立式车铣复合数控机床关键部件的结构设计

摘 要：复合加工机床突出优点是工件在一次装卡中完成大部分或全部加工工序，从而达到减少机床和夹具、免去工序间的搬运和储存，减少工序安装误差，缩短加工周期和节约作业面积的目的。目前越来越多的复杂零件采用复合机床进行综合加工。复合加工机床已成为机床发展的一个重要方向。

关键词：方案设计立式车铣数控机床

一、立式车铣复合数控机床

车铣复合加工技术可以将几种不同的加工工艺，在一台机床上实现。车铣复合机床相当于一台数控车床和一台加工中心的复合，可以使工件在一次装夹中完成车、铣、钻、镗等不同方法加工。

二、车铣复合数控机床方案设计

车铣复合数控机床应能够兼顾车、铣加工的特点，并以车为主，具有加工内外圆柱面、圆锥面、圆弧、螺纹等的加工能力，兼顾同时各类较复杂的平面、曲面，钻削轴向或径向孔等的能力。

图2.1 车铣复合数控机床典型结构

2.1高精度工作台主轴结构设计

立式车铣复合加工中心工作台主轴（C轴）用于承载和带动工件做回转运动并进行精确分度定位。轴承是工作台主轴系统最核心的部分，所采用轴承的形式决定着性能的优劣，目前在机床上主要采用的轴承形式如下：

（1）双列圆柱滚子轴承和高精度推力滚柱轴承组合结构：其优点是径向和轴向刚度很高，可承受较大载荷，缺点是限制了主轴最高转速和精度。

（2）单列圆锥交叉滚子轴承结构：主要应用于立车转盘主轴。不仅具有较强的抗翻倾扭矩的性能，还具有低震动、低噪音、低发热以及润滑、冷却油用量少的优点，但其安装难度大，加工和装配工艺要求高，因此应用成本较高。

（3）静压轴承结构

工作台承重采用静压轴承支撑技术，具有极好的运转能力和极高的表面加工性能。工作台轴承不易磨损，从而保证工作台的精度和机床的长寿命。静压轴承的优点是 ：启动和运转期间摩擦副均被压力油膜隔开且受压力均匀，可靠性高、摩擦因数小、工作寿命长；具有“均化”误差的功能，能减小制造中不精确性产生的影响。轴承的温度分布较均匀，热膨胀问题低于动压轴承。考虑到静压轴承的上述优点，本结构采用静压轴承。

2.2 高精度镗铣滑枕结构设计

滑枕作为立式车铣复合加工中心中关键的部件，其性能的优劣直接影响机床性能。结构上将动力电机和减速机安装在滑枕的顶端，通过传动轴传至滑枕的下部直至附件头。结构的优点为滑枕内部空间大，可以为附件头提供更多的动力和润滑通道；电机外置便于大功率和大扭矩的实现。因此本文设计滑枕采用此结构。

2.3 工作台恒流静压结构设计

采用恒流静压导轨技术。选用12头等量齿轮分流器，单泵单腔均匀的向工作台导轨腔进行恒流量供油，其特点时压力及溢流损失小，发热量和工作台面变形小，可以实现较高精度的工件切削。

（1）确定导轨结构尺寸

工作台底座导轨结构尺寸需通过多次设计验算及筛选最佳方案确定。

（2）确定工作台导轨油膜间隙

油膜间隙应根据工厂实际加工能力以及工作台台面耐磨材料及刮研工艺确定。本文油膜间隙h0为0.06-0.12mm。

图2.4 工作台底座导轨结构尺寸示意图

（3）受力估算

其受力分析图如图2.5所示：

图2.5 受力分析图

①切削力在X和Y轴上分力PX、PY与刀架切削力Pz的关系为：Px=Py=0.5Pz

②主电机传动齿轮对齿圈的作用力：

式中：Mmax为工作台最大扭矩，D1为齿圈节圆直径。

③齿轮对齿圈作用力在X和Y轴的分力Px'和Py'为：

Px'=Pz'cosαsinβ/（cosαcosβ-fsinαs）

Py'=Pz'（sinα+fcosαs）/（cosαcosβ-fsinαs）

tanαs=tanα/cosβ

式中：f为摩擦系数0.1；α为法面压力角；β为齿圈螺旋升角；αs为径面压力角。

④颠覆力矩作用产生力Fd

Mz=Py（h+a）-Px（0.8Dmax/2）-Py'（q/2）

M2=Mz2+My2

式中：M为颠覆力矩；My和Mz分别为力系对Y轴和Z轴的力矩。

（4）流量计算

①单个支承座有效承载面面积：

A'=（2LB+2lb+Lb+lB）/6；

②作用于单个支承座的最小和最大压力P0、Pi为：P0=（1/i）Wmin /A'

Pi=（Wmin+Wmax+Px+Px'+Fd）/iA'

式中：Wmin为工作台台面重量；Wmax为最大工件重量；i为工作台底座环型导轨油腔数。

③空载与最大载荷时工作台导轨所需的流量Q0和Qi分别为：

Q0=（iP0h30/3μ）[l/（B-b）+b/（L-l）]

Qi=（iPh30/3μ）[l/（B-b）+b/（L-l）]

结论

本文完成了立式车铣复合加工中心中高精度工作台主轴、镗铣滑枕及工作台恒流静压结构的设计工作，在实际产品中其工作性能稳定、加工精度高并得到客户的一致好评。