趙進(jìn)明

（太原機(jī)床廠）

數(shù)控機(jī)床作為現(xiàn)代裝備制造業(yè)的工作母機(jī)，已經(jīng)成為涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈、國(guó)家安全的重要裝備。龍門加工中心是航空航天、船舶、機(jī)車車輛、工程機(jī)械和紡織等行業(yè)不可缺少的主要加工設(shè)備之一，隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了更高的要求，即在滿足機(jī)床整體性能的條件下，要逐步提高機(jī)床加工、裝配的工藝性、可靠性。

本文在對(duì)XHT2420龍門加工中心的主傳動(dòng)系統(tǒng)和滑枕結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，將新型的復(fù)合碳纖維傳動(dòng)軸應(yīng)用到主傳動(dòng)系統(tǒng)，從而優(yōu)化了主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了滑枕內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，提高了主傳動(dòng)系統(tǒng)加工和裝配的工藝性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

機(jī)床結(jié)構(gòu)

XHT2420龍門加工中心總體結(jié)構(gòu)為由雙立柱和固定橫梁組成封閉框架、工作臺(tái)移動(dòng)的龍門式定梁結(jié)構(gòu)，X、Y、Z三個(gè)進(jìn)給軸聯(lián)動(dòng)，工作臺(tái)移動(dòng)采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙雙齒輪、精密齒條機(jī)構(gòu),在床身上沿直線滾動(dòng)導(dǎo)軌做X向往復(fù)縱向運(yùn)動(dòng)，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副帶動(dòng)拖板沿橫梁上的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌做Y向往復(fù)橫向運(yùn)動(dòng)；由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副帶動(dòng)垂直滑枕上的鏜銑頭做Z向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

機(jī)床主軸配置了五面加工頭，采用了立臥組合主軸頭，同時(shí)具有立式和臥式主軸，恒溫冷卻，主軸自動(dòng)完成5°×72mm轉(zhuǎn)位, 主軸立臥換刀由電氣、液壓和氣動(dòng)共同配合完成60把鏈條刀庫(kù)的全自動(dòng)換刀。零件經(jīng)一次裝夾，可以對(duì)工件進(jìn)行五面加工，可完成除安裝面外其余各面及孔系的加工，確保被加工零件的各面、孔之間的加工精度，適用于多種板類、箱體類和機(jī)架類零件的數(shù)控加工，一次裝夾可以對(duì)工件進(jìn)行鏜、銑、鉆、鉸和攻螺紋等各項(xiàng)操作。機(jī)床主體結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

XHT2420的主要技術(shù)參數(shù)為：主軸功率22/26kW，主軸扭矩560N·m，主軸轉(zhuǎn)速200～3 500r/min，工作臺(tái)尺寸2m×6m，滑枕鏜銑頭行程（Z向）1 000mm，三坐標(biāo)Z大移動(dòng)速度12m/min。

機(jī)床原滑枕主傳動(dòng)設(shè)計(jì)及分析

滑枕主傳動(dòng)部件是影響龍門五面加工中心整機(jī)切削性能、強(qiáng)度、剛性和熱平衡的關(guān)鍵部件?；硎侵鱾鲃?dòng)部件的關(guān)鍵零件，其結(jié)構(gòu)與工藝性將直接影響主傳動(dòng)部件的性能，其作用是把主軸電機(jī)和主軸連接起來(lái)并作Z向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，在機(jī)床加工過(guò)程中，滑枕既要承擔(dān)自身的質(zhì)量，還要承受主電機(jī)及減速箱的質(zhì)量，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床快速平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)，滑枕必須保持很好的動(dòng)態(tài)特性。

（1）原滑枕主傳動(dòng)設(shè)計(jì)及工藝性分析。如圖2所示為龍門加工中心原滑枕主傳動(dòng)系統(tǒng)。主軸伺服電動(dòng)機(jī)1與方滑枕鏜銑頭主傳動(dòng)ZF減速箱2組配，ZF減速箱與滑枕采用分離式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，ZF減速箱置于滑枕頂端，通過(guò)兩根傳動(dòng)軸5、9和中間花鍵軸套7及聯(lián)軸器3、11將ZF減速箱的動(dòng)力傳遞給立臥鏜銑頭主軸12，驅(qū)動(dòng)刀具完成切削運(yùn)動(dòng)。

由圖2可見，兩傳動(dòng)軸5與9必須通過(guò)4、6、8、10共4組軸承支撐，滑枕零件傳動(dòng)軸孔多為深軸孔，加工精度特別是平行度、孔距和孔徑較難保證，易造成傳動(dòng)鏈松垮，減弱傳動(dòng)剛性，增大切削噪聲。此外，長(zhǎng)軸孔不易裝配，裝配質(zhì)量穩(wěn)定性、可靠性不高，影響傳動(dòng)剛性。

由此可見，滑枕精密深腔孔的加工和測(cè)量是滑枕制造和加工的關(guān)鍵。

（2）原滑枕加工工藝性分析。如圖3所示即為龍門加工中心原滑枕零件圖，方滑枕尺寸為420mm×420mm×2 773mm，滑枕Z大行程Z = 1 0 0 0 m m，腔內(nèi)軸向共6 個(gè)加工孔， 主軸孔φ 360H7， 各孔同軸度要求φ 0.025mm。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是內(nèi)腔孔比較深，各孔同軸度要求高。尤其是中部的軸承孔，無(wú)論從左端還是右端加工，距端面距離分別深達(dá)1 426mm和1 411.3mm，加工、測(cè)量均很困難。

一般滑枕深腔孔有3種主要的加工方法：懸臂鏜削法、吊墻導(dǎo)向法和固定式雙支撐法。懸臂鏜削法：當(dāng)滑枕深腔孔孔深不大于1 000mm時(shí)，可采用主軸單臂懸深的方法進(jìn)行加工。這種方法的加工刀具方便隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，而且在操作過(guò)程中方便測(cè)量和觀察，滑枕深腔孔和滑枕兩端孔的同軸度主要就是依靠刀桿的剛性和機(jī)床的回轉(zhuǎn)精度來(lái)保證。

吊墻導(dǎo)向法： 當(dāng)滑枕深腔孔孔深大于1 000mm時(shí)，由于孔深較深，采用單臂懸伸方法無(wú)法達(dá)到精度要求。通常采用吊墻導(dǎo)向法，這種方法利用滑枕上帶有的方窗，窗口朝上，在深孔窗口處安裝專用工裝——吊墻，在滑枕端孔安裝架套，形成雙導(dǎo)向的加工方法。用這種加工方法生產(chǎn)的工件同軸度好，但因吊墻（作鏜桿的支撐用）是懸掛在滑枕上方，其支承剛性差，切削過(guò)程易產(chǎn)生振動(dòng)且測(cè)量不方便。固定式雙支撐法：當(dāng)滑枕的深腔孔孔深大于1 500mm時(shí)，一般采取固定式雙支撐的方法進(jìn)行加工。利用滑枕上帶有的方窗，窗口朝下，通過(guò)鏜具將滑枕安裝在機(jī)床上，前支撐設(shè)在工件的前端，后支撐借助工件上的方窗孔設(shè)置在工件需要加工的后軸承孔的后端，前后支撐形成雙導(dǎo)向，以實(shí)現(xiàn)一次裝卡分別滿足前后孔的加工。在前后支撐之間增加輔助支撐，以克服鏜桿的懸伸變形。這種方法加工出來(lái)的滑枕同軸度高、質(zhì)量好，但需要專用鏜具，且同樣存在操作復(fù)雜、測(cè)量困難的問(wèn)題。

由上述分析可知， 原滑枕由于單端孔深大于1 000mm，滑枕精密孔加工不能采用懸臂鏜削法，只能采用吊墻導(dǎo)向法或固定式雙支撐法。但采用吊墻導(dǎo)向法或固定式雙支撐法必須設(shè)計(jì)制造專用鏜具， 操作費(fèi)時(shí)、測(cè)量困難。因此，應(yīng)轉(zhuǎn)換思路，另辟蹊徑，從改變滑枕內(nèi)腔傳動(dòng)結(jié)構(gòu)入手，解決滑枕加工、裝配的工藝性問(wèn)題。

滑枕主傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）滑枕主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。如前所述，主軸伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)ZF減速箱連接到傳動(dòng)軸，將動(dòng)力傳遞給主軸頭，傳動(dòng)軸主要是用來(lái)將動(dòng)力源的動(dòng)力傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的，一般都是用鋼質(zhì)材料制成，在中小型機(jī)床中能夠較好地運(yùn)行。然而重型機(jī)床傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度和直徑一般都比較大，且對(duì)扭矩傳遞能力、抗彎能力、旋轉(zhuǎn)精度以及所能承受的Z高轉(zhuǎn)速均有較高要求。一般情況下，在傳動(dòng)軸長(zhǎng)度超過(guò)1m時(shí)，考慮到傳動(dòng)軸因臨界轉(zhuǎn)速過(guò)低，可能在常用轉(zhuǎn)速區(qū)出現(xiàn)共振，常將其分成兩段，但兩段軸又會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量增加、產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)并使滑枕內(nèi)腔軸承孔增多而使得滑枕加工、裝配工藝性差等問(wèn)題。主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，首當(dāng)其沖的是將制約滑枕結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)更改。

尋找高比強(qiáng)度、高比剛度、密度低、抗疲勞性能和減振性能好的材料來(lái)取代鋼材，一直是傳動(dòng)軸類機(jī)械零件的發(fā)展趨勢(shì)。

目前， 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在傳動(dòng)軸中的使用日益廣泛，它具有的各種優(yōu)異性能也日益凸現(xiàn)。與傳統(tǒng)的金屬傳動(dòng)軸相比，具有輕質(zhì)高效、低振動(dòng)、低噪聲、易維修及節(jié)約能源等特點(diǎn)。這給機(jī)床傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)提供了全新的契機(jī)，從而提出了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料機(jī)床傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)思想。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在傳動(dòng)軸機(jī)械零件中具有廣泛的用途。如圖4所示即為采用碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸、使原來(lái)的傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后的滑枕主傳動(dòng)設(shè)計(jì)。

主軸伺服電動(dòng)機(jī)1與方滑枕鏜銑頭主傳動(dòng)ZF減速箱2組配，通過(guò)聯(lián)接軸3及碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸5及其左、右兩端的聯(lián)軸器將ZF減速箱的動(dòng)力傳遞給立臥鏜銑頭主軸6。

改進(jìn)后的滑枕主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與原傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相比，極大地簡(jiǎn)化了滑枕的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，由于碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸可提高轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)固有頻率以及Z低臨界轉(zhuǎn)速，降低系統(tǒng)能量損失，提高抗振性能，故使用碳纖維軸的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在長(zhǎng)的傳動(dòng)軸系上。換言之，軸承之間的距離可設(shè)計(jì)的比較長(zhǎng)，長(zhǎng)軸系上通常不需要布置軸承，這樣就簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，由原來(lái)滑枕內(nèi)腔的4個(gè)軸承孔簡(jiǎn)化為左端的1個(gè)軸承孔，同時(shí)簡(jiǎn)化了滑枕內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)，并顯著減輕了傳動(dòng)軸的質(zhì)量。和原鋼質(zhì)軸相比較，碳纖維軸的質(zhì)量明顯減輕了約70%（包括復(fù)合管端部必要的金屬部件）。

（2）碳纖維管傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)形式及扭矩校核。圖4中碳纖維管傳動(dòng)軸5可以選用市場(chǎng)上成熟的商品化產(chǎn)品即碳纖維管傳動(dòng)軸，其結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。中間管為碳纖維復(fù)合材料制成，與兩端法蘭軸套件通過(guò)粘結(jié)工藝連接并在徑向用螺絲鎖緊，兩端加裝柔性連接裝置即特殊型鋼片式聯(lián)軸器。選用的碳纖維管傳動(dòng)軸主要參數(shù)如下：額定扭矩2 500N·m，Z高轉(zhuǎn)速4 000r/min。聯(lián)軸器額定扭矩校核TKN≥TN·SB·St·SR其中， T K N為聯(lián)軸器額定扭矩（N·m），已知為2 500N·m；TN為機(jī)床輸出扭矩（Ｎ·m），已知為560N·m；SB為工作系數(shù)，機(jī)床工具機(jī)取2；St為溫度系數(shù)，工作溫度在－30～150℃時(shí)取1，本例取1；SR為旋向系數(shù)，始終一個(gè)旋轉(zhuǎn)向取1，正反轉(zhuǎn)取1.7，本例取1.7。

將上述各參數(shù)帶入額定扭矩校核公式，得TKN≥1 904N·m，且允許Z高轉(zhuǎn)速4 000r／min，大于機(jī)床Z高轉(zhuǎn)速3 500r／min。因此，所選用的碳纖維管傳動(dòng)軸符合機(jī)床傳動(dòng)要求。

（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)滑枕的加工工藝性分析。經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的滑枕如圖6所示，原滑枕內(nèi)腔有4個(gè)軸承孔，加工和安裝時(shí)需同時(shí)考慮四個(gè)孔的同軸度，給加工及裝配帶?極大的困難。特別是滑枕中間位置上的軸承孔加工更是難中之難?，F(xiàn)在只保留滑枕左端內(nèi)腔1個(gè)軸承孔，距左端面孔深只有416mm，這樣就可以采用懸臂鏜削法對(duì)滑枕孔系進(jìn)行加工。首先加工左端孔，然后工作臺(tái)回轉(zhuǎn)180°，找正工件導(dǎo)軌面精度不大于0.01mm/1 500mm，鏜主軸孔。采用懸臂鏜削法，加工過(guò)程輔助時(shí)間少、測(cè)量方便，完全可滿足零件的精度要求。

結(jié)語(yǔ)

滑枕是龍門加工中心的重要結(jié)構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣決定機(jī)床的工作穩(wěn)定性和精度穩(wěn)定性，尤其是其主要孔系的加工，是滑枕的主要加工部位， 加工難度大、加工精度要求較高，通過(guò)對(duì)滑枕主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用新材料碳纖維復(fù)合材料管傳動(dòng)軸，去掉滑枕內(nèi)腔的3個(gè)軸承孔，使原有深孔加工簡(jiǎn)化為一般孔系加工。使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)易于提高加工和安裝精度，大大降低了加工難度和生產(chǎn)成本，提高了工藝性能。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，加工效率與加工精度都完全滿足生產(chǎn)需求，取得了良好的效益。

來(lái)源：《金屬加工（冷加工）》2017年8期