精密卧式加工中心结构特性分析及优化设计

王佳鹏

沈阳机床（集团）有限公司设计研究院 辽宁沈阳 110000

我厂新开发的HMC160型卧式加工中心是具有最广泛用途的一种万能型机床,属于量大面广的机床之一。其工作性能以镗、铣削为主，也可进行钻孔、扩孔、锪平面、车端面、车外圆等多种工序的加工，特别适宜加工多孔系、孔距要求较精确的箱形零件。

1 精密型卧式加工中心机床概况

我厂新开发的HMC160型卧式加工中心是具有最广泛用途的一种万能型机床,属于量大面广的机床之一。其工作性能以镗、铣削为主，也可进行钻孔、扩孔、锪平面、车端面、车外圆等多种工序的加工，特别适宜加工多孔系、孔距要求较精确的箱形零件。是性能优良、工艺范围广泛、精度及生产效率高的先进设备。该产品不仅适应于军工、造船、航天、纺织、运输、矿山等多种行业，而且是大型泵阀业及减速箱行业急需的高性能数控机床。HMC160卧式加工中心的设计理念尽可能采用国内外先进的技术和成熟的结构。其结构和性能接近或超过国外同类产品水平，在国内处于领先地位。工作台规范和坐标笔画按模块进行组合，满足用户的不同需求，使其在市场竞争中占有更大的优势[1]。该机床的使用寿命为8～10年。

机床采用带动柱的龙门式闭式前挂箱的结构形式。其主要特点：镗轴功率高，扭矩大，工作台面积2000×2500mm，承载能力可达25吨。增加机床的加工范围。它不仅可以加工钻孔、铰孔、锪平面、车端面、车外圈等，还可以加工孔间距要求更精确的箱形零件。也适用于小而重的箱式零件的加工。

HMC160卧式加工中心总体设计布局为立式床与卧式床呈T型分离结构。立柱沿立式床来回移动，工作台沿卧式床左右移动，床头箱沿立柱上下移动。主轴设有自动装卸刀具装置。工作台可旋转，采用闭环控制，可实现任意角度定位，分度精度高，可保证车削镗孔同轴度。X、Y、Z三轴采用滚动直线导轨，承载能力大，摩擦力小，定位精度高。每次坐标运动和旋转都由交流伺服电机驱动。X、Y、Z坐标通过减速箱连接到滚珠丝杠上，B坐标通过减速箱连接到小齿轮和大齿圈上。采用双齿轮消除传动间隙，确保分度精度。主传动采用三速传动，传动范围大，主轴输出扭矩大。X、Y、Z坐标的导轨均配有不锈钢拉板保护罩，防尘防水，保护导轨，保护丝杠，外观美观。

该机床适用于大型箱式零件的铣、镗、铰等多工序加工。特别适用于加工多孔、孔距精确的箱形零件。该产品不仅适用于军工、造船、航天、纺织、运输、采矿等各种行业，而且是大型泵阀行业和变速箱行业迫切需要的高性能数控机床。

2 精密型卧式加工中心机床总体布局及结构优化

（1）HMC160卧式加工中心总体设计布局为纵、横床身呈T字型结构，正挂箱，立柱纵向移动，工作台横向移动，主轴箱沿立柱上下移动，主轴可伸缩。

（2）主传动采用三档变速，变速范围大，主轴输出扭矩大，刚性好。

（3）工作台的回转导轨副采用闭式静压结构。静压导轨的优点在于：由于导轨面间是纯液体摩擦，所以摩擦系数极小（约为0.0005左右），故驱动功率可大大降低；而同样也因为是纯液体摩擦的缘故，使得导轨不会磨损，故延长了机床寿命，能使机床长期保持制造精度；静压导轨副产生的油膜承载能力大，刚度高，吸振性良好，导轨运动平稳。而闭式静压导轨只有在其回转方向的一个自由度，其余自由度都由导轨结构所约束，因此这就使得其能承受正、反方向的载荷，油膜刚度更高，并且其承受偏载及颠覆力矩的能力大大提高。这些特点都使得该工作台的刚性及承载能力都大大增加，并且其低摩擦的特点给工作台转速的提高留下了充足的空间[2]。

（4）该工作台配备的是自制齿轮减速箱。该减速箱通过调整两对斜齿轮的啮合位置来消除的齿轮背隙，使得齿轮减速箱的反向间隙减小到最低，这样就提高了工作台的回转精度。在提高精度之余，该齿轮箱还增加了整体刚度，在满足机床回转要求的同时，降低了传动比，大大提高了该重型承载转台的回转速度。最终经试验证明，该转台可承载25吨，转速达到3r/min。

（5）X、Y、Z、W坐标移动和B坐标回转均采用交流进给伺服电机拖动，其中X、Y、Z坐标通过减速箱与滚珠丝杠连接，B坐标回转采用双电机经减速箱、小齿轮、大齿圈传递动力使工作台回转，双小齿轮用来消除传动间隙，保证分度精度。

（6）刀库机械手采用的是与主机分离、落地式结构，这种结构型式有利于刀库中刀具数量柔性化，也有利于提高换刀速度。

3 精密型卧式加工中心机床设计计算

3.1 主运动部分计算

3.1.1 主轴转速计算

主轴转速范围：10-3000r/min

主轴级数：无级

主轴电机：1PH7167-2NF03-0CA0

机械档数：高,中,低三档

主电机转速：低档：173-4495r/min

中档：1225-4295r/min

高档：1500-4940r/min

主轴转速：nmin=172.94×Z1/Z2×Z3/Z4×Z5/Z6×Z6/Z7

=172.94×21/63×18/72×34/48×48/49

=10r/min

3.1.2 主电机功率的确定

机床电机功率是机床的主要动态特性参数之一，直接关系到机床的生产率。如果电源参数设置过多，机床会因重量过重而浪费材料和电能；如果太小，会影响机床的性能。的性能。

确定主电机功率的方法是调查、研究和科学实验，辅以计算。随着机械制造技术的发展和高速强力切削的广泛应用，机床的功率也应得到提高。从国外机床行业的发展趋势来看，它们也在朝着提速、增力的方向发展。

根据机器的最大负载的计算工具,所需的权力下的最大允许扭矩（铣）或机床的最大进料阻力（钻探）可以从经验中知道：铣削功率远远超过钻井,所以铣是用来确定主轴电机功率。

3.2 立柱部分计算

3.2.1 参数的设定

切削时最大轴向抗力：F=30000N

最高速度：Vmax=24m/min

加速时间：t=0.2s

驱动电机：德国西门子1FT6108-8SF7型：

额定扭矩：70Nm,

静态扭矩：90Nm

额定转速：3000rpm

额定转动惯量：260×10-4kgm2

3.2.2 丝杠的选择

（1）螺纹直径、导程、螺母的选择：

根据同类机床比较，丝杠轴径d=80mm，导程Ph=25mm

丝杠螺纹长=行程+螺母长+冲程+端边限度

=2500+350+55X2+968=3928mm

丝母选凸缘双螺母外循环TDB-U8025型

（2）精度的选择：

丝杠精度：0.023mm/300,ISO5

（3）热抗位移的计数测量（确定螺纹轴的预压力）：

△l=ρ×△t×L

式中：△l-丝杠轴向伸缩量（mm）

ρ-热膨胀系数12×10-6/℃

△t-丝杠轴温度变化，取3℃

L-螺纹部有效长度3928

△l=12×10-6×3×3928=0.142mm

丝杠预压力F=△l×ks=△l×Eπd32/4L

式中：F-预压力（Kg）

ks-螺纹轴轴向刚性

E=2.1×105N/mm2；d3=71mm；L=3928mm

F=（0.142×2.1×105π×712）/（4×3928）=3.0041×104N

因此预拉伸力：F=3.0041×104N

拉伸量：0.142mm

综上所述：滚珠丝杠副的型号为：TDB-U8025-12-5

动态负载Ca=241kN；静态负载C0a=619.4kN

3.2.3 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轴承其型号为：60TAC120BDBBC10PN7A2组

3.2.4 电机的选择

德国西门子AC系统交流伺服电机是专门为机床进给驱动而开发设计的永久磁型电机。其具有高转速、大扭矩、大容量和极高的耐热性等基本性能，它是先进的驱动系统。

根据国内外同类规格机床,选西门子AC系列1FT6108-8SF7

电机：

额定扭矩：70Nm

额定转速：3000rpm

额定转动惯量：260×10-4kgm2

3.3 纵床身部分计算

3.3.1 参数的设定

切削时最大轴向抗力：F=30000N

最高速度：Vmax=24m/min

加速时间：t=0.2s

驱动电机：德国西门子1FT6108-8SF7型：

额定扭矩：70Nm,

静态扭矩：90Nm

额定转速：3000rpm

额定转动惯量：260×10-4kgm2

3.3.2 丝杠的选择

（1）螺纹直径、导程、螺母的选择：

根据同类机床比较，丝杠轴径d=80mm，导程Ph=25mm

丝杠螺纹长=行程+螺母长+冲程+端边限度

=2000+346+64+62+51+74=2623

丝母选凸缘双螺母外循环TDB-U8025型

（2）精度的选择：

丝杠精度：0.012mm/300，ISO3

（3）热抗位移的计数测量（确定螺纹轴的预压力）：

△l=ρ×△t×L

式中：△l-丝杠轴向伸缩量（mm）

ρ-热膨胀系数12×10-6/℃

△t-丝杠轴温度变化，取5℃

L-螺纹部有效长度2140

△l=12×10-6×5×2140=0.1284mm

丝杠预压力F=△l×ks=△l×Eπd32/4L

式中：F-预压力（Kg）

ks-螺纹轴轴向刚性

E=2.1×105N/mm2；d3=71mm；L=2140mm

F=（0.1284×2.1×105π×712）/（4×2140）=4.986×104N

因此预拉伸力：F=4.986×104N

拉伸量：0.1284mm

综上所述：滚珠丝杠副的型号为：TDB-U8025-12-5

动态负载Ca=241kN；静态负载C0a=619.4kN

3.3.3 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轴承其型号为：60TAC120BDBBC10PN7A2组

3.3.4 电机的选择

德国西门子AC系统交流伺服电机是专门为机床进给驱动而开发设计的永久磁型电机。其具有高转速、大扭矩、大容量和极高的耐热性等基本性能，它是先进的驱动系统。

根据国内外同类规格机床,选西门子AC系列1FT6108-8SF7

电机：

额定扭矩：70Nm

额定转速：3000rpm

额定转动惯量：260×10-4kgm2

3.4 横床身部分选择

3.4.1 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轴承其型号为：60TAC120BDBBC10PN7A2组

3.4.2 电机的选择

德国西门子AC系统交流伺服电机是专门为机床进给驱动而开发设计的永久磁型电机。其具有高转速、大扭矩、大容量和极高的耐热性等基本性能，它是先进的驱动系统。

根据国内外同类规格机床,选西门子AC系列1FT6132-6SF7

电机：

额定扭矩：90Nm

额定转速：3000rpm

额定转动惯量：430×10-4kgm2

4 结语

以上是该机床的部分论述与计算，该机床样机已经试制完成后，经检测各项技术指标和精度符合设计要求，并进行了规格的扩大和系列化。