1引言

龍門式加工中心是現代航空航天、汽車制造、大型模具加工等制造企業不可或缺的一種關鍵設備。龍門式加工中心主要有橫梁移動式、工作臺移動式、動龍門式幾種結構形式。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得到了廣泛的應用。

汽車工業中的模具制造以及航空航天工業中的復雜零件加工，要求高速五軸加工中心來實現，隨著科技的不斷發展直線電機驅動技術也就逐漸應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，因此應該根據載荷情況以及機床的設計參數要求進行橫梁的結構設計，并進行相關的分析研究，本文所研究的機床橫梁就是主要針對直驅式高速龍門五軸加工中心而設計的。

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構特點，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。導致橫梁的導軌面需要承載較大的重力及翻轉力矩，容易產生變形。

高速龍門五軸加工中心橫梁的受力結構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，移動部件的重力還會引起橫梁的扭轉變形；在機床設計過程中，應根據高速龍門五軸加工中心的受力機構和工作狀態要求，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構設計的理論依據。

3焊接橫梁與鑄造橫梁的優劣比較

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

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性能高于鑄件所采用的鑄鐵材料，根據彈性模量公式E=σ/ε（E為彈性模量，σ為應力，ε為應變）可知，在應力σ相同時，E大則產生的應變ε小。

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

（2）由于鋼板焊接件重量比鑄件輕，相同剛性的鋼板焊接結構的重量僅為鑄件的60％左右，所以根據公式ωn=K/m（其中ωn為固有頻率，K為剛度，m為質量）可知，減輕重量可以提高固有頻率，有利于避免共振的發生。合理的焊接結構固有頻率可以比鑄造結構高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阻尼和構件結合面間的摩擦，而材料內阻尼只占很小比例，構件結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構，焊接件的阻尼甚至可以高于鑄件。

（4）焊接結構生產周期短，生產過程不需要制造木模和澆注，節省部分制造成本，適合小批量和單件生產。

經過以上對比分析不難看出，首先焊接件剛度優于同等外形尺寸的鑄件；其次，同等外形尺寸焊接件結構重量比鑄件小，對于龍門機床橫梁這種大跨距的結構，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量；同時焊接件用材少，也節省了成本；對于單件或小批量生產，焊接件生產周期相對較短。

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，焊接橫梁更能體現出其優于鑄造件的各項性能。

4直驅式高速龍門五軸加工中心橫梁結構設計

GMC2550u高速龍門五軸加工中心的橫梁外形采用類似梯形結構，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）采用直線電機驅動，所以焊接橫梁前側面只有上線導軌安裝面，而沒有絲杠或者齒條安裝面，大大簡化了結構；

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

經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構，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。加強筋是焊接結構設計的重要組成部分，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；經過實踐證明，現代機床的床身系統，由于加強筋的合理布置，因彈性變形而導致的加工誤差，在總誤差中一般不會大于10%~15%。

在橫梁結構設計中，考慮到機床的工作環境等方面因素，對橫梁內部基本結構進行對比分析，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，橫筋板和縱筋板將和橫梁四周的側板一樣發揮扭轉極慣性矩作用，增強橫梁的抗扭剛度。橫梁的剖面及內部筋板布置如圖2、圖3所示。

按照上述結構用Pro/E對橫梁進行三維建模，將三維模型導入ANSYS進行分析，橫梁模型結構如圖1所示，橫梁重約8959kg，經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，產生的變形量可以通過編程進行補償，以達到機床的設計要求。

5結語

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構與鑄造結構的對比分析，確定了的本項目的結構設計方案以及制造方式，最后經過ANSYS分析得出該橫梁結構以及制造方式都是適合高速龍門五軸加工中心，尤其是對直驅式動龍門更有優勢，據此設計出了GMC2550u型機床的焊接橫梁。要設計制造更精密的龍門式加工中心，還需對橫梁的設計進一步的深入研究。

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