撰文/ 沈阳机床股份有限公司 李云革
一、引言
在保证大功率、高扭矩的前提下提高主轴转速、切削速度和机床快移速度，缩短机床加工和辅助时间，是提高卧式加工中心加工效率的关键。因此，作为移动部件的机床立柱设计非常重要。本文以HMS125b 型卧式加工中心的立柱设计为例，详细阐述了立柱设计中相应的理论计算和实际经验。
HMC125b 型加工中心机床总体设计布局为横、纵分体铸造床身结构。立柱为铸铁龙门框形结构，受力均匀；滚珠丝杠带动主轴箱沿立柱导轨上下移动，主轴位于立柱两导轨中间。主轴箱的平衡通过安装在立柱上的油缸和钢丝绳共同完成。
二、立柱参数的设定
HMC125b 卧式加工中心工作台为1250×1250mm，主轴最大抗力10000N，快移24m/min，X 轴即立柱加速时间0.2s。驱动电机：德国西门子1FT6 108-8AF71 型。额定扭矩：37Nm。静态扭矩：70Nm。最大扭矩：220Nm。额定转速：3000rpm。额定转动惯量：260×10-4kg·m2。
三、丝杠的选择
1. 螺纹直径、导程、螺母的选择
本机床设计最大移动速度24m/min， 经过减速箱（降速比i=3）的减速后，与滚珠丝杠连接。根据同类机床比较，丝杠轴径为d=63mm，导程为Ph=25mm。由此推导， 丝杠螺纹长= 行程+ 螺母长+ 冲程+ 端边限度=1600+272+80X2+1209=3900mm。丝母选择凸缘双螺母外循环 TDB-U 6325 型。
2. 精度的选择
丝杠精度：0.023mm/300，ISO5。
3. 确定螺纹轴的预压力
丝杠预压力：F= △ l×ks= △ l×Eπd32/4L。式中，F 为预压力， 单位为Kg；ks 为螺纹轴轴向刚性；E=2.1×105N/mm2；d3=55.2mm；L=2271mm；F=（0.142×2.1×105π×55.22）/（4×2271）=2.2×104N。因此，预拉伸力：F=3.1×104N。
由此可以选出滚珠丝杠副的型号，这里选用：TDB-U6325-9-4。动态负载Ca=138.4kN； 静态负载C0a=321.5kN。
4. 对已选择的滚珠丝杠的校核
（1）寿命的校核。
快速进给时最大轴向负荷为：
Fa=m1×a+f+20%m1×g
=m1×a+μ×m1×g+20%m1×g
=4000×2+0.005×4000×9.8+0.02×4000×9.8
=16036N
L=（Ca/fwFa）3×106
式中，L 为总转数；Ca 为基本额定动态负载138.4kN；fw 为负载因数， 取1.5；Fa 为轴向负荷16036N；L=（138400/1.5×16036）3×106=190.5×106>106，满足要求。
（2）临界转速的校核。
丝杠转速提高之后，可能发生共振而不能继续转动，临界转速为：
N=λ2×d1l/2 ×107
式中，N 为危险速度下的容许转速；λ2 为与安装相关的系数， 为固定值，λ2=21.9；d1 为丝杠轴螺纹小径，d1=55.2mm；l 为丝杠轴的安装间距，l=3458mm；
由此，c·dp·n 值为：dp= 6 3，n= 9 6 0 r pm，dp·n=63×960=60480 ＜ [dp·n]=100000rpm。满足要求。
四、轴承的选择
NSK 滚珠丝杠支承轴承为高精度向心推力滚珠轴承， 其特点是： 高轴向刚性， 低的启动扭矩， 容易安装， 结构简单， 因此选用NSK 轴承， 型号为：60TAC120BDBBC10PN7A，设置2 组。
五、驱动电机的选择
选择电机的条件是N 电机＞ n 负载；T 电机≥ T 负载；J 电机≥1/3J 负载。根据国内外同类规格机床, 选用西门子AC 系列1FT6 108-8SF7。其电机额定扭矩为37Nm；额定转速为3000rpm 额定转动惯量为260×10-4kg·m2。通过计算校核所选电机。
(1) 负载惯量的校核。
主轴箱等件折算到丝杠上的转动惯量：J 主轴箱=M1×L×L/ [(2×3.14)×(2×3.14)]=4000×0.025×0.025/ [(2×3.14)×(2×3.14)]=0.063kg·m2
J=J 丝杠+J 主轴箱=0.047+0.063=0.11kg·m2
折算到电机轴上的转动惯量：
所以电机的转动惯量满足要求。
(2) 启动力矩的校核。
减速箱传动比为i=3；T 启动=iJα，T 启动为启动力矩；α 为角加速度
T 启动=iJα=3×0.012×503=18Nm ＜ T 电机=37Nm。所以电机满足要求。
六、导轨的选择
本机床选用的导轨是THK 直线导轨。直线导轨具有导轨表面磨损少、不产生爬行、油膜厚度变化少、价格便宜、高精度、高刚性、安装、噪音低、具有很好的互换性和交货期短等优点。
（1）系列的选择。选择SRG 系列，因为此系列采用滚柱保持器，具有超高刚性、四方向等负荷，通过防止偏移来实现平滑运动、长期运行且免维护等优点。
（2）精度等级的选择。本机床属于精密级，选择为P精密级，预压的种类为中预压，C0 级。
（3）线性导轨尺寸的确定。对于线性导轨，公称型号与滚珠丝杠轴直径几乎相等，由于滚珠丝杠的直径为63mm，查样本可知，线性导轨型号为SRG65LV（没有63规格）。
（4） 导轨长度L 的确定。L= 行程+ 冲程+ 主轴箱的高度+ 两端防护罩最小压缩尺寸=1400+160+1150+138=2848mm。所以线性导轨型号选为SRG65LV3SSC0E+2848LP- Ⅱ。
（5）线性导轨的润滑方式。为了使用方便，采用集中润滑方式。
（6）安装方式的选择。线性导轨侧压方法选用锥形块（图1），左侧为调整侧，右侧为基准侧。安装台阶的高度根据样本可知为8mm。
七、滚珠丝杠的安装方式
滚珠丝杠结构如图2 所示， 主轴箱的丝母座孔为φ106mm，丝母直径为φ105mm，有1mm 的间隙，是为了调整方便，件11 为调整垫，调整该垫的厚度，可以对丝杠进行预拉伸，预拉伸 △ l 计算如下：
△ L =ρ× △ t×L
式中， △ L 为丝杠轴向伸缩量， 单位为mm；Ρ 为热膨胀系数12×10-6， 单位为℃； △ t 为丝杠轴温度变化， 取3 ℃；L 为螺纹部有效长度2271， 单位为mm；△ L=12×10-6×3×2271= 0.0817mm。最后，确定△ L 为0.08mm。
滚珠丝杠的预拉伸具有以下作用。
（1）补偿丝杠变形。
（2）提高丝杠抗压刚度。
（3）提高推力轴承的轴向刚度。
（4）提高轴承座的轴向刚度。
八、平衡油缸的设计
平衡油缸的设计（图3），本机床采用液压油缸的平衡方式，由于主轴箱上下行程为1400mm，行程较大，考虑液压油缸行程不能太大，所以采用动滑轮加上钢丝绳的形式，来减少油缸的行程，但油缸所承受的力要相应增加一倍。
选择美国Parker 公司MMA 系统冶金缸，主轴箱部总体重量为3000kg，液压油缸应平衡掉6000kg 的重量，选择型号为100CMP3MMARL14M860M1144 油缸。计算得出平衡载荷为F=58800N，活塞杆直径为φ 杆=63mm，缸孔面积为S 孔=7854mm2，活塞杆面积为S 杆=3117mm2，压力为P=F·106/（S 孔- S 杆）/1000000=12.4MPa， 系统泵站压力为14MPa。故满足使用要求。
所选油缸及油压符合设计要求，为进一步确保稳定性，在其管路上安装一个减压阀，通过改变管路压力大小来调节平衡稳定性。
九、结语
HMC125b 样机组装完成后，对机床立柱左右运动的X 轴和主轴箱上下运动的Y 轴，进行几何精度和加工精度切削检验，经检测与实践调整，所测精度完全符合设计要求，且立柱在工作过程中运转平稳、动态特性好，超越预期设计效果，保证了机床的精度要求。HMC125b 样机现在已经售出，该机床适用于军工、航天、船舶和纺织等多种行业，更适合大型泵业和减速箱行业的高性能机床。