龙门式机床横梁的结构设计研究

机电工程技术 !""#年第 $%卷第 $期机电工程技术 !""#年第 $%卷第 $期 龙门式机床横梁的结构设计研究 罗传林，李锻能 （广东工业大学机电工程学院， 广东广州 %&""’"） 摘要：横梁是龙门式机床主要支承部件，横梁结构的好坏直接影响到机床的使用性能和制造成本。本文对龙门式机床横梁的板筋 结构形式、截面形状、导轨分布形式作了研究分析；对适用的机床类型、加工工艺性进行了探讨；用有限元分析方法，对不同截 面形状的横梁在特定方向的刚度大小进行了分析对比。 关键词：龙门式机床；横梁；导轨；刚度 中图分类号：()%"!*$& 文献标识码：+ 文章编号：&""’,’-’! .!""#/ "$,""-%,"$ 收稿日期：!""%—"’—!0 &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。 !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。 $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 & 是主要几种 板筋形式示意图 ［!］：其中（1）是最简单、最普通的一种 形式，（2）、（3）、（4）结构相对较复杂，可获得较好 图 & 加强筋的布置示意图 研究与开发 -% 机电工程技术 !""#年第 $%卷第 $期机电工程技术 !""#年第 $%卷第 $期 的刚度，但加工工艺要求高。（&）形式曾在从日本进口 的某些机床中用过。（’）则较少见，其板筋借鉴了拱形 桥梁的结构原理。除此以外还有米字形筋、人字形筋、以 及几种形式筋的组合等形式。如某组合筋横梁，前部靠近 导轨处采用交叉肋条，为提高导轨处的局部刚度而设置， 后部采用纵横肋条，以提高整体刚度。 (龙门式机床横梁截面形状及导轨的分布形 式 图 ! 所示是各种机床中常用的几种固定横梁截面形状 及导轨分布情况，其中结构（)）是传统龙门式机床中应 用最广泛的种类之一，其特点是截面形状简单，导轨在同 一个平面内加工，加工工艺难度相对较低。由于丝杠传动 系统在二条导轨之间，使得主轴的悬臂尺寸较大，因而横 梁承受的扭矩较大，容易产生扭转变形。这种横梁结构在 小型雕刻机、龙门式车床、铣床、镗床、钻床等轻小机床 中应用广泛。 结构（!）与（)）相似，但它比（)）导轨的加工工 艺要求高，主要是要保证两个导轨面的平行度。因为在同 样截面面积的情况下，这种结构底边尺寸增加，提高了抗 扭截面矩。二条导轨布置在斜面上，可明显减小主轴箱的 悬臂尺寸，因而整体刚性有所提高。这种横梁结构在铣 床、镗床、加工中心较为常用。 结构（$）的横截面为矩形，与（)）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（)）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（)）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（(）在大型机床方面应用较多，和（)）、（$） 相比，其加工工艺难度更高。二条导轨分别承担主轴箱的 垂直方向和水平方向载荷，很好地改善了导轨的受力结 构，因而在高档机床应用较多。 结构（%）是在（(）的基础上，使二条导轨在斜面内 布置，在同样横截面尺寸情况下，加大了导轨之间的距 离，提高了截面抗扭截面矩。同时可以根据主轴箱的载荷 情况设计各种不同的倾斜度，可较好的改善承载刚度性 能。但其加工工艺难度非常大，因而应用于高档机床。 结构（#）是最近几年才出现的，应用于高速机床上， 例如台湾某高速小龙门式机床采用了这种结构。这种结构 的加工工艺要求非常高，首先要保证两个导轨面的平行 度，其次保证滑鞍与两个导轨接触面的平行度，而且要求 两个导轨面之间的高度一致。横梁的结构特点是静态刚度 性能高、节省材料、结构紧凑、美观等。 %一种特殊的龙门式机床横梁结构 在某些特大型横梁场合，采用铸造结构时，虽然横梁 的抗弯曲性和抗扭转刚性能够满足要求，但是其重量超过 企业的铸造能力范围。而采用焊接结构，虽然其重量在企 业的制造范围内，但是横梁的抗弯曲性和抗扭转刚性又不 能满足要求。因此有厂家就采用复合型横梁 ［$］，如德国济 根公司采用的复合型横梁应用于大型立车中。横梁由主 梁、抗弯梁、上下两块扭转板复合而成。各零件分别制 造，这样横梁（主梁）的铸造重量大大的减少，而且刚度 得到提高，达到设计要求。基本结构 如图 $ 所示。 #横梁的有限元分析 在传统机床的结构设计时，人们 以往多采用常规的力学设计方法，对 应力集中、结构变形等问题难以考虑 周全。而对结构变化复杂的部位往往 凭经验设计，或依经验公式，通过加 大结构尺寸来保证设计的安全性。采 用有限元方法就能很好地解决这些问 题，发现结构不合理之处，找出薄弱 环节，通过修改，直到其满足条件为 止。同时也可以通过分析，去除不必 要的结构，节省材料，降低成本。 由于龙门式机床横梁主要承受外 部设备的重力、加工时的切削力和自 重，两端由立柱支撑。外载荷变化缓 慢，横梁处于静态，因此这里选用有 限元计算方法进行静态分析 ［(］。用三 维设计软件对横梁进行物理建模，在图 ! 横梁的截面结构示意图 （)） （!） （$） （(） （%） （#） 研究与开发 (# 机电工程技术 !""#年第 $%卷第 $期机电工程技术 !""#年第 $%卷第 $期 保证计算精度并进行必要的修改后，导入 &’()’( *’+,( 有限元分析模型，建立有限元计算模型。对于横 梁 - 形式，采用实体单元划分网格，单元数目为 $$"#，节 点数目为 $"#.，网格划分结果如图 / 所示。约束条件为， 主梁两端固定约束，在极限状态下，横梁受自重和主轴箱 体重力作用 ［%］。 0计算结果 在横梁自重、悬挂滑鞍以及外挂 !"""123 主轴箱重力 的作用力下，对上述六种横截面形式的横梁及其最大变形 的情况进行了计算。为了具备可比性，首先假定所有横梁 的横截面面积相等，其次假定制造横梁的材料和工艺方法 一致。 横梁综合变形的计算结果如图 % 所示，相同长度、不 同截面形式横梁质量比较如图 # 所示。 由这两个示意图可以看出，从结构形式 - 至 # 最大变 形位移和横梁整体质量都有下降的趋势，说明 - 至 # 的静 态刚度在提高，而所需材料质量却越来越少，也就是材料 成本费用逐渐减少。但从加工工艺性方面来说，加工难度 在提高，加工成本增加。 .结论 对于龙门式机床，本文分析了不同横梁的板筋布置和 针对不同横梁截面的各种导轨分布形式，分析了其质量、 静态刚度值和加工的工艺难度都不一样，各有优劣。在生 产实际中，我们就应该根据各种不同要求来选用横梁的内 部板金形式和横梁截面结构及导轨的分布形式，结合制造 成本，综合考虑。在满足刚度要求时，应尽量选择结构简 单、易加工的横梁形式，节省材料以降低成本。 参考文献： ［-］徐大伟4 大型数控龙门镗铣床横梁最大工作载荷的确定［5］4 现代机械，!""!，（!）4 ［!］杜君文，谷祖强等4 机械制造技术装备及设计［)］4 天津大 学出版社，-66.4 ［$］季伟东4 大型立车复合型横梁的研制［5］4 制造技术与机床， !""%，（-）4 ［/］张宪栋，徐燕申4 基于 78) 的数控机床结构部件静动态设计 ［5］4 机械设计，!""%，!!（%）4 ［%］黄秋波，孙艳平等 4 立车横梁与工作台的有限元分析计算 ［5］4 工艺与装备，!""%，（.）4 第一作者简介：罗传林，男，-606 年生，江西于都人，硕士研究 生。研究领域：数控技术及自动化装备。 9编辑：梁 玉: 图 $ 复合型铸造横梁示意图 - 主梁 ! 抗弯梁 $ 上扭转梁 / 下扭转梁 % 卸荷梁 图 / 分析的网格划分示意图 图 # 各种横梁质量比较示意图 图 % 横梁最大变形位移比较示意图 研究与开发 /0 !"#$%!&$#!"# $%&’(%&’ )’*+&,-*./0 $%&’(%&’1!2"3"0 4%*’56 !"#$%&’$( 7’ 5889*&: ;&.%<: =<, :&-*>’*’> .%& *;8&99&, <= 5 ;*?&: =9<@ 8A;8 *- 8,<8<-&:B C%*- ;&.%<: *- D5-&: <’ .%& .,5E :*.*<’59 :&-*>’*’> 8,59 8A;8-0 @%*F% *- >&’E &,599/ A-&: *’ .%*- =*&9:B $&+&,59 G&/ 85,5;&.&,- -AF% 5- &?*. @*:.% 5’: ,5:*A- <= .%& *;8&99&,0 5’: &?*. 5’>9& <= D95:&- 5,& ,&+*-&: D5-&: <’ .%& 5’59/-*- <= -<;& &?F&99&’. %/:,5A9*F ;<:E &9- <= ;*?&: =9<@ 8A;8-B )*+ ,-%.#( ;*?&: =9<@ 8A;8H *;8&99&,H :&-*>’ !!"#!$#%! &’( )(*(+,- ./012,+’3 14 56+’ 5/6**,*0 7(+’18 412 719,/( :191+ /0!1 23456 78 93* I$F%<<9 <= J&F%5’*F59 K L9&F.,*F59 L’>*E ’&&,*’>0 4$)0 4%5’>-%5 #!""2M0 4%*’56 !"#$%&’$( 7 G*’: <= 85.% 895’’*’> ;&.%<: D5-&: <’ >&’&.*F 59E ><,*.%; =<, ;&’&B N’ .%& ;&.%<:0 .%& =*.’&-- =A’F.*<’ F<’.5*’- &?89*F*. 8%/-*F ;&5’- 5’: F<,,&-8<’:*’> ;A.5.*<’ <8&,5.<, *- 8,<+*:&:0 -< .%5. 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