2024年5月18日发(作者：惠思懿)

第５期　

机械设计与制造　

２０１２年５月　

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　２１７　

文章编号：１００１—３９９７（２０１２）０５—０２１７—０３　

Ｔ３２０落地镗溜板箱结　构应力分析与设计　

杨顺田１杨天雄　彭美武　

（’四川工程职业技术学院，德阳６１８０００）（　哈尔滨工业大学管理学院，哈尔滨１５０００１）　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａＩ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｔ３２０　ｆｌｏｏｒ　ｂｏｒｉｎｇ　ａｐｒｏｎ　

ＹＡＮＧ　Ｓｈｕｎ—ｔｉａｎＩ，ＹＡＮＧ　Ｔｉａｎ－ｘｉｏｎｇ２，ＰＥＮＧ　Ｍｅｉ－ｗｕ　

（　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｄｅｙａｎｇ　６　１　８０００，Ｃｈｉｎａ）　

（￣Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　

ｌ　【摘要】为了解决３００ｔ以上特大型焊接件、特大型轧机的粗加工难题，急需大型、超重型落地铣ｉ　

》镗床。Ｔ３２０数显落地镗就是在这种背景下研制的。通过对机床立柱、热平衡系统、惯量参数匹配与主轴《　

；溜板箱结构等内容的研究，特别是将机床立柱设计成封闭式截面的焊接结构，并在其结构内注入防震；　

ｌ填料，改变了传统的铸件结构设计；再通过对溜板箱与立柱和轨道的接触状态云分析，对其结构进行优：　

》化；采用温度补偿系统保证轴承热系统平衡，满足了特大型件的粗加工要求，其主要设计思想彰显出大《　

；型、超重型机床设计的特色。　｛　

ｌ　关键词：重装设备；Ｔ３２０落地镗；结构分析；接触状态云图；等效应力　ｉ　

｝　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】／ｎ　ｏｒｄｅｒｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｒｏｕｇｈｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　３００ｔｏｒｔｓ　ｌａｒｇｅ　ａｎｄ　ｓｕｐｅｒｌｒａｇｅ　ｃｏｎ一｛　

；ｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆｍｉｌｌ，ｌｒａｅｇ，ｕｈｒａ－ｈｅａｖｙ　ｂｏｒｉｎｇ　ｎａｄ　ｍｉｌｌｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ　ｉｎ　ｕｒｇｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，Ｔ３２０　ｄｉｇｉｔａｌ；　

ｌ　ｄｉｓｐｌａｙｔｙｐｅ　ｂｏｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ　∞ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｔｈｉｓ　ｃｏｎｔｅｘｔ．ｈＴｒｏｕｇｈ　ｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅ　ｍａｃｈｉｅｎ　ｃｏｌｕｍｎ，ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　２　

｝ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ｔｈｅ　ｉｎｅｒｔｉａ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｎａｄ　ｔｈｅ　ｓｐｉｎｄｌｅ　ａｐｒｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｅ｛　

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■　●＇　ｒ●要●　．１、ｈ　●　　■１　●　１　■●１ｈ　＇、兰：ｈ　●　，　翼　！●　■，●　■１：　　■　１ｈ　＇、ｈ　●　！■…一………　…一…一………一…．，●　，ｔ　■　●　，■　，■　，■　，●　－１ｎ　●１ｈ■●１ｈ■●１ｎ■●１ｈ　＇、　●　一——一——一——　●１Ｐ　●１ｈ　●１ｈ　＇　●１　●１　■●１　●　、　●１ｈ　■、　，●　■，－　

中图分类号：ＴＨ１６，０３１６文献标识码：Ａ　

１引言　３　Ｔ３２０数显落地镗床工作状况分析　

重装设备向大型化及巨型化方向发展，急需大型、超重型落Ｔ３２０数显落地镗床，在大多数情况下，是加工大型铸钢件、　

地铣镗床来解决特大型焊接件、筒形锻件和特大型轧机的粗加　金属结构件、锻件等箱型零件上的平面及孔系，加工时的最大切　

工，Ｔ３２０数显普通落地镗就是在这种背景下研制。若购买一台同　削力在１２０００Ｎ以上，动力头自重２５００ｋｇ，工作进给速度要求能　

规格的机床需要２０００万元以上，因为是粗加工，采用高价的新设　在（２０—１５００）ｍｍ／ｍｉｎ内进行调速，在快进和快退的速度均为６ｍ／　

备就很不经济，也没必要，只有寻求另外的途径来解决这个问题，　ｍｉｎ，动力头的导轨形式为平导轨，以此作为设计的主要依据．　

通过市场调研与可行性分析，其中的主轴箱是通过购买俄罗斯二　４机床立柱结构分析与设计　

手机床获得，其余是自主开发完成的，Ｔ３２Ｏ数显普通落地镗的研　机床立柱自身重量为８０ｔ

，

是整机的重要部件。传统的立柱　

制牵涉到许多方面的问题，尽管有外购的主轴箱，也要进行必要　通常采用铸件结构

，

耗费大量的金属材料，还需要制模、浇铸等复　

的改造，重点对ｒＩ’３２０数显普通落镗地的立柱结构、动平衡分析与　杂的工艺过程

，

生产周期长、成本很高ｍ。经过理论分析和数值模　

溜板箱结构进行应力分析与设计。　拟

、

实验研究等方法充分论证，决定将机床立柱设计成封闭式截　

２理论与实验相结合并以实验研究为主　面的焊接结构件并在结构件内注入防震填料，改变了传统的铸件　

Ｉ３２０数显落地镗床研制工作采取以实验研究为主，并进行　结构设计　，属于国内首创。因立柱结构的创新，显著地减少了机　

理论分析、数值模拟、现场实际测量和实验研究相结合的技术路　床立柱的金属材料消耗量，同比节省金属材料５５％，缩短了产生　

线。主要根据Ｔ３２０数显落地镗床主轴箱，先进行实测，对国内外　周期，降低了生产成本。机床立柱结构，如图１所示。其中，立柱的　

先进技术进行优化集成。设计出主轴传动系统、进给主轴、电气与　封闭式截面示意图，如图１（ａ）所示。实际设计的结构图，如图１　

液压控制系统等主要部件的图纸；制定机床立柱、床身、平衡装　（ｂ）所示。利用ＡＮＳＹＳ有限元分析其受力情况，如图１（ｃ）所示。　

置、溜板箱等部件的制造工艺。　现场安装情况，如图２所示。　

★来稿日期：２０１１－０７—１７★基金项目：四川省创新基金项目（ＪＹＣＸ２０１００００１４）　

２１８　杨顺田等：Ｔ３２０落地镗溜板箱结构应力分析与设计　第５期　

机床导轨面要完全贴合，保证导轨的导向作用及运动的平稳性『１】，　

采用如图３所示的结构，在溜板箱与机床导轨面之间采用塑料软　

２　

—　

带过度，经试验，溜板箱运动平稳，低速无爬行，高速振运很小。　

４　

１　

（ｂ）　（ｃ）　

图１机床立柱结构　

１．立柱２．结构件３．填料４．主轴箱　

图３溜板箱与机床导轨面结构设计示意图　

１．溜板箱２．塑料软带３．导向调整板４．床身导轨　

６＿２机床溜板箱液压系统设计控制方式确定　

首先，确定Ｔ３２０数显落地镗床的工作方式为循环方式，绘　

制运动部件的速度循环图，然后计算各个阶段的负载，液压缸所　

受负载Ｆ包括三种方面＿１．５１，即：　研　（１）　

动部件　

式中：　一工作负载，对于３００ｔ的重切削金属机床来说，即为沿　

活塞运动方向的切削力，其中　为１２０００Ｎ；　

速度变化的惯性负载；种轨摩擦阻力负载，启动时为静　

止摩擦阻力，启动后为动摩擦阻力，对于平导轨，　可由下　

式求得：　＿厂（Ｇ＋如）；Ｇ—运动部件重力；　＿垂直于导轨　

的工作负载　，一导轨摩擦系数，在设计中，静摩擦系数取　

图２机床立柱结构的安装　

Ｏ．２，动摩擦系数取０．１。则求得：　

．

５主轴动平衡轴承热平衡系统的创新设计　

５．１主轴动平衡　

Ｔ３２０数显落地镗床，设计主轴转速为（２０．－－１５００）ｒｐｍ，主轴组件　

转动时产生的变形，不可避免会因材质不均匀、形状不对称、运转不　

２　２００００Ｎ－－４０００Ｎ，　＝０．１　２００００Ｎ＝２０００Ｎ　（２）　

式中；居—静摩擦阻力；盱一动摩擦阻力。Ｆ￣Ｃ／ｇ・Ａｖ／Ａｔ　

△　—△ｔ时间内的速度变化量；Ａｔ取０．０４　

Ｆ￣＝２００００＂４．５／９．８＊０．０４＊６０＝５　１０２Ｎ　

（３）　

式中：ｇ—重力加速度；△卜－力口速或减速时间，一般Ａｔ－Ｏ．０１＿０．５ｓ；　

平衡，导致机床装配误差，从而导致重心偏离旋转中心，使机床产生　

振动和振动力，引起机床噪声、轴承发热等，不平衡会加剧机床的振　

根据匕述计算结果，　，如图４所示。　

２　３　４　５　６　７　８　９　ｌ０　Ｉ１ｌ２１３ｌ４】５ｌ６ｌ７ｌ８ｌ９２０　２１　２２２３２４２５２６２７２８２９３０　

动，　。￣７：０１Ｙｇ：：ｔ：，为了简化计算，将机床　

处理。将机床主轴看作绝对　

刚体，目假定工作时，不平衡离心力作用下的转轴不会发生显著变　

形。在这些条件下，机床主轴的许多复杂不平衡状态均可简化为力系　

不平衡来处理。机床主轴平衡多为低速动平衡，—般选用第一临界转　

速的１　以下，其平衡程度等级参考ＪＩＳＢＯ９０５—１９９２标准，并应根据　

Ｔ３２０数显落地镗床具体状况决定。不平衡引起的振动、力、噪声等现　

场试验或实验室试验，确定平衡程度，通过计算求得作用到轴承上的　

不平衡力，当达到轴承的允许限度时，从而确定不平衡程度。　

５＿２主轴轴承热平衡补偿　

采用温度补偿系统，实现主轴轴承热平衡，Ｔ３２０数显落地　

镗床主轴轴承环境温度的变化和室内各部分的温差，将使主轴轴　

承产生热变形，因此，在加工或测量零件时，应控制室温的变化。　

一

般安装在恒温车间，以保持其温度的恒定。但是在很多情况下，　

图４机床液压控制系统图　

很难做到恒温，通过设计温度补偿系统来保证轴承热系统平衡。　

６．３溜板箱结构应力分析与设计　

经过计算，溜板箱与立柱和轨道的接触情况、溜板箱的等效　

应力及最大压应力分布情况。其中溜板箱与立柱和轨道的接触情　

况，如图５所示。图中黄色区域为接触区。从图中可见，溜板箱与　

６机床溜板箱的设计　

６．１溜板箱与机床导轨面结构设计　

溜板箱是作为一个传动中介，实现机床自动走刀，溜板箱与　

轨道的立柱接触状态良好。　

Ｎｏ．５　

Ｍａｖ．２０１２　机械设计与制造　

蜗杆总转动陨量折算到电机轴上的惯量：　

１０７．４６￣（１／１２１）２＝－０．００７３４（ｋｇｆｃｍｓ　）　

２１９　

行星减速器输人轴惯量　Ｏ．０３２（ｋｇｆｃｍｓ　）　

机械总惯量：Ｊ，－ｏ．００７３４＋０．０３２＝０．０３９３３　

电机惯量：Ｊｍ－０．１２８ｊ／ｋｇｍ　

１　１　｝　．０３９３３／０．１２８－－０　３０７＞１／４　

图５溜板箱接触状态云图　

所以惯量匹配：总惯量：ｊ－－ｏ．１６７３３（ｋｇｆｃｍｓ　）　

溜板箱等效应力分布情况，如图６所示。　

“　

７．３扭矩匹配与优化　

电机转矩ＭＬ＝９５４９Ｎ／ｎ＝９５４９ｘ５．５／１４８０＝－３５．４８（Ｎｍ）　

估算蜗杆减速机效率：＊／＝８４．３％　

计算蜗杆减速机总效率：ｒ／＝６７％　

行星减速机效率：７／＝９０％　

总负载扭矩折算到电机轴扭矩　

图６溜板箱等效应力分布图　

Ｍ

￣Ｍｙｉｆ－４０９９１／２４２０＝１６．９３８（Ｎｍ）　

．

从以上结果来看，溜板箱应力１７８ＭＰａ，小于材料ＨＴ２５０的　

强度极限２５０ＭＰａ。说明溜板箱的强度是足够的。　

考虑效率：Ｍｆｅ＝１６．９３８／０．９ｘ０．６７＝２８．１０（Ｎｍ）　

扭矩安全系数：ａ＝ＭｄＭｆｅ＝３５．４８／２８．１＝１．２６（倍）　

加速时间：　ｌｅｌ９．６Ｍ＝０．１６７３３ｘ１４８０／９．６ｘ１３３＝１．４６Ｓ　

加速度口＝０．６／１．４６Ｘ６０＝－０．００６８ｍ／ｓ　

６．４　Ｔ３２０数显落地镗床滑板机构创新设计　

设计条件：　

初选移动电机型号：ｚ　１　１２／４—１；ｎ　＝１４８０ｒｐｍ，ｊ－ｏ．１２８Ｊ／ｋｇｍ　；　

加速扭矩：　

Ｍ￣＝１　８００００ＯＯｘＯ．００６８ｘ０．９ｘ０．６７ｘ０．３０８６９／２＝１　１４７Ｎｍ　

滑板移动速度：机床大滑板进给速度Ｖ＝（６－５７３）ｍｍ／ｍｉｎ；快移速度　

Ｖ＝（８３０￣２１００）ｍｍ／ｍｉｎ。初选移动行星减速器型号：ＢＷＥＹ３３２２—　

快速空载启动所需力矩：　

１１Ｘ１１－－４Ｂ３５；ｑ￣ｌ转速：　（５—１２０）ｒｐｍ，功率Ｎ＝９５ｋＷ；主轴箱体重　

３１．４ｔ、立柱８０ｔ、配重３３ｔ、大滑板２Ｚ３ｔ、按增加１∞　计算移动部份重　

量Ｗ＝１８０ｔ；蜗轮减速机传动比ｉ＝２０，末级齿轮Ｚ＝１９，Ｍ＝１６，ｌｆ＝ｌ０ｏ。　

Ｍ＝Ｍａ＋Ｍｆ＝（１　１４７＋３８１　１７）／２４２０ｘ０．９ｘ０．６７＝２６．９３（Ｎｍ）　

最大切削负载时所需力矩：Ｍ＝Ｍｓ＝２８．１０（Ｎｍ）　

由于在负载极限状态下有１．２６倍余量，所以转矩足够。　

参数计算：主切削力Ｒ。主轴计算转速．＂ｎｊ￣－ｎｍｉｎ（ｎ　）　＝５×　

８结论　

３００ｔ以上的特大型零件的粗加工，需要有足够的动力与空　（１２０／５）０４５＝２５．７ｒｐｍ。主轴计算扭距：ＭＩ－－９５５０Ｎ／ｎ￣－９５５０ｘ５Ｑｔ２５．７＝　

１８５８０Ｎｍ；采用西３１５刀盘全功率主切削力；Ｆｃ＝２ＭｆｆＤ＝１８５８０ｘ２／　间的Ｔ３２０这样的大型机床，其立柱是主要受力构件，主轴的热平　

０．３１５＝１　１７９６８Ｎ＝１　１．８ｔ；作用在　轴方向最大轴向力：　－－２７．Ｉｔ。负载　

衡系统、惯量参数匹配与主轴溜板箱结构等核心问题的解决，宣　

力矩Ｍｆ：Ｍｆ＝ＦｘｘＤＩ２＝２７．１ｘ３０８。６９ｘ９．８／２－－４０９９１（Ｎｍ）。　

告Ｔ３２０数显普通落地镗研制成功，填补了重型、特大型机械零部　

天的长期运行，完全达到设计要求，有效解决了困扰企业多年的　

明，Ｔ３２０数显落地镗床研制是正确的、成功的。社会意义巨大！　

经过机床空载运行、负荷试车一次成功。再经过十多　

７　Ｔ３２０数显落地镗床主要参数匹配与优化　

件加工的空白，

７．１转速匹配　

直流电机：ｎｅ＝１４８０ｒｐｍ，ｎｍ＝１８００ｒｐｍ；滑板移动速度　一。　

Ｖ，￣＝ｎｇｒｄ／ｉ＝１４８０ｘ３．１４ｘ３０８．６９／（１２１ｘ２０）＝５９２．７ｍｍ／ｍｉｎ　

＝２０×３．１４ｘ３０８．６９／（１２１ｘ２０）＝８ｍｍ／ｍｉｎ　

大型零件的加工问题。并直接服务于重型装备制造基地，实践证　

参考文献　

［１］中国纺织大学机械系手册编写组编．机械设计与制造简明手册［Ｍ］．上　

海：同济大学山版社，１９８５．　

［２］刘长年．液压伺服系统的分析与设计［Ｍ］．北京：科学出版杜，１９８５．　

［３］薛源顺．机床夹具设计ＣＭ］．北京：机械工业出版社，２００４（７）．　

［４］侯维芝．杨金凤模具制造工艺与工装［Ｍ］．北京：高等教育出版社，　

２ＯＯ５（７）．　

当电机调速至：ｎ　１０ｒｐｍ时，Ｖ￣＝４ｍｍ／ｍｉｎ。　

所以在电机恒扭矩工况下，能满足滑板移动要求。　

７．２惯量参数匹配与优化　

移动件重量折算到齿轮轴上的惯量：　

Ｊ￣＝ＷＲ２／ｇ＝１８０ｘ１０００ｘ（３０．５／２）２／９８０＝４２７１５．５６（ｋｇｆｅｍｓ　）　

［５］周世昌．液压系统没汁图集［Ｍ］．北京：机械了业出版社，２００３（３）．　

［６］上海材料研究所．工具钢金相图谱［Ｍ］．北京：机械工业出版社（第１　

版），１９７９．　

蜗轮愤量＝１４．７（ｋｇｆｃｍｓｚ）　

齿轮轴转动　￣Ｉ＝１３．９４（ｋｇｆｃｍｓ２）　

齿轮轴总转动惯量：　

Ｊ￣－－４２７１５．５６＋１４．７＋１３．９４－－４２７４４．２（ｋｇｆｅｍｓ　）　

齿轮轴总转动惯量折算到蜗杆上的惯量：　

［７］冯丽辉．工业计算机控制系统［Ｍ］．第１版．昆明：昆明理工大学出版　

社。１９９９（７）．　

［８］雷天觉．液压工程手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９０．　

［９］李益明朋械制造工艺设计简明手册［Ｍ］北京：机械工业出版社，１９９４．　

［１０］王立朋．丁福海．机床调整、刀具改进及废刀具的再利用［Ｊ］＿哈尔滨轴　

承，２００４，２５（１）：３７－４７．　

；，齿×（１／／）￣＿．４２７１　１．２ｘ（１／２０）２－＝１０６．８６（ｋｇｆｃｍｓ　）　

蜗杆惯量－－０．６（ｋｇｆｃｍｓｚ）　

蜗杆总惯量＝１０７．４６（ｋｇｆｃｍｓ２）　

［１１］张艳丽，张继顺，李旭东，等．废旧机夹不重磨车刀的修磨［Ｊ］＿轴承，　

２００１（１０）：３５－３６．　

［１２］叶伟昌，叶毅．涂层硬质合金刀具的发展与应用［Ｊ］．硬质合金，１９９８，１５　

（１）：５４—５７．　

2024年5月18日发(作者：惠思懿)

第５期　

机械设计与制造　

２０１２年５月　

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　２１７　

文章编号：１００１—３９９７（２０１２）０５—０２１７—０３　

Ｔ３２０落地镗溜板箱结　构应力分析与设计　

杨顺田１杨天雄　彭美武　

（’四川工程职业技术学院，德阳６１８０００）（　哈尔滨工业大学管理学院，哈尔滨１５０００１）　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａＩ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｔ３２０　ｆｌｏｏｒ　ｂｏｒｉｎｇ　ａｐｒｏｎ　

ＹＡＮＧ　Ｓｈｕｎ—ｔｉａｎＩ，ＹＡＮＧ　Ｔｉａｎ－ｘｉｏｎｇ２，ＰＥＮＧ　Ｍｅｉ－ｗｕ　

（　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｄｅｙａｎｇ　６　１　８０００，Ｃｈｉｎａ）　

（￣Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　

ｌ　【摘要】为了解决３００ｔ以上特大型焊接件、特大型轧机的粗加工难题，急需大型、超重型落地铣ｉ　

》镗床。Ｔ３２０数显落地镗就是在这种背景下研制的。通过对机床立柱、热平衡系统、惯量参数匹配与主轴《　

；溜板箱结构等内容的研究，特别是将机床立柱设计成封闭式截面的焊接结构，并在其结构内注入防震；　

ｌ填料，改变了传统的铸件结构设计；再通过对溜板箱与立柱和轨道的接触状态云分析，对其结构进行优：　

》化；采用温度补偿系统保证轴承热系统平衡，满足了特大型件的粗加工要求，其主要设计思想彰显出大《　

；型、超重型机床设计的特色。　｛　

ｌ　关键词：重装设备；Ｔ３２０落地镗；结构分析；接触状态云图；等效应力　ｉ　

｝　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】／ｎ　ｏｒｄｅｒｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｒｏｕｇｈｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　３００ｔｏｒｔｓ　ｌａｒｇｅ　ａｎｄ　ｓｕｐｅｒｌｒａｇｅ　ｃｏｎ一｛　

；ｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆｍｉｌｌ，ｌｒａｅｇ，ｕｈｒａ－ｈｅａｖｙ　ｂｏｒｉｎｇ　ｎａｄ　ｍｉｌｌｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ　ｉｎ　ｕｒｇｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，Ｔ３２０　ｄｉｇｉｔａｌ；　

ｌ　ｄｉｓｐｌａｙｔｙｐｅ　ｂｏｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ　∞ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｔｈｉｓ　ｃｏｎｔｅｘｔ．ｈＴｒｏｕｇｈ　ｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅ　ｍａｃｈｉｅｎ　ｃｏｌｕｍｎ，ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　２　

｝ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ｔｈｅ　ｉｎｅｒｔｉａ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｎａｄ　ｔｈｅ　ｓｐｉｎｄｌｅ　ａｐｒｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｅ｛　

；ｃｏｌｕｍｎ　ｄｅｓｉｇｎｅｄｐａｒｔｉｃｕｌｒａｌｙ　ｉｎｔｏ口ｃｌｏｓｅｄ　ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｗｅｌｄｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｈｏｃｋｆｉｌｌｅｒ　ｂｅｉｎｇ；　

ｌ　ｉｎｊｅｃｔｅｄ　ｉｎｔｏ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｙ　ｃｈａｎｇｅ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ；Ｔｈｅｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｌｏｕｄ　ｎａａｌｙｓｉｓ　ｏｎ￡　ｅ　２　

》ｃｏｎｔｃａｔ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｐｒｏｎ　ｗｉｔｈ　ｃｏｌｕｍｎｓ　ａｎｄ　ｔｒｃａｋ，ｔｈｅ　ｓｔｒｃｕｔｕｒｅ　Ｗａｓ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ；Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓｔａｉｏｎ｛　

；ｓｙｓｔｅｍ　Ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｈｅｔａ　ｂａｌａｎｃｅ　ｆｏｂｅａｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｅｘｔｒａ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒ　ｒｏｕｈｇ；　

ｌ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇｌｒａｅｇｐｉｅｃｅｓ，ｗｈｗｈ　ｍａｉｎ　ｅｄｓｉｎｇ　ｈｉｇｈｌｉｈｇｔｓ　ｔｅｈ　ｃｈａｒｃａｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｆｏｌｒａｅｇ，ｈｅａｖｙ　ｍａｃｈｉｅｎ　ｅｄｓｉｇｎ．　；　

》　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｈｅａｖｙ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；Ｔ３２０　ｌｆｏｏｒ　ｂｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｉｌｌｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｃｏｎ－｛　

■　●＇　ｒ●要●　．１、ｈ　●　　■１　●　１　■●１ｈ　＇、兰：ｈ　●　，　翼　！●　■，●　■１：　　■　１ｈ　＇、ｈ　●　！■…一………　…一…一………一…．，●　，ｔ　■　●　，■　，■　，■　，●　－１ｎ　●１ｈ■●１ｈ■●１ｎ■●１ｈ　＇、　●　一——一——一——　●１Ｐ　●１ｈ　●１ｈ　＇　●１　●１　■●１　●　、　●１ｈ　■、　，●　■，－　

中图分类号：ＴＨ１６，０３１６文献标识码：Ａ　

１引言　３　Ｔ３２０数显落地镗床工作状况分析　

重装设备向大型化及巨型化方向发展，急需大型、超重型落Ｔ３２０数显落地镗床，在大多数情况下，是加工大型铸钢件、　

地铣镗床来解决特大型焊接件、筒形锻件和特大型轧机的粗加　金属结构件、锻件等箱型零件上的平面及孔系，加工时的最大切　

工，Ｔ３２０数显普通落地镗就是在这种背景下研制。若购买一台同　削力在１２０００Ｎ以上，动力头自重２５００ｋｇ，工作进给速度要求能　

规格的机床需要２０００万元以上，因为是粗加工，采用高价的新设　在（２０—１５００）ｍｍ／ｍｉｎ内进行调速，在快进和快退的速度均为６ｍ／　

备就很不经济，也没必要，只有寻求另外的途径来解决这个问题，　ｍｉｎ，动力头的导轨形式为平导轨，以此作为设计的主要依据．　

通过市场调研与可行性分析，其中的主轴箱是通过购买俄罗斯二　４机床立柱结构分析与设计　

手机床获得，其余是自主开发完成的，Ｔ３２Ｏ数显普通落地镗的研　机床立柱自身重量为８０ｔ

，

是整机的重要部件。传统的立柱　

制牵涉到许多方面的问题，尽管有外购的主轴箱，也要进行必要　通常采用铸件结构

，

耗费大量的金属材料，还需要制模、浇铸等复　

的改造，重点对ｒＩ’３２０数显普通落镗地的立柱结构、动平衡分析与　杂的工艺过程

，

生产周期长、成本很高ｍ。经过理论分析和数值模　

溜板箱结构进行应力分析与设计。　拟

、

实验研究等方法充分论证，决定将机床立柱设计成封闭式截　

２理论与实验相结合并以实验研究为主　面的焊接结构件并在结构件内注入防震填料，改变了传统的铸件　

Ｉ３２０数显落地镗床研制工作采取以实验研究为主，并进行　结构设计　，属于国内首创。因立柱结构的创新，显著地减少了机　

理论分析、数值模拟、现场实际测量和实验研究相结合的技术路　床立柱的金属材料消耗量，同比节省金属材料５５％，缩短了产生　

线。主要根据Ｔ３２０数显落地镗床主轴箱，先进行实测，对国内外　周期，降低了生产成本。机床立柱结构，如图１所示。其中，立柱的　

先进技术进行优化集成。设计出主轴传动系统、进给主轴、电气与　封闭式截面示意图，如图１（ａ）所示。实际设计的结构图，如图１　

液压控制系统等主要部件的图纸；制定机床立柱、床身、平衡装　（ｂ）所示。利用ＡＮＳＹＳ有限元分析其受力情况，如图１（ｃ）所示。　

置、溜板箱等部件的制造工艺。　现场安装情况，如图２所示。　

★来稿日期：２０１１－０７—１７★基金项目：四川省创新基金项目（ＪＹＣＸ２０１００００１４）　

２１８　杨顺田等：Ｔ３２０落地镗溜板箱结构应力分析与设计　第５期　

机床导轨面要完全贴合，保证导轨的导向作用及运动的平稳性『１】，　

采用如图３所示的结构，在溜板箱与机床导轨面之间采用塑料软　

２　

—　

带过度，经试验，溜板箱运动平稳，低速无爬行，高速振运很小。　

４　

１　

（ｂ）　（ｃ）　

图１机床立柱结构　

１．立柱２．结构件３．填料４．主轴箱　

图３溜板箱与机床导轨面结构设计示意图　

１．溜板箱２．塑料软带３．导向调整板４．床身导轨　

６＿２机床溜板箱液压系统设计控制方式确定　

首先，确定Ｔ３２０数显落地镗床的工作方式为循环方式，绘　

制运动部件的速度循环图，然后计算各个阶段的负载，液压缸所　

受负载Ｆ包括三种方面＿１．５１，即：　研　（１）　

动部件　

式中：　一工作负载，对于３００ｔ的重切削金属机床来说，即为沿　

活塞运动方向的切削力，其中　为１２０００Ｎ；　

速度变化的惯性负载；种轨摩擦阻力负载，启动时为静　

止摩擦阻力，启动后为动摩擦阻力，对于平导轨，　可由下　

式求得：　＿厂（Ｇ＋如）；Ｇ—运动部件重力；　＿垂直于导轨　

的工作负载　，一导轨摩擦系数，在设计中，静摩擦系数取　

图２机床立柱结构的安装　

Ｏ．２，动摩擦系数取０．１。则求得：　

．

５主轴动平衡轴承热平衡系统的创新设计　

５．１主轴动平衡　

Ｔ３２０数显落地镗床，设计主轴转速为（２０．－－１５００）ｒｐｍ，主轴组件　

转动时产生的变形，不可避免会因材质不均匀、形状不对称、运转不　

２　２００００Ｎ－－４０００Ｎ，　＝０．１　２００００Ｎ＝２０００Ｎ　（２）　

式中；居—静摩擦阻力；盱一动摩擦阻力。Ｆ￣Ｃ／ｇ・Ａｖ／Ａｔ　

△　—△ｔ时间内的速度变化量；Ａｔ取０．０４　

Ｆ￣＝２００００＂４．５／９．８＊０．０４＊６０＝５　１０２Ｎ　

（３）　

式中：ｇ—重力加速度；△卜－力口速或减速时间，一般Ａｔ－Ｏ．０１＿０．５ｓ；　

平衡，导致机床装配误差，从而导致重心偏离旋转中心，使机床产生　

振动和振动力，引起机床噪声、轴承发热等，不平衡会加剧机床的振　

根据匕述计算结果，　，如图４所示。　

２　３　４　５　６　７　８　９　ｌ０　Ｉ１ｌ２１３ｌ４】５ｌ６ｌ７ｌ８ｌ９２０　２１　２２２３２４２５２６２７２８２９３０　

动，　。￣７：０１Ｙｇ：：ｔ：，为了简化计算，将机床　

处理。将机床主轴看作绝对　

刚体，目假定工作时，不平衡离心力作用下的转轴不会发生显著变　

形。在这些条件下，机床主轴的许多复杂不平衡状态均可简化为力系　

不平衡来处理。机床主轴平衡多为低速动平衡，—般选用第一临界转　

速的１　以下，其平衡程度等级参考ＪＩＳＢＯ９０５—１９９２标准，并应根据　

Ｔ３２０数显落地镗床具体状况决定。不平衡引起的振动、力、噪声等现　

场试验或实验室试验，确定平衡程度，通过计算求得作用到轴承上的　

不平衡力，当达到轴承的允许限度时，从而确定不平衡程度。　

５＿２主轴轴承热平衡补偿　

采用温度补偿系统，实现主轴轴承热平衡，Ｔ３２０数显落地　

镗床主轴轴承环境温度的变化和室内各部分的温差，将使主轴轴　

承产生热变形，因此，在加工或测量零件时，应控制室温的变化。　

一

般安装在恒温车间，以保持其温度的恒定。但是在很多情况下，　

图４机床液压控制系统图　

很难做到恒温，通过设计温度补偿系统来保证轴承热系统平衡。　

６．３溜板箱结构应力分析与设计　

经过计算，溜板箱与立柱和轨道的接触情况、溜板箱的等效　

应力及最大压应力分布情况。其中溜板箱与立柱和轨道的接触情　

况，如图５所示。图中黄色区域为接触区。从图中可见，溜板箱与　

６机床溜板箱的设计　

６．１溜板箱与机床导轨面结构设计　

溜板箱是作为一个传动中介，实现机床自动走刀，溜板箱与　

轨道的立柱接触状态良好。　

Ｎｏ．５　

Ｍａｖ．２０１２　机械设计与制造　

蜗杆总转动陨量折算到电机轴上的惯量：　

１０７．４６￣（１／１２１）２＝－０．００７３４（ｋｇｆｃｍｓ　）　

２１９　

行星减速器输人轴惯量　Ｏ．０３２（ｋｇｆｃｍｓ　）　

机械总惯量：Ｊ，－ｏ．００７３４＋０．０３２＝０．０３９３３　

电机惯量：Ｊｍ－０．１２８ｊ／ｋｇｍ　

１　１　｝　．０３９３３／０．１２８－－０　３０７＞１／４　

图５溜板箱接触状态云图　

所以惯量匹配：总惯量：ｊ－－ｏ．１６７３３（ｋｇｆｃｍｓ　）　

溜板箱等效应力分布情况，如图６所示。　

“　

７．３扭矩匹配与优化　

电机转矩ＭＬ＝９５４９Ｎ／ｎ＝９５４９ｘ５．５／１４８０＝－３５．４８（Ｎｍ）　

估算蜗杆减速机效率：＊／＝８４．３％　

计算蜗杆减速机总效率：ｒ／＝６７％　

行星减速机效率：７／＝９０％　

总负载扭矩折算到电机轴扭矩　

图６溜板箱等效应力分布图　

Ｍ

￣Ｍｙｉｆ－４０９９１／２４２０＝１６．９３８（Ｎｍ）　

．

从以上结果来看，溜板箱应力１７８ＭＰａ，小于材料ＨＴ２５０的　

强度极限２５０ＭＰａ。说明溜板箱的强度是足够的。　

考虑效率：Ｍｆｅ＝１６．９３８／０．９ｘ０．６７＝２８．１０（Ｎｍ）　

扭矩安全系数：ａ＝ＭｄＭｆｅ＝３５．４８／２８．１＝１．２６（倍）　

加速时间：　ｌｅｌ９．６Ｍ＝０．１６７３３ｘ１４８０／９．６ｘ１３３＝１．４６Ｓ　

加速度口＝０．６／１．４６Ｘ６０＝－０．００６８ｍ／ｓ　

６．４　Ｔ３２０数显落地镗床滑板机构创新设计　

设计条件：　

初选移动电机型号：ｚ　１　１２／４—１；ｎ　＝１４８０ｒｐｍ，ｊ－ｏ．１２８Ｊ／ｋｇｍ　；　

加速扭矩：　

Ｍ￣＝１　８００００ＯＯｘＯ．００６８ｘ０．９ｘ０．６７ｘ０．３０８６９／２＝１　１４７Ｎｍ　

滑板移动速度：机床大滑板进给速度Ｖ＝（６－５７３）ｍｍ／ｍｉｎ；快移速度　

Ｖ＝（８３０￣２１００）ｍｍ／ｍｉｎ。初选移动行星减速器型号：ＢＷＥＹ３３２２—　

快速空载启动所需力矩：　

１１Ｘ１１－－４Ｂ３５；ｑ￣ｌ转速：　（５—１２０）ｒｐｍ，功率Ｎ＝９５ｋＷ；主轴箱体重　

３１．４ｔ、立柱８０ｔ、配重３３ｔ、大滑板２Ｚ３ｔ、按增加１∞　计算移动部份重　

量Ｗ＝１８０ｔ；蜗轮减速机传动比ｉ＝２０，末级齿轮Ｚ＝１９，Ｍ＝１６，ｌｆ＝ｌ０ｏ。　

Ｍ＝Ｍａ＋Ｍｆ＝（１　１４７＋３８１　１７）／２４２０ｘ０．９ｘ０．６７＝２６．９３（Ｎｍ）　

最大切削负载时所需力矩：Ｍ＝Ｍｓ＝２８．１０（Ｎｍ）　

由于在负载极限状态下有１．２６倍余量，所以转矩足够。　

参数计算：主切削力Ｒ。主轴计算转速．＂ｎｊ￣－ｎｍｉｎ（ｎ　）　＝５×　

８结论　

３００ｔ以上的特大型零件的粗加工，需要有足够的动力与空　（１２０／５）０４５＝２５．７ｒｐｍ。主轴计算扭距：ＭＩ－－９５５０Ｎ／ｎ￣－９５５０ｘ５Ｑｔ２５．７＝　

１８５８０Ｎｍ；采用西３１５刀盘全功率主切削力；Ｆｃ＝２ＭｆｆＤ＝１８５８０ｘ２／　间的Ｔ３２０这样的大型机床，其立柱是主要受力构件，主轴的热平　

０．３１５＝１　１７９６８Ｎ＝１　１．８ｔ；作用在　轴方向最大轴向力：　－－２７．Ｉｔ。负载　

衡系统、惯量参数匹配与主轴溜板箱结构等核心问题的解决，宣　

力矩Ｍｆ：Ｍｆ＝ＦｘｘＤＩ２＝２７．１ｘ３０８。６９ｘ９．８／２－－４０９９１（Ｎｍ）。　

告Ｔ３２０数显普通落地镗研制成功，填补了重型、特大型机械零部　

天的长期运行，完全达到设计要求，有效解决了困扰企业多年的　

明，Ｔ３２０数显落地镗床研制是正确的、成功的。社会意义巨大！　

经过机床空载运行、负荷试车一次成功。再经过十多　

７　Ｔ３２０数显落地镗床主要参数匹配与优化　

件加工的空白，

７．１转速匹配　

直流电机：ｎｅ＝１４８０ｒｐｍ，ｎｍ＝１８００ｒｐｍ；滑板移动速度　一。　

Ｖ，￣＝ｎｇｒｄ／ｉ＝１４８０ｘ３．１４ｘ３０８．６９／（１２１ｘ２０）＝５９２．７ｍｍ／ｍｉｎ　

＝２０×３．１４ｘ３０８．６９／（１２１ｘ２０）＝８ｍｍ／ｍｉｎ　

大型零件的加工问题。并直接服务于重型装备制造基地，实践证　

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２ＯＯ５（７）．　

当电机调速至：ｎ　１０ｒｐｍ时，Ｖ￣＝４ｍｍ／ｍｉｎ。　

所以在电机恒扭矩工况下，能满足滑板移动要求。　

７．２惯量参数匹配与优化　

移动件重量折算到齿轮轴上的惯量：　

Ｊ￣＝ＷＲ２／ｇ＝１８０ｘ１０００ｘ（３０．５／２）２／９８０＝４２７１５．５６（ｋｇｆｅｍｓ　）　

［５］周世昌．液压系统没汁图集［Ｍ］．北京：机械了业出版社，２００３（３）．　

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版），１９７９．　

蜗轮愤量＝１４．７（ｋｇｆｃｍｓｚ）　

齿轮轴转动　￣Ｉ＝１３．９４（ｋｇｆｃｍｓ２）　

齿轮轴总转动惯量：　

Ｊ￣－－４２７１５．５６＋１４．７＋１３．９４－－４２７４４．２（ｋｇｆｅｍｓ　）　

齿轮轴总转动惯量折算到蜗杆上的惯量：　

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；，齿×（１／／）￣＿．４２７１　１．２ｘ（１／２０）２－＝１０６．８６（ｋｇｆｃｍｓ　）　

蜗杆惯量－－０．６（ｋｇｆｃｍｓｚ）　

蜗杆总惯量＝１０７．４６（ｋｇｆｃｍｓ２）　

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（１）：５４—５７．