綜上所述：滾珠絲杠副的型號為：TDB-U8025-12-5

動態負載Ca=241kN；靜態負載C0a=619.4kN

3.2.3 軸承的選擇

NSK滾珠絲杠支承軸承為高精度向心推力滾珠軸承，其特點是：高軸向剛性，低的啟動扭矩，容易安裝，結構簡單。

因此選用NSK軸承其型號為：60TAC120BDBBC10PN7A2組

3.2.4 電機的選擇

德國西門子AC系統交流伺服電機是專門為機床進給驅動而開發設計的永久磁型電機。其具有高轉速、大扭矩、大容量和極高的耐熱性等基本性能，它是先進的驅動系統。

根據國內外同類規格機床,選西門子AC系列1FT6108-8SF7

電機：

額定扭矩：70Nm

額定轉速：3000rpm

額定轉動慣量：260×10-4kgm2

3.3 縱床身部分計算

3.3.1 參數的設定

切削時最大軸向抗力：F=30000N

最高速度：Vmax=24m/min

加速時間：t=0.2s

驅動電機：德國西門子1FT6108-8SF7型：

額定扭矩：70Nm,

靜態扭矩：90Nm

額定轉速：3000rpm

額定轉動慣量：260×10-4kgm2

3.3.2 絲杠的選擇

（1）螺紋直徑、導程、螺母的選擇：

根據同類機床比較，絲杠軸徑d=80mm，導程Ph=25mm

絲杠螺紋長=行程+螺母長+沖程+端邊限度

=2000+346+64+62+51+74=2623

絲母選凸緣雙螺母外循環TDB-U8025型

（2）精度的選擇：

絲杠精度：0.012mm/300，ISO3

（3）熱抗位移的計數測量（確定螺紋軸的預壓力）：

△l=ρ×△t×L

式中：△l-絲杠軸向伸縮量（mm）

ρ-熱膨脹系數12×10-6/℃

△t-絲杠軸溫度變化，取5℃

L-螺紋部有效長度2140

△l=12×10-6×5×2140=0.1284mm

絲杠預壓力F=△l×ks=△l×Eπd32/4L

式中：F-預壓力（Kg）

ks-螺紋軸軸向剛性

E=2.1×105N/mm2；d3=71mm；L=2140mm

F=（0.1284×2.1×105π×712）/（4×2140）=4.986×104N

因此預拉伸力：F=4.986×104N

拉伸量：0.1284mm

綜上所述：滾珠絲杠副的型號為：TDB-U8025-12-5

動態負載Ca=241kN；靜態負載C0a=619.4kN

3.3.3 軸承的選擇

NSK滾珠絲杠支承軸承為高精度向心推力滾珠軸承，其特點是：高軸向剛性，低的啟動扭矩，容易安裝，結構簡單。

因此選用NSK軸承其型號為：60TAC120BDBBC10PN7A2組

3.3.4 電機的選擇

德國西門子AC系統交流伺服電機是專門為機床進給驅動而開發設計的永久磁型電機。其具有高轉速、大扭矩、大容量和極高的耐熱性等基本性能，它是先進的驅動系統。

根據國內外同類規格機床,選西門子AC系列1FT6108-8SF7

電機：

額定扭矩：70Nm

額定轉速：3000rpm

額定轉動慣量：260×10-4kgm2

3.4 橫床身部分選擇

3.4.1 軸承的選擇

NSK滾珠絲杠支承軸承為高精度向心推力滾珠軸承，其特點是：高軸向剛性，低的啟動扭矩，容易安裝，結構簡單。

因此選用NSK軸承其型號為：60TAC120BDBBC10PN7A2組

3.4.2 電機的選擇

德國西門子AC系統交流伺服電機是專門為機床進給驅動而開發設計的永久磁型電機。其具有高轉速、大扭矩、大容量和極高的耐熱性等基本性能，它是先進的驅動系統。

根據國內外同類規格機床,選西門子AC系列1FT6132-6SF7

電機：

額定扭矩：90Nm

額定轉速：3000rpm

額定轉動慣量：430×10-4kgm2

4 結語

以上是該機床的部分論述與計算，該機床樣機已經試制完成后，經檢測各項技術指標和精度符合設計要求，并進行了規格的擴大和系列化。