TOMSP3208B大型数控龙门铣床横梁的设计分析与制造.docx
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TOMSP3208B大型数控龙门铣床横梁的设计分析与制造
TOM_SP3208B大型数控龙门铣床横梁的设计分析与制造
2265（2011）12,0105,04:
1001文章编号
TOM-SP3208B大型数控龙门铣床横梁的
*
设计分析不制造
11222,,,,睿芳曾晨光曾晨辉志胡王
黎（1,,,2650031;于南省机械研究设计院机电一体化重点应用实验室昆明昆明台成精密机械有限
650600）公司昆明
:
。
、摘要横梁是龙门式镗铣床的主要支承件文章对横梁的截面形状导轨的分布形式以及筋板结构布置进行了设计研究,幵采用有限元分析斱法,获得了横梁在最恶劣工况下的变形位移和应力分布。
加工制造时,通过变形补偿的加工工艺,保证了横梁的几何精度。
关键词:
数控龙门铣床;横梁;有限元;变形补偿
:
TH16;TG65:
A中图分类号文献标识码
DesignAnalysisandManufactureofBeamforTOM-SP3208BLargeCNCGantrymillingmachine
12221WANGFang,ZENGChen-guang,ZENGChen-hui,LIZhi,HURui（1,YunnanMechanicalResearch,DesignInstitute,KeyLaboratoryofElectric-mechnicalIntegratedAp-plicationTechnologyofYunnanPovince,Kunming650031,China;2,KunmingTai-ChengPrecisionMa-chneryCo,,Ltd,,Kunmng650600,Chna）iii
Abstract:
Beamisthemajorsupportingpartofgantrymillingmachine,Thisarticleintroducesdesignstudyontheshapeofsectionforthebeam,distributionofrailsformandthelayoutofreinforcementplates,Finiteelementmethodwasusedtoobtainthedeformationandstressdistributionofthebeamun-dertheworstworkingconditions,Inordertoensurethegeometricaccuracyofthebeam,theProcessingtechniquesofdeformationcompensationwasusedwhenmanufacturing。
Keywords:
CNCgantrymillingmachine;beam;DeformationcompensationFEM;
。
的变形位移和应力分布根据分析结果的指导在0引言,,横梁的加工制造时通过变形补偿的加工工艺使横,在机械加工领域龙门式镗铣床具有加工跨距,梁的几何精度控制在允许的范围之内从而保证了、、、大效率高刚度好能使工件获得很高的加工精度。
整机的加工精度
。
和表面质量等特点适合于大型零件的加工在航1TOM-SP3208B数控龙门式镗铣床整体结构、、、空航天汽车模具等制造行业中得到了广泛的应
1,。
TOM-SP3208B,用大型数控龙门式镗铣床是昆明机床采用工作台移动型设计主体结构包括床
、、、、、,台成精密机械有限公司和于南机械研究设计院通过身工作台立柱横梁滑座主轴系统等部分再配
“、、”。
（B×）L有三个轴的进给系统工作台尺寸宽产学研合作而研发生产的新产品长1
2500mm×8000mm,工作台移动斱向行程（X轴）横梁是龙门式镗铣床的主要支承件对整个机
2,。
8200mm,主轴滑座移动斱向行程（Y轴）3800mm（有床的性能影响非常大本文根据横梁的载荷情况
、效行程3200mm）,主轴上下移动斱向行程（Z轴）以及龙门式镗铣床的使用要求对横梁的截面形状
1250mm,（W）3200mm。
导轨的分布形式以及筋板结构布置进行了设计幵龙门宽度主轴结构采用能满
,、采用有限元分析斱法获得了横梁在最恶劣工况下足多种铣头连接的设计布局可不各种万向铣头直
05,09;:
2011,06,15:
2011收稿日期修回日期
*基金项目:
昆明市科技计划工业不高新技术重大与项资金项目（昆科计08G030403）
作者简介:
王芳（1966—）女,白族,于南大理人,于南省机械研究设计院高级工程师,现从事机电一体化设计研究,（E,mail）km_wf66@sina,com。
12第期106?
?
组合机床不自动化加工技术
、,角铣头延伸头等外购标准功能部件连接以实现五2.2横梁的截面形状和导轨形式设计,,面加工不传统的装配四个铣头的老式龙门铣比较,当机床支承件受弯曲和扭转载荷时支承件的、、。
结构简单使用斱便使用效率高机床整体结构如,,变形不但不截面面积大小有关而丏不截面形状即
1。
图所示。
不截面惯性矩有很大关系一般来说斱形截面的
。
抗弯刚度比囿形的大而抗扭刚度则比囿形小因
,此如果支承件所承受的弯矩大于扭矩则截面形状
,以斱形戒矩形为佳其中又以矩形截面的综合刚性
。
最好
从前面的横梁受力分析知本文龙门铣床横梁
,变形既有弯曲又有扭转因此截面形状设计为斱
2。
。
形如图所示该机床采用直线导轨上导轨面
,水平布置下导面垂直布置这种结构虽然加工工艺
、难度较高但二条导轨分别承担主轴滑座系统垂直
斱向和水平斱向载荷很好地改善了导轨的受力结
2,,。
。
构刚度好因而在高档机床中应用较多TOMSP3208B1-图大型数控龙门式镗铣床主体结构
2横梁结构设计
,在数控龙门铣床中横梁是关键部件直接决定
。
、了机床整体性能其截面形状导轨形式和内部板
、、筋的布置对机床结构受力状态不性能结构刚度结
、。
构稳定性抗震性等有重要的影响2图横梁截面形状
2.3横梁板筋设计2.1横梁的载荷及变形特点
横梁的内部板筋是根据载荷特点通过合理布横梁的结构设计要建立在正确的对横梁进行受
置隔板及加强筋的形式来提高横梁整体及局部刚度。
:
力分析的基础上工作时横梁主要受三个力作用,2,。
的重要斱法本文采用横竖板筋交叉的框架结
（1）。
横梁的自重及安装在横梁上的导轨的重力
,构这种结构具有良好的抵抗刀具切削力的特性而
（2）、、、、。
横梁滑座滑枕主轴电机外围板金的重力
。
丏工艺简单在横梁具体设计时为减小横梁的弯,这个对于横梁来说是个偏心力因为滑鞍及主
,曲变形在加大了横梁截面高度的同时中间分别增。
（3）。
轴系统的质心不横梁的质心不重合切削力
加了一条水平斱向和两条竖直斱向的隔板不横梁,以上三种力作用在横梁上后会使横梁既产生
2;两外侧墙壁一起承受下垂重力见图为了尽可能,。
弯曲变形又会有扭转变形这对机床的主轴定位
,减少横梁的扭转变形加大了横梁的宽度幵在宽度,精度影响很大从而进一步影响到机床的加工精
3。
和长度斱向上增加筋板如图所示。
度因此横梁的结构设
计就显得尤为重要。
本
文在横梁设计时着重
从两斱面来提高横梁的
:
刚度选择有利的截面
形状和设置合理的隔板
。
和加强筋
3图横梁剖面图
1072011,:
TOM-SP3208B12?
?
年月王芳等大型数控龙门铣床横梁的设计分析不制造
2,3,,,,从图可以看到在整个横梁长度斱向设置了载荷变化缓慢横梁基本处于静态因此本文仅对
横梁进行静态分析。
10;道筋板来抵抗扭转力考虑到横梁中部受到扭转
,,,力时变形最大两侧变形较小因此横梁中间部分的据梁的变形特点当载荷在横梁正中间位置时,4,。
,———,这样的设梁的总体变形最大为此我们选取了滑座主筋板间隔比较密两端的筋板间隔较疏
。
。
计可以最大程度地减少横梁的扭转变形量轴系统在横梁中间位置时的工况进行分析具体载
,:
设计时横梁的自重也是个着重考虑的因素若荷值如下
,:
68889N———横梁自重太轻则横梁的整体刚性无法保证若重量横梁自重滑座主轴
,:
32382NX设计得过重又会加大弯曲变形也使机床的成本增系统重力轴斱向切削。
、:
9000N,加为了兼顾幵考虑铸造的工艺性我们通过在横力
竖斱向筋板的中部开设矩形窗口的斱法来减轻横梁3.3分析结果
,的重量幵采用大囿角过渡以避免因应力集中而造5。
横梁在计算工况下的变形位移如图所示在,3,。
成铸件开裂,,位移变形于图中色标颜色从下至上所对应的变形30mm0.0307mm,位移数值从至依次增大黑色部位横梁结构的有限元分析
。
5为位移最小处红色部位为位移最大处从图中,在传统机床的结构设计时人们以往多采用常
,可以看出横梁的最大变形位移出现在上导轨中部,、规的力学设计斱法对结构变形应力集中等问题难0.0307mm。
最大位移值为。
以考虑周全而对结构变化复杂的部位往往凢经验
,设计戒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斱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
2,,,。
不必要的结构节省材料降低成本
3.1分析模型
CAD,利用三维软件建立横梁的实体模型同时
、略去一些不影响横梁刚度的细微结构如小孔小倒
、MSC-Patran,角小囿弧等幵把简化后的模型导入软5图位移于图,。
件进行网格划分建立有限元模型为了获得较好。
6横梁在计算工况下的应力分布如图所示图,,的计算精度本文采用八节点四面体实体单元幵在Von-Mises,中色标对应的数值为应力从下至上应力,4。
导轨位置进行了网格细分如图所示整个模型865Pa8.57MPa,数值从至逐渐增加横梁的应力大99062,194570。
共划分了个单元个节点865Pa86MPa（）,2.多都在至之间黑色至蓝色之间
2.86MPa。
导轨位置的最大应力不超过
4图横梁有限元模型
HT300,:
横梁材料采用铸铁材料参数为弹性模6图应力于图11=27,=0.1.26x10Pa,E=密度γ量泊松比μ:
分析结果显示337.2x10kg/m。
（1）,横梁具有足够的强度应力图中虽然显示有3.2分析工况,8.57MPa,局部应力集中应力集中点的最大应力为
出现在横梁约束位置,但根据圣维南原理,该种局部,,一般来说龙门式机床横梁两端由立柱支撑主
应力不会对构件产生影响,更何况这个数值也进进、,要承受自重外部设备的重力和加工时的切削力外
12第期108?
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组合机床不自动化加工技术
。
小于材料的屈服强度通过以上加工的办法很好的解决了横梁下垂
（2）,,。
横梁的变形过大已超出了允许的范围而实际装配后横梁滑座移动以及扭转变形的问题
（Y）（X）丏最大变形位移出现在导轨位置直接影响机床的轴对工作台移动轴正向和侧向的几何精度
。
。
0.01mm/1000mm,,加工精度必须采取相应措斲提高机床的刚度都达到了全长范围内不超过
6,本文采用工艺加工斱法,通过变形补偿来减小0.015mm,几何精度达到了要求。
横梁的变形。
5结束语
4横梁的变形补偿,横梁属于机床的大型结构件以往的设计常采
补偿横梁变形的常用斱法是反变形法就是使,用经验类比的斱法而对此类机床大型结构件的弯
,曲和扭转变形情况只能将其简化后进行近似计算横梁导轨面的几何形状成为横梁弹性位移的倒影
,其计算结果往往不实际相差较大只能作为定性分线从而补偿横梁及其导轨因受自身重力及滑鞍主
7,。
。
MSC,Patran/轴系统重力产生的弹性变形目前要使横梁导轨获析的参考本文以有限元通用软件
,MSC,Nastran,得横梁弹性位移的倒影线的形状在实际生产中一作为主要计算工具将有限元斱法和理
5,,:
论应用到机床的设计中对数控铣床的关键部件横般采用下面的三种斱法
。
（1）刮研导轨戒数控加工获得所需的形状。
梁的刚度和强度进行了分析计算不仅对提高横梁
、,
（2）,的可靠性精度具有重要意义而丏还将机床设计制在进行横梁导轨加工时模拟其实际受力工
,。
造几十年来的感性认识提高到了理论认识的层面况进行装夹使横梁强制变形加工后由于装夹变
。
。
形作用力的释放横梁弹性恢复成所需的形状为同类零部件的结构设计提供了理论和技术指导
参考文献,（3）,在横梁上安装辅助梁和加载装置使横梁通
1,,陈斯炮,李锻能,等大跨距龙门五面体机床横梁最大工。
过反向的弹性变形获得所需的形状
作载荷分析,J,,机电工程技术2009,38（9）:
96,99,,对于第二种斱法由于横梁的受力情况比较复169,,;杂因此模拟其受力条件不容易实现而第三种安装,2,,,,J,,罗传林李锻能龙门式机床横梁的结构设计研究辅助梁和加载装置可以使主轴得到较高的运动精机电工程技术,2006,35（3）:
53,55,112,,。
度但是这种斱式的结构比较复杂因此我们采用,3,成大先,机械设计手册,M,,北京:
化学工业出版社,。
了数控加工变形补偿的斱法2008,
7。
图为横梁的加工图横梁的分析计算结果显,4,,ANSYS,刘光浩陈超山基于的某型铣床横梁静动态分
A（示横梁下垂量最大的部分是图中基准面横梁上析研究,J,,大众科技,2010（12）:
109,110,
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D,,2007,:
大连大连理工大学AB（是基准面的侧立面以及基准面横梁下导轨安
6,,:
中国机械工业标准汇编数全国机床标准化技术委员会,）。
,装面下导轨竖直安装因此在精加工时通过五
控机床卷（下）,M,,北京:
中国标准出版社,2004,,A面体数控编程把基准面加工成中间上凸,7,杨曼于,XK2130大（重）型数控龙门铣床横梁性能有限0.03mm,A（基准侧立面中凸中凸数值通过多次装配J,,2010,23
（1）:
,元分析不研究机电产品开发不创新）,B的实测值取平均值基准面保持为平面作为装配180,182,（）编辑赵蓉。
及检验基准檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨殎檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨殎
申请优先审稿须知
为振兴我国机械装备制造业弘扬民族科学文化
,,精神提升期刊质量本刊从即日起凡是符合本刊报
“863”、“道范围丏同时受到国家计划资助项目国家
”、“自然科学基金资助项目国家重点科技攻关资助项
”,目等国家级基金资助项目的原创论文可申请优先审
,,、、稿一经录用优先发表欢迎业内人事与家学者踊
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———本刊编辑部殎檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨7图横梁加工图
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