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精密卧式加工中心设计研究(三)——立柱部分

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  • 更新时间2015-09-17
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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。