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 1FT6108-8AF71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；k s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）=2.2×10 4N。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 C 0a =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：

d1

N=λ2× ×107

l2 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；

N=21.9× 55.2 ×107=1011rpm；丝杠最快转速为 34582 24000

n= Vmax =

Ph 25=960< N=1011rpm。因此满足要求。

由此， c·dp ·n值为： dp =63， n=960rpm，

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 ≥3 J负载。根据国内外同类规格机床 ，选用西门子 AC系列 1FT6108-8SF7。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。

mD2 11

J丝杠 = 8 = 8×（ 4 ρπD2l）D2

11 = ×（ ×7.8×103π×0.0632×3.9）×0.0632

84

=0.047kg·m2

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：

J 0.11 J电机轴 = i2 = 32 =0.012kg·m2 J电机轴/3=0.012/3=0.004< J电机 =0.026kg·m2

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 α= n·2π = 960×2π =503rad/s； t 60×0.2

T启动 =iJα=3×0.012×503=18Nm< T电机=37Nm。所以电机满足要求。endprint

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。endprint