龍門加工中心橫梁導軌布置形式研究
引言 橫梁作為龍門加工中心重要組件，起著連接滑枕、 滑鞍等重要部件的作用。隨著更好的滿足市場的需 求，企業工程師開發出了各種結構的橫梁以提高機床 性能，不同的橫梁有著不同的筋板結構及導軌布置形 式，不同類型內部筋板結構橫梁采用的導軌布置形式 也各有不同，為不同的橫梁筋板結構選擇合適的導軌 布置形式，可以有效的提高龍門加工中心的穩定性、加 工精度及使用壽命等[1]。常用的橫梁導軌布置形式類型多樣，例如有導軌豎 直方向平行布置、導軌水平方向平行布置、導軌垂直布 置、導軌階梯形布置等[2]。在實際的龍門加工中心的生 產中，比較常用的導軌布置形式主要為兩種，即導軌豎 直方向平行布置形式以及導軌垂直布置形式。導軌豎 直方向平行布置是指上、下導軌平行，上導軌布置與下 導軌都布置在橫梁前側;導軌垂直布置是指上下導軌相 互垂直，上導軌布置在橫梁上側，下導軌布置在橫梁前 側。本文在相同筋板布置形式及相同橫梁截面的情況 之下，著重對這兩種導軌布置形式的橫梁做出對比。 本文討論的兩種橫梁都是基于全新的拱形與縱橫 肋條相結合的內部筋板結構，通過研究已知這種筋板 結構有著良好的靜動態性能，因此，需要對這種筋板結 構橫梁采用哪種形式的導軌布置形式能夠得到更好的 性能進行進一步討論。1.力學分析 使用Pro/E三維建模軟件對兩種橫梁分別進行建 模，并對橫梁組件做出必要的簡化，忽略螺紋孔、圓角 及倒角等特征，在基本不影響分析結果的基礎上加快 有限元軟件的計算速度。 對于大型和重型機床，移動件的重量大，切削力也 很大，因此進行受力分析時，必須同時考慮移動件重力 和切削力等載荷作用。要根據機床的受力結構和工作 要求，分析得出極限工作載荷[3]。由于兩種橫梁導軌 布置形式不一樣，造成兩種橫梁的受力狀況也不一樣， 需要對兩種橫梁分別進行靜力學分析。根據機床模型 及相關技術參數可知，假設兩種情況下滑枕、滑鞍及主 軸部件的重量都約為4000kg(實際情況下，由于導軌 布置形式的不同，造成滑枕的形狀略有不同，最終導致 滑枕重量也不一樣。但是，相對與4000kg來說，變化 量并不算很大，因此可忽略不計），并且可認為它們的 合成重心共同作用于豎直主軸的軸線上。 通過已有的分析可知，橫梁在加載切削力的情況 下，由于切削力豎直方向分力的與橫梁主要受力方向 相反，且切削力各方向分力相對較小，所以在加載切削 力的情況下，橫梁的變形反而并不是最大情況。因此 主要考慮在橫梁不受到切削力的常態狀況下的受力狀 況。通過已有學者的研究可知，當滑枕、滑鞍及主軸部 件運動至橫梁中間位置，而滑枕運動到最低點時，橫梁 將會產生最大的彎曲變形[4]。1.1導軌垂直布置形式橫梁為了求得橫梁受到的最大大工作載荷， 對其進行受力分析，設直I坐標系原點F位于橫梁跨距中點，距離上導軌表面457. 5mm，Z方向原點位于上導軌中間線與下導軌 中間線的中點，坐標系方向與機床坐標系方向相同。 在不考慮切削力情況下，橫梁受到的力主要為滑 枕、滑鞍及主軸部件的合成重力G滑及橫梁自身受到的 重力G橫作用。受力情況如圖4中所示。將這兩個力近似的作用到8個滑塊上，則上導軌 滑塊上受到的壓強為0. 61 MPa，方向為 < 軸負方向，下 導軌滑塊上受到的壓強為0. 23MPa，方向為 < 軸正方 向。將//轉化為加載在橫梁滑塊上的壓強，并忽略因 此產生的微小扭矩，則上導軌滑塊上側受到的壓強為0.52MPa，下導軌滑塊上側受到的壓強為0.2MPa，方向為Z軸負方向。1.2導軌豎直方向平行布置形式 橫梁導軌豎直方向平行布置形式不受切削力時的 受力狀況如圖5中所示。將這兩個力近似的作有在8個滑塊上，則每個滑塊受到的壓強約為0.26MPa。上導軌滑塊壓強的方向為 X軸正方向，下導軌滑塊的方向為<軸負方向。為了力的加載方便， 將G滑轉化為加載在滑塊上的壓強，則滑塊受到的壓強 為0.52MPa，方向向下。2橫梁有限元分析對橫梁進行有限元分析，由于兩種橫梁內部筋板 結構完全相同，截面也基本相同，只是導軌的布置形式 有所不同，因此橫梁的固有頻率變化不大，故此處不對 其進行討論，只對橫梁做出靜態分析對比。將上文分析出的力加載在橫梁滑塊之上，同時對 橫梁組件整體施加重力作用，并在橫梁底部兩連接塊 部分作全約束。同時，忽略橫梁組件各結合面之間的 接觸變形，近似將各接觸面看作剛性接觸[6]。由有限元分析結果可知，當導軌在豎直方向上平 行布置時，橫梁的變形量比導軌垂直布置時要小，此時 橫梁的最大變形量約為28. 3'm，而導軌垂直布置橫 梁最大變形量約為28. 8'm，最大變形部分都發生在 滑塊之上。如果我們不考慮滑塊和導軌的變形量時，導軌垂直面平行布置形式橫梁的最大變形量為26.8um，而導軌垂直布置形式橫梁最大變形量則為27.4um，導軌豎直面平行布置橫梁變形量始終要比導軌垂直布置形式橫梁變形的量小。另一方面，導軌豎直方向平行布置形式橫梁受到 的最大應力為5. 03MPa，而導軌垂直布置橫梁受到的 最大應力約為4. 37MPa，明顯要小于導軌平行布置的 橫梁。導軌豎直面平行布置橫梁的兩條導軌固定面有 一定的斜度，可減小滑鞍的懸臂尺寸，整體剛性比傳統 龍門式機床有所提高，橫梁加工過程中主要需保證兩 個導軌面的平行度。導軌垂直布置形式橫梁的兩條導 軌分別承擔主軸箱的垂直方向和水平方向載荷，很好 的改善了橫梁的受力結構，使得橫梁受力分布更加的 均勻，導軌垂直布置形式橫梁在加工中主要需保證兩 個導軌面的平行度，這種橫梁的加工工藝難度更高。 此外，由于此時兩種橫梁受到的最大應力都遠小于橫 梁各部件材料的需用應力，因此，基本上可以忽略導軌 垂直布置橫梁在分散應力方面的優點。3結論通過兩種導軌布置形式橫梁進行有限元分析對比 結果可知，導軌豎直面平行布置形式更加適合于內部 筋板結構為拱形與縱橫肋條相結合的橫梁，這種導軌 布置形式配合這種筋板結構有著更好的靜態性能，且 橫梁在加工工藝上需保證兩個導軌面的平行度，相對 于導軌垂直布置形式，其加工難度更低，加工成本也就 相對較低，更加適合企業的實際生產。本文由海天精工整理發表文章均來自網絡僅供學習參考，轉載請注明！