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龍門加工中心橫梁導(dǎo)軌布置形式研究
閱讀：671 發(fā)布時(shí)間：2020-8-10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(chǎng)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(jī)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(shí)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(duì)這兩種導(dǎo)軌布置形式的橫梁做出對(duì)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(guò)研究已知這種筋板 結(jié)構(gòu)有著良好的靜動(dòng)態(tài)性能，因此，需要對(duì)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(jìn)行進(jìn)一步討論。
1.力學(xué)分析
使用Pro/E三維建模軟件對(duì)兩種橫梁分別進(jìn)行建 模，并對(duì)橫梁組件做出必要的簡(jiǎn)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(jì)算速度。
對(duì)于大型和重型機(jī)床，移動(dòng)件的重量大，切削力也 很大，因此進(jìn)行受力分析時(shí)，必須同時(shí)考慮移動(dòng)件重力 和切削力等載荷作用。要根據(jù)機(jī)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(duì)兩種橫梁分別進(jìn)行靜力學(xué)分析。根據(jù)機(jī)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(shí)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，終導(dǎo)致 滑枕重量也不一樣。但是，相對(duì)與4000kg來(lái)說(shuō)，變化 量并不算很大，因此可忽略不計(jì)），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(guò)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(duì)較小，所以在加載切削 力的情況下，橫梁的變形反而并不是大情況。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(guò)已有學(xué)者的研究可知，當(dāng)滑枕、滑鞍及主軸部 件運(yùn)動(dòng)至橫梁中間位置，而滑枕運(yùn)動(dòng)到低點(diǎn)時(shí)，橫梁 將會(huì)產(chǎn)生大的彎曲變形[4]。
1.1導(dǎo)軌垂直布置形式橫梁
為了求得橫梁受到的大大工作載荷， 對(duì)其進(jìn)行受力分析，設(shè)直I坐標(biāo)系原點(diǎn)F位于橫梁跨距中點(diǎn)，距離上導(dǎo)軌表面457. 5mm，Z方向原點(diǎn)位于上導(dǎo)軌中間線與下導(dǎo)軌 中間線的中點(diǎn)，坐標(biāo)系方向與機(jī)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(gè)力近似的作用到8個(gè)滑塊上，則上導(dǎo)軌 滑塊上受到的壓強(qiáng)為0. 61 MPa，方向?yàn)?/span> < 軸負(fù)方向，下 導(dǎo)軌滑塊上受到的壓強(qiáng)為0. 23MPa，方向?yàn)?/span> < 軸正方 向。將//轉(zhuǎn)化為加載在橫梁滑塊上的壓強(qiáng)，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(qiáng)為0.52MPa，下導(dǎo)軌滑塊上側(cè)受到的壓強(qiáng)為0.2MPa，方向?yàn)?/span>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(shí)的 受力狀況如圖5中所示。
將這兩個(gè)力近似的作有在8個(gè)滑塊上，則每個(gè)滑塊受到的壓強(qiáng)約為0.26MPa。上導(dǎo)軌滑塊壓強(qiáng)的方向?yàn)?X軸正方向，下導(dǎo)軌滑塊的方向?yàn)?lt;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(qiáng)，則滑塊受到的壓強(qiáng) 為0.52MPa，方向向下。
對(duì)橫梁進(jìn)行有限元分析，由于兩種橫梁內(nèi)部筋板 結(jié)構(gòu)*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(duì) 其進(jìn)行討論，只對(duì)橫梁做出靜態(tài)分析對(duì)比。
將上文分析出的力加載在橫梁滑塊之上，同時(shí)對(duì) 橫梁組件整體施加重力作用，并在橫梁底部?jī)蛇B接塊 部分作全約束。同時(shí)，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(shí)，橫梁的變形量比導(dǎo)軌垂直布置時(shí)要小，此時(shí) 橫梁的大變形量約為28. 3'm，而導(dǎo)軌垂直布置橫 梁大變形量約為28. 8'm，大變形部分都發(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(shí)，導(dǎo)軌垂直面平行布置形式橫梁的大變形量為26.8um，而導(dǎo)軌垂直布置形式橫梁大變形量則為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 的大應(yīng)力為5. 03MPa，而導(dǎo)軌垂直布置橫梁受到的 大應(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(jī)床有所提高，橫梁加工過(guò)程中主要需保證兩 個(gè)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(gè)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(shí)兩種橫梁受到的大應(yīng)力都遠(yuǎn)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(diǎn)。
3結(jié)論
通過(guò)兩種導(dǎo)軌布置形式橫梁進(jìn)行有限元分析對(duì)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(gè)導(dǎo)軌面的平行度，相對(duì) 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(duì)較低，更加適合企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)。
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