龙门式机床横梁的结构设计研究

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1、万方数据机电工程技术2006年第35卷第3期研究与匀龙门式机床横梁的结构设计研究罗传林，李锻能(广东工业大学机电工程学院，广东广州510090)摘要：横粱足舷门式机床．#要支承部件，横粱结构的好坏直接毒l；响到机床的使用性能和制造成奉：本文对龙f】式机床横梁的板筋结构形式、截匝形状、导轨分布形式作r研究分析；对适用的机床类型、加1：一12艺性进行了探讨：ffJ有限无分析方法，对1；I司截面形状的横梁在特定方阳的刚度大小进行r分析对比。关键词：坨门式机睐；横粱；导轨；刚度中圈分类号：TG502．31文献标

2、识码：A文章编号：1009—9492(2006)03一OM5—031引言龙门式机床是加工装备中必不可少的一种机床。龙门机床有龙门铣床、龙门镗铣床、龙门车床、龙门加工中心、龙门磨床、龙门刨床等，主要应用于大型零件的加工，也有用于小型特别是高精度零件的加工，如在模具行业当中广泛应用的小龙门雕刻机、高速铣床等。龙门式机床主要有加工跨距大、加工效率高、刚度高的特点，适应于批量或高精度加工。在航空、航天、汽车、模具等制造行业中得到广泛的应用。横梁是机床的主要支承件，对整个机床的性能影响非常大。因此应该根据载荷情况

3、以及机床的使用要求，设计横梁的结构形式，并进行相关的分析研究。本文采用有限元分析方法，得出不同横梁导轨分布形式的最大静态位移比较图和同等条件下的质量比较图，为生产实际合理选用横梁结构形式及导轨分布形式提供一定的参考依据。L2龙门式机床横梁的载荷特点龙门式机床横梁的受力结构为两点简支梁支承形式，造成横梁变形的主要原因是重力和加工时的切削力。除了横梁本身重量大造成稳定变形以外，当考虑横梁上的拖板和主轴箱等移动部件从一端移动到中部时，引起横梁不稳定的弯曲变形。由于结构的原因，主轴箱呈悬臂结构，其重力会引起横梁

4、产生扭转变形。对于大型和重型机床，移动件的重量大，切削力也很大，因此进行受力分析时，必须同时考虑移动件重力和切削力等载荷作用。要根据机床的受力结构和工作要求，分析得出极限工作载荷”]，作为设计横梁结构的依据。3龙门式机床横梁板筋形式横梁的内部板筋是根据载荷特点，通过合理布置加强筋的形式提高横梁的局部刚度重要形式。图1是主要几种板筋形式示意图[23：其中(a)是最简单、最普通的一种形式，(b)、(c)、(d)结构相对较复杂，可获得较好皿衄(Q)收稿日期：2005一09—27(b)图1加强筋的布置示意图(C

5、)(d)G与开发万方数据机电工程技术2006年第35卷第3期的刚度，但加工工艺要求高。(c)形式曾在从日本进口的某些机床中用过。(d)则较少见，其板筋借鉴了拱形桥梁的结构原理。除此以外还有米字形筋、人字形筋、以及几种形式筋的组合等形式。如某组合筋横梁，前部靠近导轨处采用交叉肋条，为提高导轨处的局部刚度而设置，后部采用纵横肋条，以提高整体刚度。4龙门式机床横梁截面形状及导轨的分布形式图2所示是各种机床中常用的几种固定横梁截面形状及导轨分布情况i其中结构(1)是传统龙门式机床中应用最广泛的种类之一，其特点是

6、截面形状简单，导轨在同一个平面内加工，加工工艺难度相对较低。由于丝杠传动系统在二条导轨之间，使得主轴的悬臂尺寸较大，因而横梁承受的扭矩较大，容易产生扭转变形。这种横梁结构在小型雕刻机、龙门式车床、铣床、镗床、钻床等轻小机床中应用广泛。结构(2)与(1)相似，但它比(1)导轨的加工工艺要求高，主要是要保证两个导轨面的平行度。因为在同样截面面积的情况下，这种结构底边尺寸增加，提高了抗扭截面矩。二条导轨布置在斜面上，可明显减小主轴箱的悬臂尺寸，因而整体刚性有所提高。这种横梁结构在铣床、镗床、加工中心较为常用。

7、结构(3)的横截面为矩形，与(1)不同的是导轨在水平面内布置，导轨的加工工艺性较好。由于导轨的布置不增加主轴箱的悬臂尺寸，因此由主轴箱重力产生的扭转变形比(1)要小。又由于这种截面结构高度尺寸比宽度尺寸小，相应的抗弯截面积比(1)要小，因此常用在一些高速、三轴联动和主轴箱重量不大的机床上。结构(4)在大型机床方面应用较多，和(1)、(3)相比，其加工工艺难度更高。二条导轨分别承担主轴箱的垂直方向和水平方向载荷，很好地改善了导轨的受力结构，因而在高档机床应用较多。结构(5)是在(4)的基础上，使二条导轨在

8、斜面内布置，在同样横截面尺寸情况下，加大了导轨之间的距离，提高了截面抗扭截面矩。同时可以根据主轴箱的载荷情况设计各种不同的倾斜度，可较好的改善承载刚度性能。但其加工工艺难度非常大，因而应用于高档机床。结构(6)是最近几年才出现的，应用于高速机床上，例如台湾某高速小龙门式机床采用了这种结构。这种结构的加工工艺要求非常高，首先要保证两个导轨面的平行度，其次保证滑鞍与两个导轨接触面的平行度，而且要求两个导轨面之间的高度一致。横梁的结构特点是静态刚