五轴龙门加工中心的研究

摘 要：自主研制一台加工尺寸范围为汽车、建筑机械、工程机械中的3800 mm×2400 mm×600 mm箱体类零件的粗、精加工的高效率五轴龙门加工中心。

关键词：五轴龙门加工中心 横梁 进给系统 底座和工作台 滑枕滑架 主轴的研究

中图分类号：TG502 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0068-01

机床是制造各种机械的机器，机床工业科技水平的高低，是一个时代新技术综合发展水平高低的重要标志。现在机械行业是国民经济的重要支柱产业，随着社会发展进步，人们越来越重视机床的加工效率，这就要求机床行业必须努力提高机床的通用性及多用性。五轴龙门加工中心就是我公司为满足市场需求研发的一台高效率高通用性的设备。该台设备研制的成功，在提高生产效率的同时，提高加工精度，节约生产成本，减少人力浪费，可替代同类产品的进口，使我国的高端装备制造业上升到的一个新的水平，缩短与国外相关技术的差距。

1 主要研究内容

五轴龙门加工中心是借鉴国内外龙门加工中心机床的先进特点，自行研制的新一代工作台移动定梁式龙门加工中心。X轴行程为4200 mm，Y轴行程2800 mm，Z轴行程为1000 mm。本机床适用于汽车、建筑机械、工程机械中的3800 mm×2400 mm×600 mm箱体类零件的粗、精加工。控制系统配置为西门子840DSL数控系统，配有彩色液晶中文显示器，其测量过程实现全数控，并具有非常好的人机界面，高稳定性和高可靠性，操作方便。X、Y、Z轴均采用数字式交流伺服系统，可实现坐标轴联动加工，可进行直线和圆弧插补等操作，零件在工作台上一次装夹后可自动完成铣、镗、钻、扩、攻丝、曲面等多种工序的加工。

机床横梁、立柱、底座、滑枕、滑架、工作台为具有良好吸震性和精度保持性，均采用高强度铸铁材料铸造成形。主轴组件利用动态平衡校正设备，直接校正主轴动态平衡，避免主轴在高转速运转时产生共振现象，以确保最佳的加工精度。主轴采用智能控制恒温冷却系统，分别对主轴前轴承、主轴后轴承等进行强制恒温冷却，控制主轴滑枕部分的温升，抑制主轴的热变形。三个进给坐标中，各坐标轴全部采用高精度圆柱滚子直线滚动导轨，采用C3级高精度滚珠丝杠，快移速度X、Y、Z坐标轴均可达20 m/min。

1.1 横梁的研究

由于滑架和滑枕以及横梁本身的重量都会使横梁安装在立柱上后产生向下的弯曲现象，相同截面下横梁越长弯曲现象越明显。这样就会使Y轴直线导轨不再平行于工作台的表面，影响机床的加工精度，为了避免上面现象的产生，我们采取以下的方法来解决，横梁上良好的型腔布筋结构是横梁刚性的可靠保证，也是解决横梁弯曲的关键，我们采用合理布置筋板的位置以及V型筋的布置方式来保证横梁的刚性。在横截面积一定的情况下，最大限度的增大空腔面积，减小筋板厚度，降低横梁的总体重量，也可以进一步降低横梁重量对其弯曲的影响；在加工横梁导轨面时，为了防止横梁安装后向下凹，可以将横梁加工成稍微向上凸的形状；也就是说，按照横梁变形的相反方向加工横梁上的导轨安装基面，这也是解决横梁弯曲的关键。

1.2 进给系统的研究

龙门加工中心运动部件进给系统的传动方式常见为滚珠丝杠副传动和齿轮齿条传动。因滚珠丝杠副传动精度好，运动速度快，定位、重复定位精度高，而齿轮齿条传动结构较复杂，所以我们选用滚珠丝杠副的传动方式。

滚珠丝杠传动部分采用“固定―固定”的形式。此种安装方式使丝杠一般不会受压，丝杆稳定性高，使传动系统有较高轴向刚度和临界转速，使驱动部件实现了高的运动速度。伺服电机通过联轴器、精密减速机将电机驱动扭矩放大后传导给滚珠丝杠，使丝杠旋转来带动丝杠螺母作往复运动，从而实现滚珠丝杠大驱动力传动。我们选用丝杠专用角接触轴承安装在丝杠支撑上，该轴承能承受较大的轴向力，也就保证了驱动系统具有高刚性。此外，通过锁紧螺母、丝杠轴承和隔套以及滚珠丝杠固定支架可以实现对滚珠丝杠的预拉伸，来消除滚珠丝杠热变形对传动精度的影响，获得了高速传动下的高的传动精度。

1.3 底座和工作台的研究

在底座和工作台之间采用的是两根重载的滚柱直线导轨，并且每根导轨上安装有4个超重负荷的重型滑块。这种直线导轨的动静摩擦力小，使工作台运动时具有高灵敏度，做到高速时振动小，低速时无爬行，并且具有定位精度高，伺服驱动性能优等特点；同时该直线导轨承载能力大，切削抗振动性能好，可以改善机床性能特性，提高机床的精度和精度稳定性及机床的使用寿命。

为避免工作台滚珠丝杠因为两端支撑距离过远本身自重使丝杠中部向下产生挠曲而影响使用，为保证工作台的运动平稳，对滚珠丝杠增加浮动支撑机构。在丝杠螺母未处于浮动丝杠浮动机构位置时，有支撑辊直接支撑丝杠，而当丝杠螺母通过丝杠浮动支撑机构时，在工作台下部设置限位块和滚动支撑装置配合，将丝杠浮动支撑机构整体下压，便于丝杠螺母通过，此时滚动支撑装置和工作台下部设置的限位块配合支撑丝杠，实现丝杠工作过程的全程浮动支撑。（注：该机构已申请专利 证书号：ZL 2012 2 0497986.4）

1.4 滑枕滑架研究

滑枕与滑架采用了铸造滑台式结构；滑枕与滑架之间采用滑动导轨副，即铸铁-贴塑磨擦副，这样可以保证加工时切削平稳，特别适用于主轴强力铣削，大孔镗削加工。

设计滑枕时，采用空箱结构形式，内部可以装入采用高刚性、大直径主轴部件总成、宽幅调速交流伺服主轴电机+变速箱的主传动系统。为了实现滑枕20m/min的快速移动，滑枕部件上安装有双液压缸的平衡机构，压力油通过进口的优质平衡阀组作用在平衡油缸上来平衡滑枕及其内部部件的重量，这样做既能保证滑枕主轴箱运动的稳定性、灵活性以及快速响应速度，又大大降低了这部分部件对Z轴驱动电机性能的要求。

1.5 主轴的研究

五轴龙门加工中心主轴最高转速为18000 n/min，为保证该主轴高的转速及高的刚度，我们特采用高速角接触球轴承，并以前四后二的形式进行配置。考虑到主轴高速旋转的温升问题，采用智能恒温冷却系统对其进行了充分的冷却。此外，为保证主轴高速切削时的平稳性和良好的吸震性，采用主轴箱与滑枕一体式的结构形式，直接集成在滑枕上。

在主轴抓刀部分的设计上，采用传统的设计形式，即主轴内部的蝶形弹簧以拉紧力通过四瓣爪式拉刀机构作用在刀柄的拉钉上，使刀具与主轴锥孔紧密配合来实现抓拉动作。主轴松刀是采用液压油缸动作时碟形弹簧推动拉刀机构来实现的。

2 结论

通过设计计算以及产品的试生产及装配调试，该五龙门加工中心基本上能够满足当初的设计研发要求，现在已经形成批量产品，基本上满足了用户的使用要求。该机床目前在用户处使用效果良好，传动速度较快，运动较平稳，并保证了良好的定位精度和重复定位精度，具有较高的加工效率。

参考文献

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[2] 王爱玲，白恩远.现代数控机床[M].北京：国防工业出版社，2003.

[3] 南京工艺装备制造有限公司滚珠丝杠样本.2013.

[4] 机械工业出版社编.机床设计手册[M].北京：机械工业出版社，1986.