龍門加工中心橫梁導(dǎo)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(yè)工程師開發(fā)出了各種結(jié)構(gòu)的橫梁以提高機床 性能,，不同的橫梁有著不同的筋板結(jié)構(gòu)及導(dǎo)軌布置形 式,，不同類型內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)橫梁采用的導(dǎo)軌布置形式 也各有不同,，為不同的橫梁筋板結(jié)構(gòu)選擇合適的導(dǎo)軌 布置形式,，可以有效的提高龍門加工中心的穩(wěn)定性,、加 工精度及使用壽命等[1],。常用的橫梁導(dǎo)軌布置形式類型多樣，例如有導(dǎo)軌豎 直方向平行布置,、導(dǎo)軌水平方向平行布置,、導(dǎo)軌垂直布 置,、導(dǎo)軌階梯形布置等[2]。在實際的龍門加工中心的生 產(chǎn)中,，比較常用的導(dǎo)軌布置形式主要為兩種,，即導(dǎo)軌豎 直方向平行布置形式以及導(dǎo)軌垂直布置形式。導(dǎo)軌豎 直方向平行布置是指上,、下導(dǎo)軌平行,，上導(dǎo)軌布置與下 導(dǎo)軌都布置在橫梁前側(cè);導(dǎo)軌垂直布置是指上下導(dǎo)軌相 互垂直，上導(dǎo)軌布置在橫梁上側(cè),，下導(dǎo)軌布置在橫梁前 側(cè),。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(dǎo)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(jié)合的內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu),，通過研究已知這種筋板 結(jié)構(gòu)有著良好的靜動態(tài)性能，因此,，需要對這種筋板結(jié) 構(gòu)橫梁采用哪種形式的導(dǎo)軌布置形式能夠得到更好的 性能進行進一步討論,。1.力學(xué)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(jié)果的基礎(chǔ)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(jù)機床的受力結(jié)構(gòu)和工作 要求,，分析得出極限工作載荷[3]。由于兩種橫梁導(dǎo)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(xué)分析,。根據(jù)機床模型 及相關(guān)技術(shù)參數(shù)可知，假設(shè)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(dǎo)軌 布置形式的不同,，造成滑枕的形狀略有不同,，最終導(dǎo)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(rèn)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******情況。因此 主要考慮在橫梁不受到切削力的常態(tài)狀況下的受力狀 況,。通過已有學(xué)者的研究可知,，當(dāng)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(chǎn)生******的彎曲變形[4],。1.1導(dǎo)軌垂直布置形式橫梁為了求得橫梁受到的******大工作載荷,， 對其進行受力分析，設(shè)直I坐標(biāo)系原點F位于橫梁跨距中點,，距離上導(dǎo)軌表面457. 5mm,，Z方向原點位于上導(dǎo)軌中間線與下導(dǎo)軌 中間線的中點，坐標(biāo)系方向與機床坐標(biāo)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(dǎo)軌 滑塊上受到的壓強為0. 61 MPa,，方向為 < 軸負(fù)方向，下 導(dǎo)軌滑塊上受到的壓強為0. 23MPa,，方向為 < 軸正方 向,。將//轉(zhuǎn)化為加載在橫梁滑塊上的壓強，并忽略因 此產(chǎn)生的微小扭矩,，則上導(dǎo)軌滑塊上側(cè)受到的壓強為0.52MPa，下導(dǎo)軌滑塊上側(cè)受到的壓強為0.2MPa,，方向為Z軸負(fù)方向,。1.2導(dǎo)軌豎直方向平行布置形式 橫梁導(dǎo)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(dǎo)軌滑塊壓強的方向為 X軸正方向，下導(dǎo)軌滑塊的方向為<軸負(fù)方向,。為了力的加載方便， 將G滑轉(zhuǎn)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(nèi)部筋板 結(jié)構(gòu)完全相同，截面也基本相同,，只是導(dǎo)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(tài)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(jié)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(jié)果可知，當(dāng)導(dǎo)軌在豎直方向上平 行布置時,，橫梁的變形量比導(dǎo)軌垂直布置時要小，此時 橫梁的******變形量約為28. 3'm,，而導(dǎo)軌垂直布置橫 梁******變形量約為28. 8'm,，******變形部分都發(fā)生在 滑塊之上。如果我們不考慮滑塊和導(dǎo)軌的變形量時,，導(dǎo)軌垂直面平行布置形式橫梁的******變形量為26.8um，而導(dǎo)軌垂直布置形式橫梁******變形量則為27.4um,，導(dǎo)軌豎直面平行布置橫梁變形量始終要比導(dǎo)軌垂直布置形式橫梁變形的量小。另一方面,，導(dǎo)軌豎直方向平行布置形式橫梁受到 的******應(yīng)力為5. 03MPa，而導(dǎo)軌垂直布置橫梁受到的 ******應(yīng)力約為4. 37MPa,，明顯要小于導(dǎo)軌平行布置的 橫梁。導(dǎo)軌豎直面平行布置橫梁的兩條導(dǎo)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(tǒng) 龍門式機床有所提高,，橫梁加工過程中主要需保證兩 個導(dǎo)軌面的平行度。導(dǎo)軌垂直布置形式橫梁的兩條導(dǎo) 軌分別承擔(dān)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(jié)構(gòu)，使得橫梁受力分布更加的 均勻,，導(dǎo)軌垂直布置形式橫梁在加工中主要需保證兩 個導(dǎo)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******應(yīng)力都遠小于橫 梁各部件材料的需用應(yīng)力,，因此,，基本上可以忽略導(dǎo)軌 垂直布置橫梁在分散應(yīng)力方面的優(yōu)點,。3結(jié)論通過兩種導(dǎo)軌布置形式橫梁進行有限元分析對比 結(jié)果可知，導(dǎo)軌豎直面平行布置形式更加適合于內(nèi)部 筋板結(jié)構(gòu)為拱形與縱橫肋條相結(jié)合的橫梁,，這種導(dǎo)軌 布置形式配合這種筋板結(jié)構(gòu)有著更好的靜態(tài)性能,，且 橫梁在加工工藝上需保證兩個導(dǎo)軌面的平行度，相對 于導(dǎo)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(yè)的實際生產(chǎn)。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考,，轉(zhuǎn)載請注明,！