五軸龍門加工中心的研究

甄秀仙++甄玉勇++陳慶雪

摘 要：自主研制一臺加工尺寸范圍為汽車、建筑機械、工程機械中的3800 mm×2400 mm×600 mm箱體類零件的粗、精加工的高效率五軸龍門加工中心。

關鍵詞：五軸龍門加工中心 橫梁 進給系統 底座和工作臺 滑枕滑架 主軸的研究

中圖分類號：TG502 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（a）-0068-01

機床是制造各種機械的機器，機床工業科技水平的高低，是一個時代新技術綜合發展水平高低的重要標志?，F在機械行業是國民經濟的重要支柱產業，隨著社會發展進步，人們越來越重視機床的加工效率，這就要求機床行業必須努力提高機床的通用性及多用性。五軸龍門加工中心就是我公司為滿足市場需求研發的一臺高效率高通用性的設備。該臺設備研制的成功，在提高生產效率的同時，提高加工精度，節約生產成本，減少人力浪費，可替代同類產品的進口，使我國的高端裝備制造業上升到的一個新的水平，縮短與國外相關技術的差距。

1 主要研究內容

五軸龍門加工中心是借鑒國內外龍門加工中心機床的先進特點，自行研制的新一代工作臺移動定梁式龍門加工中心。X軸行程為4200 mm，Y軸行程2800 mm，Z軸行程為1000 mm。本機床適用于汽車、建筑機械、工程機械中的3800 mm×2400 mm×600 mm箱體類零件的粗、精加工?？刂葡到y配置為西門子840DSL數控系統，配有彩色液晶中文顯示器，其測量過程實現全數控，并具有非常好的人機界面，高穩定性和高可靠性，操作方便。X、Y、Z軸均采用數字式交流伺服系統，可實現坐標軸聯動加工，可進行直線和圓弧插補等操作，零件在工作臺上一次裝夾后可自動完成銑、鏜、鉆、擴、攻絲、曲面等多種工序的加工。

機床橫梁、立柱、底座、滑枕、滑架、工作臺為具有良好吸震性和精度保持性，均采用高強度鑄鐵材料鑄造成形。主軸組件利用動態平衡校正設備，直接校正主軸動態平衡，避免主軸在高轉速運轉時產生共振現象，以確保最佳的加工精度。主軸采用智能控制恒溫冷卻系統，分別對主軸前軸承、主軸后軸承等進行強制恒溫冷卻，控制主軸滑枕部分的溫升，抑制主軸的熱變形。三個進給坐標中，各坐標軸全部采用高精度圓柱滾子直線滾動導軌，采用C3級高精度滾珠絲杠，快移速度X、Y、Z坐標軸均可達20 m/min。

1.1 橫梁的研究

由于滑架和滑枕以及橫梁本身的重量都會使橫梁安裝在立柱上后產生向下的彎曲現象，相同截面下橫梁越長彎曲現象越明顯。這樣就會使Y軸直線導軌不再平行于工作臺的表面，影響機床的加工精度，為了避免上面現象的產生，我們采取以下的方法來解決，橫梁上良好的型腔布筋結構是橫梁剛性的可靠保證，也是解決橫梁彎曲的關鍵，我們采用合理布置筋板的位置以及V型筋的布置方式來保證橫梁的剛性。在橫截面積一定的情況下，最大限度的增大空腔面積，減小筋板厚度，降低橫梁的總體重量，也可以進一步降低橫梁重量對其彎曲的影響；在加工橫梁導軌面時，為了防止橫梁安裝后向下凹，可以將橫梁加工成稍微向上凸的形狀；也就是說，按照橫梁變形的相反方向加工橫梁上的導軌安裝基面，這也是解決橫梁彎曲的關鍵。

1.2 進給系統的研究

龍門加工中心運動部件進給系統的傳動方式常見為滾珠絲杠副傳動和齒輪齒條傳動。因滾珠絲杠副傳動精度好，運動速度快，定位、重復定位精度高，而齒輪齒條傳動結構較復雜，所以我們選用滾珠絲杠副的傳動方式。

滾珠絲杠傳動部分采用“固定—固定”的形式。此種安裝方式使絲杠一般不會受壓，絲桿穩定性高，使傳動系統有較高軸向剛度和臨界轉速，使驅動部件實現了高的運動速度。伺服電機通過聯軸器、精密減速機將電機驅動扭矩放大后傳導給滾珠絲杠，使絲杠旋轉來帶動絲杠螺母作往復運動，從而實現滾珠絲杠大驅動力傳動。我們選用絲杠專用角接觸軸承安裝在絲杠支撐上，該軸承能承受較大的軸向力，也就保證了驅動系統具有高剛性。此外，通過鎖緊螺母、絲杠軸承和隔套以及滾珠絲杠固定支架可以實現對滾珠絲杠的預拉伸，來消除滾珠絲杠熱變形對傳動精度的影響，獲得了高速傳動下的高的傳動精度。

1.3 底座和工作臺的研究

在底座和工作臺之間采用的是兩根重載的滾柱直線導軌，并且每根導軌上安裝有4個超重負荷的重型滑塊。這種直線導軌的動靜摩擦力小，使工作臺運動時具有高靈敏度，做到高速時振動小，低速時無爬行，并且具有定位精度高，伺服驅動性能優等特點；同時該直線導軌承載能力大，切削抗振動性能好，可以改善機床性能特性，提高機床的精度和精度穩定性及機床的使用壽命。

為避免工作臺滾珠絲杠因為兩端支撐距離過遠本身自重使絲杠中部向下產生撓曲而影響使用，為保證工作臺的運動平穩，對滾珠絲杠增加浮動支撐機構。在絲杠螺母未處于浮動絲杠浮動機構位置時，有支撐輥直接支撐絲杠，而當絲杠螺母通過絲杠浮動支撐機構時，在工作臺下部設置限位塊和滾動支撐裝置配合，將絲杠浮動支撐機構整體下壓，便于絲杠螺母通過，此時滾動支撐裝置和工作臺下部設置的限位塊配合支撐絲杠，實現絲杠工作過程的全程浮動支撐。（注：該機構已申請專利 證書號：ZL 2012 2 0497986.4）

1.4 滑枕滑架研究

滑枕與滑架采用了鑄造滑臺式結構；滑枕與滑架之間采用滑動導軌副，即鑄鐵-貼塑磨擦副，這樣可以保證加工時切削平穩，特別適用于主軸強力銑削，大孔鏜削加工。

設計滑枕時，采用空箱結構形式，內部可以裝入采用高剛性、大直徑主軸部件總成、寬幅調速交流伺服主軸電機+變速箱的主傳動系統。為了實現滑枕20m/min的快速移動，滑枕部件上安裝有雙液壓缸的平衡機構，壓力油通過進口的優質平衡閥組作用在平衡油缸上來平衡滑枕及其內部部件的重量，這樣做既能保證滑枕主軸箱運動的穩定性、靈活性以及快速響應速度，又大大降低了這部分部件對Z軸驅動電機性能的要求。

1.5 主軸的研究

五軸龍門加工中心主軸最高轉速為18000 n/min，為保證該主軸高的轉速及高的剛度，我們特采用高速角接觸球軸承，并以前四后二的形式進行配置?？紤]到主軸高速旋轉的溫升問題，采用智能恒溫冷卻系統對其進行了充分的冷卻。此外，為保證主軸高速切削時的平穩性和良好的吸震性，采用主軸箱與滑枕一體式的結構形式，直接集成在滑枕上。

在主軸抓刀部分的設計上，采用傳統的設計形式，即主軸內部的蝶形彈簧以拉緊力通過四瓣爪式拉刀機構作用在刀柄的拉釘上，使刀具與主軸錐孔緊密配合來實現抓拉動作。主軸松刀是采用液壓油缸動作時碟形彈簧推動拉刀機構來實現的。

2 結論

通過設計計算以及產品的試生產及裝配調試，該五龍門加工中心基本上能夠滿足當初的設計研發要求，現在已經形成批量產品，基本上滿足了用戶的使用要求。該機床目前在用戶處使用效果良好，傳動速度較快，運動較平穩，并保證了良好的定位精度和重復定位精度，具有較高的加工效率。

參考文獻

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[4] 機械工業出版社編.機床設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1986.endprint