大型龙门机床的优化和创新设计

■ 汉川数控机床股份公司 （陕西汉中 723003） 党 文 薛 武

1.机床工作台支撑垫铁创新设计

大型机床支承工作台的支承垫铁，要求承载高，安装调试方便，精度稳定性好。同时对工作台的刚性强度影响小。公司以前设计的各种机床垫铁中，个别垫铁可以使用，但对工作台的结构钢性影响较大。

新研发的垫铁结构如图1所示，支承螺杆的螺纹大（M52×2mm），承载面积增大，在结构中增加一凹一凸两个球面垫，其承载面积更大，并对安装误差有补偿作用，提高了工作台安装精度和精度的稳定性。此种垫铁优点：①承载力大，安装、调整都简单。②成本低，对工作台的刚性强度影响小。

2.主轴箱滑枕与铣头联接结构优化设计

主轴箱设计时，对滑枕－铣头联接结构作了如下改进：①将铣头拉紧机构的固定方式由螺纹联接改为如图2所示的端面压紧结构，通过修磨调整垫厚度保证铣头连接板压紧拉紧机构。②将铣头连接板上的固定键槽（和铣头上的矩形键配合起定向作用）改为如图3所示的可调整结构，通过修磨定位块的内侧面保证键槽的高对称度。

两者比较，改进后有以下优点：①将拉紧机构的固定方式由力锁紧改为形状锁紧，大大提高了结构的可靠性，同时降低了加工和装配难度。②这一改进的本质是通过设置调整环节，使铣头连接板的“联接”和“定向”两种功能分离，从而降低了连接板的加工难度，方便直角铣头的装配调整，同时键槽损伤后只需更换定位块，节省维修成本和时间。

图 1

图 2

3.基于有限元分析的横梁创新设计

对于大跨距的龙门式机床，横梁（见图4）是其刚度上的薄弱环节之一。传统计算方法是基于一维梁及点支撑假设的，对细长形梁其计算精度可以满足工程设计的要求，但对于大截面、大支承面、截面形状复杂的横梁，传统方法的计算精度无法满足工程要求。在大型龙门的设计中，我们利用有限元分析技术对该机床的两种横梁进行了受力变形计算，对保证横梁的设计质量起到了重要作用。

图 3

图 4

通过对横梁进行有限元分析，加深了我们对此类零件变形行为的认识，也为后续改进积累了经验，例如，随着横梁跨距的增大，扭转变形逐渐占据主导地位，弯曲变形则退居其次；编写了用于横梁受力变形分析的APDL程序文件，只需修改文件中的几个参数，然后将此文件输入分析软件，软件会自动完成新的分析过程，节省了大量辅助工作时间，使分析效率成倍提高，将此文件略作修改，即可用于其他产品横梁的分析。

在大型龙门机床大件设计中应用有限元分析技术，其技术经济价值不容忽视。利用有限元分析技术可以：①快速比较不同的设计方案，并选出最优的设计，提高了设计工作的效率。②在设计阶段就能对大件的受力变形等有一个直观的认识，还可以发现被忽视的薄弱环节并加以改进。③超重型大件成本高昂，设计、制造和运输等任何一个环节都不容有失，利用有限元分析技术有利于减少产品开发的风险。④分析的结果还可以用于指导零件加工和装配。

4.结语

综上所述，通过对机床工作台支撑垫铁创新设计，主轴箱滑枕与铣头联接结构优化设计，基于有限元分析横梁的创新设计，大幅降低了生产成本，缩短了生产周期，提高了机床的精度和稳定性。目前这些设计结构已使用在我公司的大型龙门机床上。