龍門加工中心橫梁導(dǎo)軌布置形式研究
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，著重對這兩種導(dǎo)軌布置形式的橫梁做出對比。 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)，通過研究已知這種筋板 結(jié)構(gòu)有著良好的靜動態(tài)性能，因此，需要對這種筋板結(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 性能進行進一步討論。1.力學(xué)分析 使用Pro/E三維建模軟件對兩種橫梁分別進行建 模，并對橫梁組件做出必要的簡化，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 有限元軟件的計算速度。 對于大型和重型機床，移動件的重量大，切削力也 很大，因此進行受力分析時，必須同時考慮移動件重力 和切削力等載荷作用。要根據(jù)機床的受力結(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， 需要對兩種橫梁分別進行靜力學(xué)分析。根據(jù)機床模型 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，最終導(dǎo)致 滑枕重量也不一樣。但是，相對與4000kg來說，變化 量并不算很大，因此可忽略不計），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較小，所以在加載切削 力的情況下，橫梁的變形反而并不是******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。通過已有學(xué)者的研究可知，當(dāng)滑枕、滑鞍及主軸部 件運動至橫梁中間位置，而滑枕運動到最低點時，橫梁 將會產(chǎn)生******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******大工作載荷， 對其進行受力分析，設(shè)直I坐標(biāo)系原點F位于橫梁跨距中點，距離上導(dǎo)軌表面457. 5mm，Z方向原點位于上導(dǎo)軌中間線與下導(dǎo)軌 中間線的中點，坐標(biāo)系方向與機床坐標(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。將這兩個力近似的作用到8個滑塊上，則上導(dǎo)軌 滑塊上受到的壓強為0. 61 MPa，方向為 < 軸負(fù)方向，下 導(dǎo)軌滑塊上受到的壓強為0. 23MPa，方向為 < 軸正方 向。將//轉(zhuǎn)化為加載在橫梁滑塊上的壓強，并忽略因 此產(chǎn)生的微小扭矩，則上導(dǎo)軌滑塊上側(cè)受到的壓強為0.52MPa，下導(dǎo)軌滑塊上側(cè)受到的壓強為0.2MPa，方向為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的 受力狀況如圖5中所示。將這兩個力近似的作有在8個滑塊上，則每個滑塊受到的壓強約為0.26MPa。上導(dǎo)軌滑塊壓強的方向為 X軸正方向，下導(dǎo)軌滑塊的方向為<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，則滑塊受到的壓強 為0.52MPa，方向向下。2橫梁有限元分析對橫梁進行有限元分析，由于兩種橫梁內(nèi)部筋板 結(jié)構(gòu)完全相同，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 其進行討論，只對橫梁做出靜態(tài)分析對比。將上文分析出的力加載在橫梁滑塊之上，同時對 橫梁組件整體施加重力作用，并在橫梁底部兩連接塊 部分作全約束。同時，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，橫梁的變形量比導(dǎo)軌垂直布置時要小，此時 橫梁的******變形量約為28. 3'm，而導(dǎo)軌垂直布置橫 梁******變形量約為28. 8'm，******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，導(dǎo)軌垂直面平行布置形式橫梁的******變形量為26.8um，而導(dǎo)軌垂直布置形式橫梁******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******應(yīng)力為5. 03MPa，而導(dǎo)軌垂直布置橫梁受到的 ******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) 龍門式機床有所提高，橫梁加工過程中主要需保證兩 個導(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，由于此時兩種橫梁受到的******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。3結(jié)論通過兩種導(dǎo)軌布置形式橫梁進行有限元分析對比 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導(dǎo)軌面的平行度，相對 于導(dǎo)軌垂直布置形式，其加工難度更低，加工成本也就 相對較低，更加適合企業(yè)的實際生產(chǎn)。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請注明！