龙门式机床横梁结构改进的研究.doc

龙门式机床横梁结构改进的研究 摘 要：横梁在机床中起到了连接溜板、滑枕等关键零部件的作用，横梁自身的设计尺寸和布局形式决定了其动、静态特性，如动、静刚度的大小和结构的模态振型等特征。横梁结构的动、静态特性与整机的性能有着密切关系，因此如何提高横梁的静、动态特性对于保证整机的加工精度和效率具有重要意义。传统的龙门机床横梁结构设计尚处于经验、类比的设计阶段，难于从结构的静、动态特性方面考虑对于整机性能的影响。 关键词：横梁 结构 改进 1. 龙门式机床横梁结构改进的研究 1.1横梁结构改进的要求 横梁是数控龙门键铣床的重要承载结构部件，在铣削加工过程中，铣刀与工件间相互作用的力沿着溜板传递给横梁并使之变形，横梁的变形将直接影响铣床的加工精度。 横梁导轨面的承载曲线反映了横梁变形对加工精度的影响，为了减少横梁变形对精度的影响，需要对横梁结构进行优化。针对铣床的工作环境等特点，改进的基本原则是使得横梁结构重量保持不变的条件下减小横梁在Z方向上的变形，提高Z方向上的静刚度，并提高横梁结构的固有频率。 横梁改进的基本要求： （1）要保证改进后横梁的刚度有明显提高，以提高抵抗切削力的能力，减小在Z方向上的变形量，提高加工精度； （2）合理选择横梁的截面形式，合理布置横梁内部的筋板和筋条，以提高其刚度和固有频率。 1.2横梁结构改进分析 1）横梁的截面 龙门铣床横梁结构承受了溜板和滑枕的重力以及加工时的铣削力，横梁变形主要受到以弯矩和扭矩为主。改进的原则既要提高横梁的刚度，又要使重量基本保持不变。矩形截面的抗弯刚度较其它截面要好，因此横梁改进时要尽量选择方形或矩形的截面形状。 2）横梁的材料 横梁的材料可以选用铸铁和钢。钢材的强度比铸铁高，弹性模量约为铸铁1.5至2倍，横梁用钢板焊接而成，重量可以减轻20%至50%，且可以提高固有频率；横梁的材料也可以选用铝合金材料，铝合金具有密度小、强度高等特点，可以很好提高横梁的刚度，减轻横梁的重量，但铝合金的价格比钢的价格要高，从经济性方面考虑，还是选用钢材料的横梁为宜。 3）横梁筋板的形式 通过改变横梁内部筋板的形式可以提高横梁的刚度，筋板之所以能够提高结构的刚度，是因为筋板能将横梁的局部载荷传递给其它壁板，使它们均衡地传递载荷，使得横梁的弯曲变形转化为筋板的拉伸和压缩变形，可减少横梁的变形。 4）四种筋板布置的提出 龙门式数控锉铣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。除横梁本身重量大造成的稳定变形外，横梁上的溜板和滑枕及下边的铣头等横梁部件从一端移动到另一端时，会引起横梁不稳定的弯曲变形。由于结构的原因，溜板呈悬臂结构，其重力会引起横梁产生扭转变形。横梁的内部筋板是根据载荷特点，通过合理布置加强筋的形式来提高横梁局部刚度的重要形式。 数控龙门式机床经常采用的筋板布置有O型、W型、拱型、米型、人字型、井字型等。这些筋板各自有各自的特点及应用领域，其中O型、米型、W型多适用于大跨距、大型龙门式机床横梁设计：人字型、井字型多适用于轻载荷、小型龙门式机床横梁设计：拱型筋板布置的横梁设计借鉴了桥梁设计的成功经验，还是一种新型的龙门机床横梁设计，其主要的优点就是质量轻、抗弯曲性能强。图1.1是大型龙门机床横梁常用的四种筋板布置示意图。 本文结合实际大型数控龙门机床大跨度横梁中常用的四种筋板设计，选取O型、W型、拱型和米型四种具有代表性的筋板布置，进行定量分析对比，从中找出一种筋板设计，使其在静、动刚度和质量三者中均达到最佳结合。 2 横梁结构改进方案 2.1横梁筋板的布局方案 文中对四种横梁筋板设计进行静、动态特性分析，为使得到的分析结果具有可比性，采用如下设计：横梁的外观尺寸保持不变，只改变横梁内部筋板布置。横梁材料按照实际生产所用的材料HT300，其弹性模量173.OGPa，泊松比0.3，质量密度7.2g/cm3，这样得到的分析结果更接近于实际生产。 （1）采用0型筋板布局，筋板的厚度设为35mm，宽度为40mm，此时横梁重量为36094.43吨。 （2）采用W型筋板布局，筋板的厚度设为35mm，宽度为40mm，此时横梁重量为35833.10kg。 （3）采用米型筋板布局，筋板的厚度设为35mm，宽度为40mm，此时横梁重量为38137.43kg。 （4）采用拱型筋板布局，筋板的厚度设为35mm，宽度为40mm，此时横梁重量为35769.82kg。 2.2 横梁结构改进前后静动态特性对比 1）四种筋板静态特性对比为能对四种横梁筋板特性有比较全面的对比，采取溜板带动滑枕沿横梁导轨面的一端移动到另一端时其中一种工况进行比较，即溜板位于导轨面中间位置处考察横梁的弯曲变形情况。横梁Z向最大变形云图如图2.1所示，四种筋板布局及原樟型最大位移对比见表2.1 2）四种筋板动态特性对比单从静态特性对四种横梁筋板布置进行分析是不够的，有必要对四种横梁筋板布局进行固有动态特性分析。因为零部件的前几阶固有频率对其性能影响最大，所以这里对这四种筋板设计的前五阶固有振动特性进行研究。为了能对O型、W型、拱型、米型和原模型横梁筋板设计的固有振动特性有较全面的了解，对横梁筋板设计的前五阶固有振动频率进行对比研究，图2.3为得到的对比结果。 通过对四种大型龙门机床经常采用的筋板设计的静、动态性能综合分析对比，可以得到拱型筋板设计的静动态性能较优于其它三种筋板设计。因此对横梁筋板布局的改进，选用拱型筋板来代替原来机床的筋板设计。 结论 本文详细阐述了大型数控龙门机床常用的四种筋板布局，并以减小横梁导轨面变形，提高其刚度为改进目