動柱式T型雙工位立式加工中心設計

王加祥 國興羊

（山東省機械設計研究院，濟南 250031）

動柱式T型雙工位立式加工中心設計

王加祥 國興羊

（山東省機械設計研究院，濟南 250031）

本文對一款動柱式T型雙工位立式加工中心的設計過程進行了總結。介紹了設計過程，分析了結構特點，列出了重要部分的計算過程，并與傳統的立式加工中心進行了對比。

動柱式 T型 雙工位

本次設計的動柱式T型雙工位立式加工中心以市場為導向，以為客戶提供簡單、實用、結構先進、性價比高的產品為目標，以提高客戶投資回報為目的。采用動柱式結構，改變了傳統床身式立式加工中心加工范圍小的局限性，具有很高的性價比高，一定范圍內能夠代替小型龍門加工中心使用。它能夠完成銑、鏜削、鉆削、攻螺紋和切削螺紋等工序。

1 設計過程

1.1 方案設計

本加工中心是在刨臺式銑鏜床基礎上，對市場上現有的同類機床進行調研和信息搜集、整理，參照C型立式加工中心結構、功能。該加工中心以力求簡單、實用，避免普通機床數控化改造的高性價比和客戶高投資回報為設計原則。

1.2 詳細設計階段

（1）項目采用動柱式結構，解決了傳統床身式加工中心因工作臺同時兼顧兩個方向運動而難以增大機床行程及承載的難題。簡化了整體結構，提高了加工范圍和加工能力。

（2）機床床身、工作臺、立柱、主軸箱等主體部件采用薄壁多筋設計，減輕主體重量的同時，保證機床的整體剛性和穩定性。

（3）機床工作軸采用精密絲杠配合專用軸承雙支撐，預拉伸結構，保證傳動精度。①床身部分（X軸）導軌采用低摩擦系數滾珠直線導軌，提高數控系統響應速度，降低驅動功率，保證低速無爬行并節省潤滑油使用量；②機床進給（Y軸）采用伺服電機通過無間隙同步帶，保證加工所需扭矩傳輸的情況下，降低設備噪音、簡化傳動鏈；③主軸箱升降（Z軸）采用具有失電制動功能的伺服電機直接驅動絲杠，保證有效傳動的同時，提高設備的安全性能。

2 工作原理及主要技術特征

2.1 總體布局

機床整體采用成熟的T形布局（刨臺式）。由前、后床身、立柱、主軸箱、工作臺與懸掛式操縱臺、電氣系統、潤滑裝置、防護裝置等組成等組成。工作臺在前床身上橫向移動為X軸；立柱在后床身上縱向移動為Y軸；主軸箱在立柱上上下移動為Z軸。

2.2 結構件

床身、立柱、主軸箱等結構件均采用灰鑄鐵（HT250）樹脂砂鑄造而成。床身在結構設計為前后兩體，由螺栓聯接為T形整體。結構件內部加強筋縱橫交錯分布，使之形成一個剛性的整體，有效防止了變形和振動發生，保證了整機的靜剛性和動剛性。

2.3 進給軸傳動系統

各進給軸由伺服電機、滾珠絲杠驅動。滾珠絲杠副為雙螺母墊片預緊方式，預緊力已在專業廠家調定，使用中不需調整。滾珠絲杠采用專用60°角接觸球軸承支撐，由螺釘固定安裝在結構件上。滾珠絲杠螺母固定在移動部件上。伺服電機帶動滾珠絲杠，推動滾珠絲杠螺母移動驅動移動部件進給。

2.4 打刀缸

打刀缸采用氣液增壓缸，相比傳統油壓缸，去除了油液增壓系統，整體結構更加簡潔。

采用氣液增壓缸，響應速度快，縮短了換到時間。另外，壓縮氣體還能夠對主軸單元進行有效清理，如圖1所示。

圖1 打刀缸結構示意圖

2.5 刀庫及自動換刀

本機床配置刀庫及自動換刀裝置，并采用卡爪式拉刀機構，結構簡單可靠，同時提高了加工效率。整個刀庫與立柱分離，減輕了立柱運行時的自身載荷，減小了設備振動量，提供一種運行平穩可靠、易于調整，并能提高加工精度的立式加工中心的自動換刀裝置。

3 主要技術指標

工作臺面：850×1200（2個）；主軸錐孔：ISO50；行程：X—3200；Y—900；Z—900；主軸最高轉速：6000rpm；主電機功率：11kW；最快進給速度：X/Y—36m/min；Z—30m/min。

4 主要計算內容

主要進行各進給軸的絲杠、導軌、進給電機的選取計算。首先進行各運動部件的重量估算，再進行各種切削條件下的切削力計算，以此為依據進行各軸最大進給力的計算。按照進給力與各部分重量結合，進行絲杠、導軌、與進給電機的計算選型。計算時充分考慮各部分的受力情況及進給情況，進給電機按扭矩及慣量匹配進行選型。

5 設計產品技術特點

動柱式T型雙工位立式加工中心，解決了傳統床身式立式加工中心加工范圍小、承重能力差的問題。目前，市場上銷售的立式加工中心多采用傳統床身式十字滑臺結構。該結構的優點主要是結構緊湊、占地面積小；缺點則主要有以下兩點：①工作臺橫向（X軸）和縱向（Y軸）疊加在同一個床身，床鞍和床身導軌的尺寸影響了工作臺的長度和橫向行程；②兩軸疊加，在加工達到極限位置時會降低床身和工作臺的承重能力。如圖2、圖3所示。

圖2 動柱式C型立式加工中心

圖3 目前市場上常見的加工中心

本項目研制的動柱式T型雙工位立式加工中心采用動柱式結構，有效解決了傳統床身式十字滑臺結構加工行程和工作臺承重問題。具體內容如下：①工作臺直接在床身上做橫向移動（X軸），立柱做縱向移動（Y軸）兩軸進給互不影響；工作臺長度尺寸得到延伸，能夠有效解決用戶加工過程中較長零部件的加工問題；②采用動柱式結構，工作臺直接與床身接觸，不受其他工作單元影響，結構均衡，剛性穩定，承重能力好，解決了傳統床身式極限位置承重能力不穩定的問題。

[1]現代實用機床設計手冊編委會.現代實用機床設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2007.

Design of T Double Column Machining Center Station Vertical

WANG Jiaxiang, GUO Xingyang
(Shandong Machinery Design and Research Institute, Jinan 250031)

The design process of machining center based on a moving column type C double vertical are summarized. This paper introduces the design process, analyzes the structural characteristics, lists the important part of the calculation process, and the traditional vertical processing center for comparison.

dynamic column type, T type, double station