李 軻

（寧波海天精工股份有限公司，浙江寧波 315800）

一種機床立柱卸荷機構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用

李 軻

（寧波海天精工股份有限公司，浙江寧波 315800）

目前國內(nèi)臥式加工中心在運行過程中存在立柱前傾的問題，這導(dǎo)致了機床精度的下降，且支撐立柱的床身主導(dǎo)軌面受載過大導(dǎo)致了機床在運行過程中出現(xiàn)振動和爬行等問題。文章針對這些問題，設(shè)計了一種帶輔助導(dǎo)軌的立柱卸荷裝置，并詳細論述了該卸荷裝置的結(jié)構(gòu)原理和安裝方法，并通過有限元分析對其性能進行了檢測，該卸荷機構(gòu)較好地解決了上述問題，且具有安裝，調(diào)試方便，便于維修等特點。

導(dǎo)軌卸荷裝置；輔助導(dǎo)軌；彈性支撐

0　引言

臥式加工中心是一種重型機床，其立柱帶動主軸箱在床身上滑動，立柱重約2～5噸。立柱移動時由于其重力大、負載高，摩擦阻力大，導(dǎo)致立柱進給時出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。并且立柱中心靠前，易造成立柱前傾，導(dǎo)軌比壓不均勻，使立柱底部耐磨板磨損不均勻，最后使Z軸精度保持性下降。

現(xiàn)有技術(shù)中通常通過在立柱滑動面粘貼聚四氟乙烯耐磨膠帶來減少摩擦力，但由于立柱過重，摩擦力依然較大，因此即使采用該減少摩擦力的做法，仍因需要較大的電機驅(qū)動力而使電機過熱。另一種做法是采用靜壓導(dǎo)軌以減少摩擦力。由于各靜壓腔的壓力油作用于床身的導(dǎo)軌面產(chǎn)生一個向上的推力，使床身導(dǎo)軌面和立柱導(dǎo)軌面形成一定的間隙，從而在該間隙中產(chǎn)生壓力油膜，在這種情況下立柱在床身導(dǎo)軌面滑動，摩擦力減少。但靜壓導(dǎo)軌還是無法解決立柱重心靠前的問題，并且床身導(dǎo)軌面的受力仍然較大。

本文所介紹的機床立柱卸荷裝置設(shè)置在支撐立柱的縱床身主導(dǎo)軌兩側(cè)的輔助導(dǎo)軌上。因內(nèi)置彈簧，且整個卸荷裝置采用杠桿原理，卸荷力2倍于彈簧力，使立柱及主軸箱部分載荷分布于輔助導(dǎo)軌上，其余載荷由主導(dǎo)軌承擔(dān)，相比其他類似功能的卸荷機構(gòu)，此裝置大大提高了臥式加工中心的加工精度、加工效率和使用壽命，因為整個裝置置于立柱底部前端，使機床立柱前傾的問題得到了緩解。

1　導(dǎo)軌卸荷裝置的總體設(shè)計

如圖1所示，在床身主導(dǎo)軌外側(cè)，靠近主導(dǎo)軌位置安裝兩根輔助導(dǎo)軌，在立柱底面靠近主軸箱側(cè)設(shè)置2個卸荷裝置，卸荷裝置上的滾輪與輔助導(dǎo)軌接觸，輔助導(dǎo)軌依靠螺釘連接在床身上。

該卸荷機構(gòu)將整個立柱組件的部分載荷分擔(dān)于輔助導(dǎo)軌上，滾輪傳動的設(shè)計解決了立柱進給時爬行、振動等問題，且卸荷裝置靠近主軸箱側(cè)的設(shè)計解決了整個立柱組件前傾的問題。

圖1　卸荷裝置水平布置圖

2　導(dǎo)軌卸荷裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2，圖3和圖4所示為臥式加工中心的卸荷裝置，包括輔助導(dǎo)軌、滾筒支架、托架、滾輪、銷軸、緊定螺釘?shù)取?/p>

圖2　卸荷裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3　卸荷裝置結(jié)構(gòu)圖

圖4　卸荷裝置結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，該卸荷機構(gòu)下端依靠滾輪在輔助導(dǎo)軌上滾動，上端依靠托架通過螺釘與立柱上的耐磨板連接。卸荷機構(gòu)中間設(shè)置有矩形彈簧，提供卸力。相比普通彈簧，矩形彈簧非常適用于這種負載很高而空間又非常有限的工作環(huán)境。矩形彈簧附近設(shè)置有一根螺柱，用來調(diào)節(jié)彈簧的壓縮量。

整個機構(gòu)設(shè)置了兩根銷軸，圖3為第一銷軸處的剖面圖，如圖所示第一銷軸處設(shè)置滾輪，滾輪夾在滾筒支架中，銷軸依靠緊定螺釘固定，第一銷軸內(nèi)設(shè)置有用于對滾輪進行潤滑的油脂腔，潤滑油流經(jīng)油氣管路對滾輪進行潤滑，有利于減小滾動摩擦力，延長滾輪使用壽命。圖4為第二銷軸處的剖面圖，如圖所示，滾筒支架與托架通過第二銷軸進行連接，第二銷軸也通過緊定螺釘進行固定，第二銷軸中間設(shè)置有自潤滑軸承，使?jié)L筒支架和托架可以繞第二銷軸進行轉(zhuǎn)動。該自潤滑軸承具有薄壁結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，靜動摩擦系數(shù)相近，有適量的彈塑性，能將應(yīng)力分布在較寬的接觸面上，提高軸承的承載能力，且其最大優(yōu)點還在于在使用時可以不保養(yǎng)。

整個機構(gòu)兩根銷軸的設(shè)計，以及將矩形彈簧設(shè)置在卸荷裝置的一側(cè)，形成了類似杠桿的機構(gòu)，使?jié)L輪上的承載力接近矩形彈簧力的2倍，提高了卸荷機構(gòu)的卸載量。

輔助導(dǎo)軌采用GCr15材料，經(jīng)C61淬火熱處理，提高導(dǎo)軌的硬度與耐磨性，依靠螺釘連接在床身主導(dǎo)軌兩側(cè)。

3　導(dǎo)軌卸荷裝置的效果分析

3.1輔助導(dǎo)軌承受載荷

選定矩形彈簧型號為SJH32×16×51。

安裝后彈簧受載荷：

式中：k—矩形彈簧彈性系數(shù)；

ΔL—彈簧壓縮量；

選擇的彈簧彈性系數(shù)k=257N/mm，彈簧壓縮量ΔL=10mm。則彈簧受載荷：

由于整個卸荷裝置用運杠桿原理，加載在滾輪上的力為彈簧受力的2倍，則，加載在滾輪上的力

由于在床身兩側(cè)分別設(shè)置了一個卸荷裝置，則2根輔助導(dǎo)軌承受的總載荷為

3.2整機有限元靜力分析

利用Solidworks三維設(shè)計軟件對關(guān)鍵部件進行建模，包括縱床身、立柱、主軸箱、輔助導(dǎo)軌。立柱與導(dǎo)軌結(jié)合面采用測試獲得的動剛度和阻尼進行連接。整個卸荷裝置用有限元軟件中的彈性連接spring來代替，如圖5所示。

圖5　彈性支撐單元spring

利用有限元分析軟件分別對加卸荷裝置和不加卸荷裝置的機床在自重狀態(tài)下進行分析，部件材料采用HT300，其彈性模量E=1.3×1011Pa，泊松比σ= 0.26，其在Z方向的變形圖如圖6和圖7所示。

從表1可以看出，立柱加上卸荷裝置，在Z方向的變形從0.012mm減少至0.007mm，減少了41.7%，立柱前傾得到了很大的緩解。且從圖5和圖6中可以看出，加上卸荷裝置的整機床身和立柱變形更加均勻。

表1　自重狀態(tài)下立柱Z方向變形結(jié)果

圖6　無卸荷裝置Z向變形圖

圖7　有卸荷裝置Z向變形圖

4　結(jié)論

本文設(shè)計了一種帶輔助導(dǎo)軌的機床立柱卸荷裝置。詳細論述了該卸荷裝置的結(jié)構(gòu)，安裝調(diào)節(jié)方法，并運用有限元分析，對安裝卸荷裝置后的效果進行了對比分析，從分析結(jié)果中得出，該卸荷裝置較大程度上緩解了立柱前傾的問題，由于該機構(gòu)運用了杠桿原理，放大了彈簧的卸荷力，通過輔助導(dǎo)軌的卸載，減少了隊主導(dǎo)軌面的壓力，解決了機床運行過程中產(chǎn)生的爬行及振動的問題。目前該卸荷裝置已投入運用，運行效果良好。

［1］文懷棟，史軍，姜美娜.基于恒定重載的卸荷導(dǎo)軌副設(shè)計與應(yīng)用［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2011（9）：84-87.

［2］王文斌.機械設(shè)計手冊（第二卷）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［3］衛(wèi)繼健.卸荷裝置在數(shù)控機床中的應(yīng)用［J］.機械工人，2005（8）：42-43.

［4］巫修海，馬云芳.高速高精度臥式加工中心動態(tài)優(yōu)化設(shè)計［J］.振動與沖擊，2009（10）：74-77.

（編輯 趙蓉）

Design and Application of an Unloading Device for the Column of Machine Tool

LI Ke
（Ningbo Haitian Precision Machinery CO.LTD，Ningbo Zhejiang 315800，China）

At the present stage，there is the problem of forerake of the column when the horizontal machining center works，it leads to decreased the accuracy of the horizontal machining center，besides the load of the leading rail surface for proping up the column is too large，it leads to movement and crawl when we use the machine.Against these problem，designed a kind of unloading device for the column of machine tool with the auxiliary guide way，and deeply introduced the structure principle and the method of installation of the unloading device.Through the FEM，tested the property of the unloading device.The unloading device resolved these problems and it is easy to install，debug and repair.

guide way unloading device；auxiliary guide way；stretch underprop

TH122；TG65

A

1001-2265（2015）02-0142-02 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.040

2014-01-13；

2014-02-08

李軻（1985—），男，浙江寧波人，寧波海天精工股份有限公司工程師，主要從事加工中心的設(shè)計開發(fā)與研究，（E-mail）417752598@qq.com。