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銑床所指的是針對(duì)工件實(shí)行銑削加工的地點(diǎn)，銑床中可開展多項(xiàng)加工工作，包括螺旋形表面和分齒零件、溝槽和平面等等。同時(shí)，銑床還可對(duì)回轉(zhuǎn)體表面以及內(nèi)孔實(shí)行切斷與加工。由于數(shù)控龍門銑床有較高的生產(chǎn)效率，因此，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造領(lǐng)域。

1 機(jī)床概述

即 FG32040MA 數(shù)控三坐標(biāo)龍門銑床，其為移動(dòng)式固定龍門工作臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)，三軸聯(lián)動(dòng)，其中有自動(dòng)交換附件頭的配置，可實(shí)行五面加工，以下即幾大重要參數(shù)：大坐標(biāo)移動(dòng)速度為 15m/min；主軸高轉(zhuǎn)速為 4000r/min；工作臺(tái)尺寸為 4000mm×2000mm；主軸功率為 37kW（Sl）/45kW（S6）；主軸扭矩為 1300N·m（S1）/1900N·m（S6）。

針對(duì)于航空零件數(shù)控的加工特點(diǎn)而制造和設(shè)計(jì)的一種機(jī)床即 FG32040MA 數(shù)控三坐標(biāo)龍門銑床，這一銑床有較強(qiáng)的功能、較為緊湊的結(jié)構(gòu)，且剛性大。在一些黑色金屬航空零件數(shù)控加工中得到廣泛應(yīng)用，包括鑄鐵和強(qiáng)度高的結(jié)構(gòu)鋼以及鈦合金等等。

2 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以往主傳動(dòng)系統(tǒng)所采用的為固定龍門滑枕式銑床，由傳動(dòng)軸向主軸傳送齒輪箱內(nèi)動(dòng)力，從而驅(qū)動(dòng)刀具進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)。一般而言，支撐長傳動(dòng)軸的需幾組軸承，為了確保更高主軸轉(zhuǎn)速和一定裝配精度，對(duì)滑枕內(nèi)部軸度以及軸承座孔提出了較高要求，而這不僅會(huì)增加滑枕加工難度，還難以保障精度。要想讓長傳動(dòng)軸傳遞大切削扭矩，就應(yīng)確保夠大的截面直徑，而一旦增大截面直徑，就會(huì)增加轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)聯(lián)，從而對(duì)主軸動(dòng)態(tài)性能起到較大制約作用。此外，由于難以確保裝配的長傳動(dòng)軸精度，再加上長傳動(dòng)軸自身有一定撓度，很難確保傳動(dòng)系動(dòng)平衡，無法實(shí)現(xiàn)主軸高轉(zhuǎn)速[1]。

2.1 更改設(shè)計(jì)要想確保高轉(zhuǎn)速和大扭矩以及大功率，在設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)解決以往設(shè)計(jì)過程中存在的問題，首先需做的即更改和設(shè)計(jì)長傳動(dòng)軸。在設(shè)計(jì) FG32040MA 數(shù)控三坐標(biāo)龍門銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)用的是插入式的獨(dú)立傳動(dòng)箱安裝方法，利用空心傳動(dòng)軸向主軸傳遞動(dòng)力，可大大縮短傳動(dòng)軸長度。經(jīng)過系統(tǒng)動(dòng)平衡試驗(yàn)之后，無須采用滑枕內(nèi)部的軸承來支撐，在節(jié)省成本的同時(shí)降低難度。并且作為一種獨(dú)立部件，傳動(dòng)箱對(duì)潤滑冷卻設(shè)計(jì)有利，便于散熱處理以及熱防護(hù)。主傳動(dòng)系統(tǒng)在高速運(yùn)作過程中出現(xiàn)的熱變形即大扭矩和大功率，在整機(jī)誤差當(dāng)中不可獲缺，只有減小熱變形誤差，才可確保機(jī)床加工的精度。主動(dòng)機(jī)熱源重點(diǎn)分布于局部軸承所在區(qū)域和減速器、主軸電動(dòng)機(jī)和減速器下方的傳動(dòng)齒輪，要想控制熱變形所帶來的影響，可通過三種方式來達(dá)到目的：第一，熱源隔離；第二，強(qiáng)化散熱；第三，減少熱源發(fā)熱量。由于主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝的是插入式的獨(dú)立傳動(dòng)箱，因此，需在正面滑枕設(shè)計(jì)相應(yīng)安裝窗口，而這必然會(huì)降低滑枕結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，當(dāng)其高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，大功率的機(jī)械主軸會(huì)產(chǎn)生熱量，從而致使滑枕出現(xiàn)變形和彎曲，難以保障工件加工精度[2]。為了解決這一問題，在設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)確保緊湊結(jié)構(gòu)，確保插入的軸向尺寸較小，這樣引起的滑枕變形會(huì)相應(yīng)減小。

2.2 材料選擇

在選擇材料時(shí)，需考慮載荷部位危險(xiǎn)性，確保材料有一定的抗斷裂性能和抗疲勞性能以及重量比值。

2.3 確定過渡曲線

可對(duì)過渡曲線實(shí)行有限元分析，核對(duì)分析內(nèi)容，防止傳統(tǒng)軸間過渡從而出現(xiàn)集中圓角應(yīng)力情況。在實(shí)際分析過程中，可采用點(diǎn)線面體的建模形式，同時(shí)可構(gòu)建二維面積網(wǎng)絡(luò)，借助旋轉(zhuǎn)所獲得的有限元模型即為三維映射網(wǎng)絡(luò)。雖然這一方法構(gòu)建流程極其繁瑣，卻對(duì)計(jì)算速率的提升有利，同時(shí)能夠確保計(jì)算數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。大型數(shù)控龍門銑床主軸若星傳動(dòng)系統(tǒng)的過渡可采用樣條曲線，通過連接兩側(cè)軸承以及過渡段，除了可集中應(yīng)力，還能延長使用年限。

3 傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 確定傳動(dòng)系統(tǒng)的模型元件

傳動(dòng)系統(tǒng)模型元件有兩方面的內(nèi)容。第一，慣性元件。所指的是卡盤和齒輪以及皮帶輪等零部件每一軸旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量。傳動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這一部分零部件動(dòng)力學(xué)的原理重點(diǎn)在轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量中有所體現(xiàn)。一般情況下，軸中慣性元件可向軸兩側(cè)集中部分慣量，忽略扭轉(zhuǎn)變形以及等效圓盤情況，可視作剛性圓盤應(yīng)用，以下為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式：I=mp2（1）在等效圓盤中，p 為等效直徑，m 為等效圓盤質(zhì)量，I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

第二，彈性原件。兩大等效圓盤間軸段即彈性原件。其作用于傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)在自身扭轉(zhuǎn)剛度上有所體現(xiàn)。通過利用軸段之間轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量，可重疊在鋼性圓盤中，從而控制軸扭轉(zhuǎn)剛度精準(zhǔn)程度。