两种主轴箱平衡系统导向机构在数控落地铣镗床中的应用分析

崔凤有 陈雪芳 孔凡武 李德刚

(①齐齐哈尔二机床(集团)有限责任公司设计院，黑龙江 齐齐哈尔161005;②吉林东光集团有限公司技术中心，吉林长春130103)

目前数控落地式铣镗床主轴箱平衡系统是通过钢丝绳一端连接主轴箱，另一端连接配重重锤的方式实现主轴箱的平衡，这样可大大降低主轴箱上下运动进给电机的托动力。重锤中心面四角处安装有四套导向轮组，立柱内腔安装有两套导向杠，重锤通过两侧上下导向轮组分别沿两侧导向杠上下运动，从而实现重锤的平衡运动。重锤导向机构工作可靠性和运动平稳性对机床主轴箱高速进给和高精度加工尤其重要，弧线接触式主轴箱平衡导向机构和线接触式主轴箱平衡导向机构都能实现重锤的上下运动，但是在稳定性上二者有一定差别，本文从结构和受力上对二者进行分析。

1 弧线接触式与三线接触式主轴箱平衡导向机构分析

1.1 弧线接触式主轴箱平衡导向机构

弧线接触式主轴箱平衡导向机构如图1 所示，此结构主要由定位套、导向杠、滚轮等部分组成。并中导向杠材料是圆钢管，并通过定位套固定在立柱上，导向杠相对重锤保持静止;滚轮安装于重锤上，滚轮本身可绕回转轴线做回转运动，并与重锤一起沿导向杠做直线运动。滚轮圆周上加工有圆弧形凹槽，此弧形凹槽与导向杠圆弧面形成运动副。

弧线接触式平衡导向机构滚轮与导向杠是弧线接触，根据公式(1)可知，在角速度ω 相同的情况下，弧线上各点距回转轴线的回转半径不同，弧线上各点的线速度就不同，半径大线速度就大。

式中:V 为线速度;ω 为角速度;r 为回转半径。

弧线接触式结构在滚轮沿导向杠运动的初期，滚轮接触弧线上直径大的点由于线速度较大形成滚动，而直径小的点由于线速度较小形成滚动和滑动的混合运动，这样在重锤上下运动过程中产生滑动摩擦，对滚轮和导向杠接触面产生磨损。

弧线接触式导向机构能够承受较大垂直于回转轴线方向的冲力，但是在承受平行回转轴线方向冲力冲击时，由于冲力对滚轮绕回转轴线产生翻转力矩，因此对滚轮内部轴承产生冲击，最终会导致轴承损坏，进而滚轮卡死，使滚轮与导向杠形成纯滑动运动，进一步加快滚轮磨损，同时产生振动和噪音。

从以上分析可知，弧线接触式主轴箱平衡导向机构由于稳定性较差，因而制约主轴箱进给速度的提高，从而影响数控落地式铣镗床向高进给速度方向发展。

1.2 线接触式主轴箱平衡导向机构

线接触式主轴箱平衡导向机构如图2 所示。此结构主要由导向杠、定位套、侧向滚轮组和正向滚轮组等部分组成。与弧线接触式导向机构不同的是导向杠材料是方钢，并通过定位套固定在立柱上。侧向滚轮组和正向滚轮组安装在重锤上。侧向滚轮组主要由滚轮和连接板组成;正向滚轮组主要由滚轮和滚轮体组成。侧向滚轮组的两个滚轮和正向滚轮组的滚轮安装时与导向杠3 个面调整好间隙，使滚轮沿导向杠能够自由直线运动，从而实现重锤平稳运动。线接触式导向机构3 个滚轮承受水平冲力和抗翻转力矩能力强，滚轮在直线运动过程中始终保持纯滚动运动，因此整套机构使用寿命长、可靠性高，并且噪音低。

1.3 应用

线接触式主轴箱平衡导向机构相对于弧线接触式主轴箱平衡导向机构结构可靠、运动平稳、安装方便、便于维修，特别适用于高速进给运动的重型数控落地铣镗床，而且制造成本相对较低。此种结构已经应用于TK6926/140 ×60 型数控落地铣镗床中，主轴箱进给速度从1～6000 mm/min，提高到1～20000 mm/min，从而保证机床实际工作中主轴箱的高速进给和机床的高精度加工。目前此技术正广泛应用于TK6913(TH6913)、TK6916(TH6916)、TK6920(TH6920)和TK6926(TH6926)等各系列数控落地式铣镗床中。

2 结语

随着科学技术的快速发展，对数控落地铣镗床的加工精度、进给速度和主轴转速的要求越来越高，因此稳定可靠的运动副结构对数控机床，特别是重型数控落地式铣镗床的影响尤其重要。线接触式平衡导向机构比弧线接触式平衡导向机构运动更平稳，受力效果更好，更适用于高精度、高进给速度和高主轴转速的数控机床，其对提高数控机床的性能和品质起到重要作用。

［1］李洪.实用机床设计手册［M］. 沈阳:辽宁科学技术出版社，1999.

［2］成大先.机械设计手册［M］. 北京:化学工业出版社，2007.

［3］现代实用机床设计手册编委会. 现代实用机床设计手册［M］. 北京:机械工业出版社，2006.