1引言

龍門式加工中心是現(xiàn)代航空航天、汽車制造、大型模具加工等制造企業(yè)不可或缺的一種關(guān)鍵設(shè)備。龍門式加工中心主要有橫梁移動式、工作臺移動式、動龍門式幾種結(jié)構(gòu)形式。其中橫梁移動式，也就是通常所說的橋式龍門加工中心，特別是橋式高速龍門五軸加工中心在大型模具加工行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

汽車工業(yè)中的模具制造以及航空航天工業(yè)中的復(fù)雜零件加工，要求高速五軸加工中心來實現(xiàn)，隨著科技的不斷發(fā)展直線電機驅(qū)動技術(shù)也就逐漸應(yīng)用于高速龍門五軸加工中心，橫梁是龍門式機床的主要支撐件，對整個機床的性能影響非常大，因此應(yīng)該根據(jù)載荷情況以及機床的設(shè)計參數(shù)要求進行橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進行相關(guān)的分析研究，本文所研究的機床橫梁就是主要針對直驅(qū)式高速龍門五軸加工中心而設(shè)計的。

2高速龍門五軸加工中心橫梁的載荷特點

由于高速龍門五軸加工中心的結(jié)構(gòu)特點，橫梁兩端由橋梁或者立柱支撐，中間懸掛滑板和滑枕、銑削頭等零部件。導(dǎo)致橫梁的導(dǎo)軌面需要承載較大的重力及翻轉(zhuǎn)力矩，容易產(chǎn)生變形。

高速龍門五軸加工中心橫梁的受力結(jié)構(gòu)可以簡化為兩點簡支梁的支撐形式，引起橫梁變形的主要原因是橫梁自身重力以及懸掛在橫梁上的滑板、滑枕、銑削頭的重力和加工過程中的切削力，當(dāng)橫梁上的移動部件移動到橫梁中部時，引起橫梁的下垂彎曲變形最大；另外，由于橫梁上的移動部件呈懸臂狀態(tài)，移動部件的重力還會引起橫梁的扭轉(zhuǎn)變形；在機床設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)高速龍門五軸加工中心的受力機構(gòu)和工作狀態(tài)要求，對橫梁的載荷特點進行分析，以此作為高速龍門五軸加工中心的橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論依據(jù)。

3焊接橫梁與鑄造橫梁的優(yōu)劣比較

目前，歐美等先進工業(yè)國家的機床基礎(chǔ)大件逐步以焊接件或新材料結(jié)構(gòu)取代了鑄件結(jié)構(gòu)，一是為了達到綠色環(huán)保要求，二是焊接件在機床大件應(yīng)用上，尤其是小批量的移動部件比鑄造件更具優(yōu)勢，本文針對高速龍門五軸加工中心橫梁，分別對鑄件結(jié)構(gòu)和焊接件結(jié)構(gòu)進行分析，比較兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。

高速龍門五軸加工中心橫梁同時承受重力、拉力和彎矩作用。為了減小變形，提高抗振性，橫梁要求有較好的剛度。高速龍門五軸加工中心橫梁焊接件與鑄件對比有以下特點：

（1）焊接件所用碳鋼材料的彈性模量和力學(xué)性能高于鑄件所采用的鑄鐵材料，根據(jù)彈性模量公式E=σ/ε（E為彈性模量，σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變）可知，在應(yīng)力σ相同時，E大則產(chǎn)生的應(yīng)變ε小。

在結(jié)構(gòu)尺寸相同時，E值大的材料剛度高。因此，在同樣載荷作用下，鋼結(jié)構(gòu)的靜剛度比較大。在受迫振動時，提高靜剛度可以降低振幅，提高其固有頻率，從而避免發(fā)生共振。而對自激振動，提高靜剛度可以提高自激振動穩(wěn)定性的極限。

（2）由于鋼板焊接件重量比鑄件輕，相同剛性的鋼板焊接結(jié)構(gòu)的重量僅為鑄件的60％左右，所以根據(jù)公式ωn=K/m（其中ωn為固有頻率，K為剛度，m為質(zhì)量）可知，減輕重量可以提高固有頻率，有利于避免共振的發(fā)生。合理的焊接結(jié)構(gòu)固有頻率可以比鑄造結(jié)構(gòu)高50％。

而龍門橫梁跨距大，重量減輕也可以減小下垂，提高機床幾何精度；同時，對于直驅(qū)式龍門機床，減輕重量對提高快移速度和加速度起決定性作用。

（3）鑄鐵的內(nèi)阻尼比鋼平均高出3.2倍。但焊接件阻尼主要來自于鋼板材料內(nèi)阻尼和構(gòu)件結(jié)合面間的摩擦，而材料內(nèi)阻尼只占很小比例，構(gòu)件結(jié)合面間的摩擦阻尼卻約占全部阻尼的90％左右。

所以，其抗振性并不比鑄件低多少，通過合理的焊接方法和焊接結(jié)構(gòu)，焊接件的阻尼甚至可以高于鑄件。

（4）焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)過程不需要制造木模和澆注，節(jié)省部分制造成本，適合小批量和單件生產(chǎn)。

經(jīng)過以上對比分析不難看出，首先焊接件剛度優(yōu)于同等外形尺寸的鑄件；其次，同等外形尺寸焊接件結(jié)構(gòu)重量比鑄件小，對于龍門機床橫梁這種大跨距的結(jié)構(gòu)，減輕重量便可以減小彎曲變形的程度，減輕橫梁重量也就是減輕了移動部件的質(zhì)量；同時焊接件用材少，也節(jié)省了成本；對于單件或小批量生產(chǎn)，焊接件生產(chǎn)周期相對較短。

所以無論是從性能，還是從工藝、成本、周期等諸方面因素來看，焊接件都是更適合于龍門機床橫梁的制造形式；尤其是對于直驅(qū)式高速龍門五軸加工中心，要求具有高速度、高加速度，還要求高剛性，焊接橫梁更能體現(xiàn)出其優(yōu)于鑄造件的各項性能。

4直驅(qū)式高速龍門五軸加工中心橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

GMC2550u高速龍門五軸加工中心的橫梁外形采用類似梯形結(jié)構(gòu)，在保證剛度的前提下盡可能地減輕橫梁的重量，外形如圖1所示，與通常龍門式加工中心橫梁不同之處在于：

（1）GMC2550u機床焊接橫梁光柵尺安裝面位于橫梁頂面，而不是與同導(dǎo)軌安裝面同面，避免了直線電機的強電流帶來的電磁干擾，同時也便于防塵、防切屑；

（2）采用直線電機驅(qū)動，所以焊接橫梁前側(cè)面只有上線導(dǎo)軌安裝面，而沒有絲杠或者齒條安裝面，大大簡化了結(jié)構(gòu)；

（3）直驅(qū)用焊接橫梁與橋梁的接合通過橫梁兩側(cè)底座的底板，去除了普通龍門機床所用的結(jié)構(gòu)繁瑣復(fù)雜的連接滑座。

經(jīng)過焊接件和鑄造件的對比分析，GMC2550u高速龍門五軸加工中心的橫梁定為焊接結(jié)構(gòu)，焊接鋼板選用剛性較高的16Mn材料。周邊板材均用25mm厚鋼板，中間筋板采用16mm厚鋼板，導(dǎo)軌安裝面和直線電機安裝面均采用12mm厚鋼板；橫梁跨距6250mm，寬950mm，高1050mm。

橫梁的剛度不足是影響變形的主要原因。加強筋是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要組成部分，合理地布置加強筋能收到重量輕、剛度高、成本低的良好效益；經(jīng)過實踐證明，現(xiàn)代機床的床身系統(tǒng)，由于加強筋的合理布置，因彈性變形而導(dǎo)致的加工誤差，在總誤差中一般不會大于10%~15%。

在橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，考慮到機床的工作環(huán)境等方面因素，對橫梁內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)進行對比分析，為提高橫梁抗扭剛度采用了對角筋板抗扭理論，將橫梁內(nèi)部的筋板布置為X型；并輔以一道橫筋板，并且X型筋板前后布置，中間加一道豎筋板，增強抗扭系數(shù)，橫筋板和縱筋板將和橫梁四周的側(cè)板一樣發(fā)揮扭轉(zhuǎn)極慣性矩作用，增強橫梁的抗扭剛度。橫梁的剖面及內(nèi)部筋板布置如圖2、圖3所示。

按照上述結(jié)構(gòu)用Pro/E對橫梁進行三維建模，將三維模型導(dǎo)入ANSYS進行分析，橫梁模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，橫梁重約8959kg，經(jīng)ANSYS分析重力作用下的變形如圖4所示，主軸前端最大變形0.253mm，X方向切削力作用下變形如圖5所示，主軸前端最大變形0.304mm。變形量基本在允許范圍之內(nèi)，產(chǎn)生的變形量可以通過編程進行補償，以達到機床的設(shè)計要求。

5結(jié)語

通過對高速龍門五軸加工中心橫梁載荷特點的分析以及焊接結(jié)構(gòu)與鑄造結(jié)構(gòu)的對比分析，確定了的本項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案以及制造方式，最后經(jīng)過ANSYS分析得出該橫梁結(jié)構(gòu)以及制造方式都是適合高速龍門五軸加工中心，尤其是對直驅(qū)式動龍門更有優(yōu)勢，據(jù)此設(shè)計出了GMC2550u型機床的焊接橫梁。要設(shè)計制造更精密的龍門式加工中心，還需對橫梁的設(shè)計進一步的深入研究。

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