李云革

一、引言

在保證大功率、高扭矩的前提下提高主軸轉(zhuǎn)速、切削速度和機(jī)床快移速度，縮短機(jī)床加工和輔助時(shí)間，是提高臥式加工中心加工效率的關(guān)鍵。因此，作為移動(dòng)部件的機(jī)床立柱設(shè)計(jì)非常重要。本文以 HMS125b型臥式加工中心的立柱設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)闡述了立柱設(shè)計(jì)中相應(yīng)的理論計(jì)算和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

HMC125b型加工中心機(jī)床總體設(shè)計(jì)布局為橫、縱分體鑄造床身結(jié)構(gòu)。立柱為鑄鐵龍門框形結(jié)構(gòu)，受力均勻；滾珠絲杠帶動(dòng)主軸箱沿立柱導(dǎo)軌上下移動(dòng)，主軸位于立柱兩導(dǎo)軌中間。主軸箱的平衡通過安裝在立柱上的油缸和鋼絲繩共同完成。

二、立柱參數(shù)的設(shè)定

HMC125b臥式加工中心工作臺(tái)為 1250×1250mm，主軸最大抗力 10000N，快移 24m/min， X軸即立柱加速時(shí)間 0.2s。驅(qū)動(dòng)電機(jī)：德國西門子 1FT6108-8AF71型。額定扭矩：37Nm。靜態(tài)扭矩：70Nm。最大扭矩：220Nm。額定轉(zhuǎn)速：3000rpm。額定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：260×10 -4kg·m2。

三、絲杠的選擇

1.螺紋直徑、導(dǎo)程、螺母的選擇

本機(jī)床設(shè)計(jì)最大移動(dòng)速度 24m/min，經(jīng)過減速箱（降速比 i=3）的減速后，與滾珠絲杠連接。根據(jù)同類機(jī)床比較，絲杠軸徑為 d=63mm，導(dǎo)程為 Ph=25mm。由此推導(dǎo)，絲杠螺紋長 =行程 +螺母長 +沖程 +端邊限度=1600+272+80X2+1209=3900mm。絲母選擇凸緣雙螺母外循環(huán) TDB-U 6325型。

2.精度的選擇

絲杠精度：0.023mm/300，ISO5。

3.確定螺紋軸的預(yù)壓力

絲杠預(yù)壓力： F=△ l×ks =△ l×Eπd32/4L。式中，F(xiàn)為預(yù)壓力，單位為 Kg；k s為螺紋軸軸向剛性； E=2.1×105N/mm2；d3=55.2mm； L=2271mm； F=（0.142 ×2.1×105π×55.22）/（4×2271）=2.2×10 4N。因此，預(yù)拉伸力： F=3.1×104N。

由此可以選出滾珠絲杠副的型號(hào)，這里選用：TDB -U6325-9-4。動(dòng)態(tài)負(fù)載 Ca=138.4kN；靜態(tài)負(fù)載 C 0a =321.5kN。

4.對(duì)已選擇的滾珠絲杠的校核

（1）壽命的校核?？焖龠M(jìn)給時(shí)最大軸向負(fù)荷為： Fa =m1×a+f+20%m1×g =m1×a+μ×m1×g+20%m1×g =4000×2+0.005×4000×9.8+0.02×4000×9.8 =16036N L=（ Ca/fwFa）3×106式中， L為總轉(zhuǎn)數(shù)； Ca為基本額定動(dòng)態(tài)負(fù)載138.4kN； fw為負(fù)載因數(shù)，取1.5； Fa為軸向負(fù)荷16036N； L=（138400/1.5×16036） 3×106=190.5×106 >106，滿足要求。

（2）臨界轉(zhuǎn)速的校核。

絲杠轉(zhuǎn)速提高之后，可能發(fā)生共振而不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，臨界轉(zhuǎn)速為：

d1

N=λ2× ×107

l2 式中， N為危險(xiǎn)速度下的容許轉(zhuǎn)速； λ2為與安裝相關(guān)的系數(shù)，為固定值， λ2=21.9； d1為絲杠軸螺紋小徑， d1=55.2mm； l為絲杠軸的安裝間距， l=3458mm；

N=21.9× 55.2 ×107=1011rpm；絲杠最快轉(zhuǎn)速為 34582 24000

n= Vmax =

Ph 25=960< N=1011rpm。因此滿足要求。

由此， c·dp ·n值為： dp =63， n=960rpm，

dp ·n=63×960=60480< [ dp ·n]=100000rpm。滿足要求。

四、軸承的選擇

NSK滾珠絲杠支承軸承為高精度向心推力滾珠軸承，其特點(diǎn)是：高軸向剛性，低的啟動(dòng)扭矩，容易安裝，結(jié)構(gòu)簡單，因此選用 NSK軸承，型號(hào)為：60TAC120BDBBC10PN7A，設(shè)置 2組。

五、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇

選擇電機(jī)的條件是 N電機(jī)> n負(fù)載；T電機(jī) ≥ T負(fù)載；J電機(jī) 1 ≥3 J負(fù)載。根據(jù)國內(nèi)外同類規(guī)格機(jī)床 ，選用西門子 AC系列 1FT6108-8SF7。其電機(jī)額定扭矩為 37Nm；額定轉(zhuǎn)速為 3000rpm額定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 260×10 -4kg·m2。通過計(jì)算校核所選電機(jī)。

（1）負(fù)載慣量的校核。

mD2 11

J絲杠 = 8 = 8×（ 4 ρπD2l）D2

11 = ×（ ×7.8×103π×0.0632×3.9）×0.0632

84

=0.047kg·m2

主軸箱等件折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

J主軸箱 =M1×L×L/ [（2×3.14）×（2×3.14）] =4000×0.025×0.025/ [（2×3.14）×（2×3.14）]

=0.063kg·m2

J=J絲杠 +J主軸箱 =0.047+0.063=0.11kg·m2

折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

J 0.11 J電機(jī)軸 = i2 = 32 =0.012kg·m2 J電機(jī)軸/3=0.012/3=0.004< J電機(jī) =0.026kg·m2

所以電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量滿足要求。

（2）啟動(dòng)力矩的校核。減速箱傳動(dòng)比為 i=3； T啟動(dòng) = iJα，T啟動(dòng)為啟動(dòng)力

矩； α為角加速度 α= n·2π = 960×2π =503rad/s； t 60×0.2

T啟動(dòng) =iJα=3×0.012×503=18Nm< T電機(jī)=37Nm。所以電機(jī)滿足要求。endprint

六、導(dǎo)軌的選擇

本機(jī)床選用的導(dǎo)軌是 THK直線導(dǎo)軌。直線導(dǎo)軌具有導(dǎo)軌表面磨損少、不產(chǎn)生爬行、油膜厚度變化少、價(jià)格便宜、高精度、高剛性、安裝、噪音低、具有很好的互換性和交貨期短等優(yōu)點(diǎn)。

（1）系列的選擇。選擇 SRG系列，因?yàn)榇讼盗胁捎脻L柱保持器，具有超高剛性、四方向等負(fù)荷，通過防止偏移來實(shí)現(xiàn)平滑運(yùn)動(dòng)、長期運(yùn)行且免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

（2）精度等級(jí)的選擇。本機(jī)床屬于精密級(jí)，選擇為 P精密級(jí)，預(yù)壓的種類為中預(yù)壓，C0級(jí)。

（3）線性導(dǎo)軌尺寸的確定。對(duì)于線性導(dǎo)軌，公稱型號(hào)與滾珠絲杠軸直徑幾乎相等，由于滾珠絲杠的直徑為63mm，查樣本可知，線性導(dǎo)軌型號(hào)為 SRG65LV（沒有 63規(guī)格）。

（4）導(dǎo)軌長度 L的確定。 L=行程+沖程+主軸箱的高度 +兩端防護(hù)罩最小壓縮尺寸 =1400+160+1150+138=2848mm。所以線性導(dǎo)軌型號(hào)選為 SRG65LV3SSC0E+2848LP-Ⅱ。

（5）線性導(dǎo)軌的潤滑方式。為了使用方便，采用集中潤滑方式。

（6）安裝方式的選擇。線性導(dǎo)軌側(cè)壓方法選用錐形塊（圖 1），左側(cè)為調(diào)整側(cè)，右側(cè)為基準(zhǔn)側(cè)。安裝臺(tái)階的高度根據(jù)樣本可知為 8mm。

七、滾珠絲杠的安裝方式

滾珠絲杠結(jié)構(gòu)如圖 2所示，主軸箱的絲母座孔為φ106mm，絲母直徑為 φ105mm，有 1mm的間隙，是為了調(diào)整方便，件 11為調(diào)整墊，調(diào)整該墊的厚度，可以對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，預(yù)拉伸 △ l計(jì)算如下：

△ L =ρ×△ t×L

式中， △ L為絲杠軸向伸縮量，單位為 mm； Ρ為熱膨脹系數(shù) 12×10 -6，單位為℃；△ t為絲杠軸溫度變化，取 3℃； L為螺紋部有效長度 2271，單位為 mm；

△ L=12×10-6×3×2271=0.0817mm。最后，確定△ L為

0.08mm。

滾珠絲杠的預(yù)拉伸具有以下作用。

（1）補(bǔ)償絲杠變形。

（2）提高絲杠抗壓剛度。

（3）提高推力軸承的軸向剛度。

（4）提高軸承座的軸向剛度。

八、平衡油缸的設(shè)計(jì)

平衡油缸的設(shè)計(jì)（圖 3），本機(jī)床采用液壓油缸的平衡方式，由于主軸箱上下行程為 1400mm，行程較大，考慮液壓油缸行程不能太大，所以采用動(dòng)滑輪加上鋼絲繩的形式，來減少油缸的行程，但油缸所承受的力要相應(yīng)增加一倍。

選擇美國 Parker公司 MMA系統(tǒng)冶金缸，主軸箱部總體重量為 3000kg，液壓油缸應(yīng)平衡掉 6000kg的重量，選擇型號(hào)為 100CMP3MMARL14M860M1144油缸。計(jì)算得出平衡載荷為 F=58800N，活塞桿直徑為 φ桿=63mm，缸孔面積為 S孔 =7854mm2，活塞桿面積為 S桿 =3117mm2，壓力為 P=F·106/（ S孔-S桿）/1000000=12.4MPa，系統(tǒng)泵站壓力為 14MPa。故滿足使用要求。

所選油缸及油壓符合設(shè)計(jì)要求，為進(jìn)一步確保穩(wěn)定性，在其管路上安裝一個(gè)減壓閥，通過改變管路壓力大小來調(diào)節(jié)平衡穩(wěn)定性。

九、結(jié)語

HMC125b樣機(jī)組裝完成后，對(duì)機(jī)床立柱左右運(yùn)動(dòng)的X軸和主軸箱上下運(yùn)動(dòng)的 Y軸，進(jìn)行幾何精度和加工精度切削檢驗(yàn)，經(jīng)檢測與實(shí)踐調(diào)整，所測精度完全符合設(shè)計(jì)要求，且立柱在工作過程中運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、動(dòng)態(tài)特性好，超越預(yù)期設(shè)計(jì)效果，保證了機(jī)床的精度要求。HMC125b樣機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)售出，該機(jī)床適用于軍工、航天、船舶和紡織等多種行業(yè)，更適合大型泵業(yè)和減速箱行業(yè)的高性能機(jī)床。endprint