1引言

龍門式加工中心是現(xiàn)代航空航天、汽車制造、大型模具加工等制造企業(yè)不可或缺的一種關(guān)鍵設(shè)備。龍門式加工中心主要有橫梁移動(dòng)式、工作臺(tái)移動(dòng)式、動(dòng)龍門式幾種結(jié)構(gòu)形式。其中橫梁移動(dòng)式，也就是通常所說的橋式龍門加工中心，特別是橋式高速龍門五軸加工中心在大型模具加工行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

汽車工業(yè)中的模具制造以及航空航天工業(yè)中的復(fù)雜零件加工，要求高速五軸加工中心來實(shí)現(xiàn)，隨著科技的不斷發(fā)展直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)也就逐漸應(yīng)用于高速龍門五軸加工中心，橫梁是龍門式機(jī)床的主要支撐件，對(duì)整個(gè)機(jī)床的性能影響非常大，因此應(yīng)該根據(jù)載荷情況以及機(jī)床的設(shè)計(jì)參數(shù)要求進(jìn)行橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)的分析研究，本文所研究的機(jī)床橫梁就是主要針對(duì)直驅(qū)式高速龍門五軸加工中心而設(shè)計(jì)的。

2高速龍門五軸加工中心橫梁的載荷特點(diǎn)

由于高速龍門五軸加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，橫梁兩端由橋梁或者立柱支撐，中間懸掛滑板和滑枕、銑削頭等零部件。導(dǎo)致橫梁的導(dǎo)軌面需要承載較大的重力及翻轉(zhuǎn)力矩，容易產(chǎn)生變形。

高速龍門五軸加工中心橫梁的受力結(jié)構(gòu)可以簡化為兩點(diǎn)簡支梁的支撐形式，引起橫梁變形的主要原因是橫梁自身重力以及懸掛在橫梁上的滑板、滑枕、銑削頭的重力和加工過程中的切削力，當(dāng)橫梁上的移動(dòng)部件移動(dòng)到橫梁中部時(shí)，引起橫梁的下垂彎曲變形最大；另外，由于橫梁上的移動(dòng)部件呈懸臂狀態(tài)，移動(dòng)部件的重力還會(huì)引起橫梁的扭轉(zhuǎn)變形；在機(jī)床設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)高速龍門五軸加工中心的受力機(jī)構(gòu)和工作狀態(tài)要求，對(duì)橫梁的載荷特點(diǎn)進(jìn)行分析，以此作為高速龍門五軸加工中心的橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

3焊接橫梁與鑄造橫梁的優(yōu)劣比較

目前，歐美等先進(jìn)工業(yè)國家的機(jī)床基礎(chǔ)大件逐步以焊接件或新材料結(jié)構(gòu)取代了鑄件結(jié)構(gòu)，一是為了達(dá)到綠色環(huán)保要求，二是焊接件在機(jī)床大件應(yīng)用上，尤其是小批量的移動(dòng)部件比鑄造件更具優(yōu)勢(shì)，本文針對(duì)高速龍門五軸加工中心橫梁，分別對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)和焊接件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，比較兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

高速龍門五軸加工中心橫梁同時(shí)承受重力、拉力和彎矩作用。為了減小變形，提高抗振性，橫梁要求有較好的剛度。高速龍門五軸加工中心橫梁焊接件與鑄件對(duì)比有以下特點(diǎn)：

（1）焊接件所用碳鋼材料的彈性模量和力學(xué)性能高于鑄件所采用的鑄鐵材料，根據(jù)彈性模量公式E=σ/ε（E為彈性模量，σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變）可知，在應(yīng)力σ相同時(shí)，E大則產(chǎn)生的應(yīng)變?chǔ)判　?/p>

在結(jié)構(gòu)尺寸相同時(shí)，E值大的材料剛度高。因此，在同樣載荷作用下，鋼結(jié)構(gòu)的靜剛度比較大。在受迫振動(dòng)時(shí)，提高靜剛度可以降低振幅，提高其固有頻率，從而避免發(fā)生共振。而對(duì)自激振動(dòng)，提高靜剛度可以提高自激振動(dòng)穩(wěn)定性的極限。

（2）由于鋼板焊接件重量比鑄件輕，相同剛性的鋼板焊接結(jié)構(gòu)的重量僅為鑄件的60％左右，所以根據(jù)公式ωn=K/m（其中ωn為固有頻率，K為剛度，m為質(zhì)量）可知，減輕重量可以提高固有頻率，有利于避免共振的發(fā)生。合理的焊接結(jié)構(gòu)固有頻率可以比鑄造結(jié)構(gòu)高50％。

而龍門橫梁跨距大，重量減輕也可以減小下垂，提高機(jī)床幾何精度；同時(shí)，對(duì)于直驅(qū)式龍門機(jī)床，減輕重量對(duì)提高快移速度和加速度起決定性作用。

（3）鑄鐵的內(nèi)阻尼比鋼平均高出3.2倍。但焊接件阻尼主要來自于鋼板材料內(nèi)阻尼和構(gòu)件結(jié)合面間的摩擦，而材料內(nèi)阻尼只占很小比例，構(gòu)件結(jié)合面間的摩擦阻尼卻約占全部阻尼的90％左右。

所以，其抗振性并不比鑄件低多少，通過合理的焊接方法和焊接結(jié)構(gòu)，焊接件的阻尼甚至可以高于鑄件。

（4）焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)過程不需要制造木模和澆注，節(jié)省部分制造成本，適合小批量和單件生產(chǎn)。

經(jīng)過以上對(duì)比分析不難看出，首先焊接件剛度優(yōu)于同等外形尺寸的鑄件；其次，同等外形尺寸焊接件結(jié)構(gòu)重量比鑄件小，對(duì)于龍門機(jī)床橫梁這種大跨距的結(jié)構(gòu)，減輕重量便可以減小彎曲變形的程度，減輕橫梁重量也就是減輕了移動(dòng)部件的質(zhì)量；同時(shí)焊接件用材少，也節(jié)省了成本；對(duì)于單件或小批量生產(chǎn)，焊接件生產(chǎn)周期相對(duì)較短。

所以無論是從性能，還是從工藝、成本、周期等諸方面因素來看，焊接件都是更適合于龍門機(jī)床橫梁的制造形式；尤其是對(duì)于直驅(qū)式高速龍門五軸加工中心，要求具有高速度、高加速度，還要求高剛性，焊接橫梁更能體現(xiàn)出其優(yōu)于鑄造件的各項(xiàng)性能。

4直驅(qū)式高速龍門五軸加工中心橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GMC2550u高速龍門五軸加工中心的橫梁外形采用類似梯形結(jié)構(gòu)，在保證剛度的前提下盡可能地減輕橫梁的重量，外形如圖1所示，與通常龍門式加工中心橫梁不同之處在于：

（1）GMC2550u機(jī)床焊接橫梁光柵尺安裝面位于橫梁頂面，而不是與同導(dǎo)軌安裝面同面，避免了直線電機(jī)的強(qiáng)電流帶來的電磁干擾，同時(shí)也便于防塵、防切屑；

（2）采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以焊接橫梁前側(cè)面只有上線導(dǎo)軌安裝面，而沒有絲杠或者齒條安裝面，大大簡化了結(jié)構(gòu)；

（3）直驅(qū)用焊接橫梁與橋梁的接合通過橫梁兩側(cè)底座的底板，去除了普通龍門機(jī)床所用的結(jié)構(gòu)繁瑣復(fù)雜的連接滑座。

經(jīng)過焊接件和鑄造件的對(duì)比分析，GMC2550u高速龍門五軸加工中心的橫梁定為焊接結(jié)構(gòu)，焊接鋼板選用剛性較高的16Mn材料。周邊板材均用25mm厚鋼板，中間筋板采用16mm厚鋼板，導(dǎo)軌安裝面和直線電機(jī)安裝面均采用12mm厚鋼板；橫梁跨距6250mm，寬950mm，高1050mm。

橫梁的剛度不足是影響變形的主要原因。加強(qiáng)筋是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，合理地布置加強(qiáng)筋能收到重量輕、剛度高、成本低的良好效益；經(jīng)過實(shí)踐證明，現(xiàn)代機(jī)床的床身系統(tǒng)，由于加強(qiáng)筋的合理布置，因彈性變形而導(dǎo)致的加工誤差，在總誤差中一般不會(huì)大于10%~15%。

在橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮到機(jī)床的工作環(huán)境等方面因素，對(duì)橫梁內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，為提高橫梁抗扭剛度采用了對(duì)角筋板抗扭理論，將橫梁內(nèi)部的筋板布置為X型；并輔以一道橫筋板，并且X型筋板前后布置，中間加一道豎筋板，增強(qiáng)抗扭系數(shù)，橫筋板和縱筋板將和橫梁四周的側(cè)板一樣發(fā)揮扭轉(zhuǎn)極慣性矩作用，增強(qiáng)橫梁的抗扭剛度。橫梁的剖面及內(nèi)部筋板布置如圖2、圖3所示。

按照上述結(jié)構(gòu)用Pro/E對(duì)橫梁進(jìn)行三維建模，將三維模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行分析，橫梁模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，橫梁重約8959kg，經(jīng)ANSYS分析重力作用下的變形如圖4所示，主軸前端最大變形0.253mm，X方向切削力作用下變形如圖5所示，主軸前端最大變形0.304mm。變形量基本在允許范圍之內(nèi)，產(chǎn)生的變形量可以通過編程進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到機(jī)床的設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)語

通過對(duì)高速龍門五軸加工中心橫梁載荷特點(diǎn)的分析以及焊接結(jié)構(gòu)與鑄造結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，確定了的本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案以及制造方式，最后經(jīng)過ANSYS分析得出該橫梁結(jié)構(gòu)以及制造方式都是適合高速龍門五軸加工中心，尤其是對(duì)直驅(qū)式動(dòng)龍門更有優(yōu)勢(shì)，據(jù)此設(shè)計(jì)出了GMC2550u型機(jī)床的焊接橫梁。要設(shè)計(jì)制造更精密的龍門式加工中心，還需對(duì)橫梁的設(shè)計(jì)進(jìn)一步的深入研究。

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