立式升降台铣床(机床大讲堂第160讲——基于结构优化组合技术的铣床设计)

立式升降台铣床

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基于结构优化组合技术的铣床设计
导读　　 以XL5030立式升降台铣床的设计为例，研究设计和改进提高铣床整体性能结构的关键技术，说明面向产品性能指标的组合设计及结构优化技术在机床设计中的重要应用。
现阶段机床工具行业面临机遇和挑战的双重考验，市场竞争 “倒逼机制”的无形压力也是推动技术进步、产业升级的强大动力。质量是产品的生命，产品质量不仅仅是制造出来的，更是由设计决定的。而面向产品性能指标的组合设计及结构优化技术越来越多地应用于机床设计。

加工中小型零件的平面、斜面、沟槽及孔的需求为铣床制造厂家技术产品革新提出了更高的要求。原始的X52K立式升降台铣床因操作复杂，体态笨重，价格高，相对会造成能耗过大，浪费电力资源，增加生产成本；并且市面上有地方特色铣床又过于简易，不能满足市场需求；特别是针对模具、汽车、摩托车、仪器仪表等行业批量大的加工市场，对于开发一种工作效率高、使用方便的中型铣床的需求更为迫切。本文以滕州市喜力机床有限责任公司采用组合设计及结构优化技术成功开发的XL5030立式升降台铣床为例阐述设计技术的应用。

1 项目设计技术研发路线
任何产品的设计都需要考虑很多因素，其中铣床设计主要考虑的因素是加工工件大小、重量以及形状。XL5030在结构、工艺、性能、检测等已有模块化平台的基础上，建立产品和零部件的设计标准及接口体系，通过结构优化和组合技术设计而成的特定多功能铣床。

所设计的具有集中传动装置的立式升降台铣床机床结构大致分为机械系统和电气系统两部分，配备机床防护装置等辅助装置。XL5030设计研发技术路线如图1所示。

2 铣床关键技术的设计
2.1 机床零部件设计
根据机床的总体结构方案，考虑到产品的系列化，主要部件采用模块化设计。机床主轴单元、进给系统等零部件和机床整机结构利用虚拟技术，通过有限元建模、仿真等方法进行有效设计。 

2.2 主传动系统设计
主传动系统是铣床传动系统的核心环节。现阶段市面上有地方特色的铣床，主轴转速低，大部分主传动通过齿轮变速，使主轴得到12级45~1 300 r/min范围内不同转速，调速范围窄。因主轴是固定不变的，只有通过操控工作台的移动来加工物件，因主轴的轴向不能实现轴向进给，所以铣床的加工范围小，加工调整不方便，效率低。

图2所示为XL5030立式升降台铣床主传动系统，经优化设计采用3 kW主电动机4通过弹性联轴器3与传动Ⅰ轴相连，通过定比传动（1:2）结构及一个三联滑移齿轮20和两个两联滑移齿轮10、19组成的3×2×2传动结构，使主轴获得35~1 500 r/min范围内的12级转速，其调速范围宽，既适合低速重载粗加工又能实现高速精加工。对整个铣床的主传动系统来说，采用主电动机4与传动Ⅰ轴特制弹性联轴器联接的设计，降低了两者同轴度要求，也减少了装配难度，同时也减轻了铣床在启动和停止时所引起的冲击和振动现象。

主轴16由于通过花键和花键套15连接，这种结构设计可使主轴在花键套内上下移动，从而实现主轴轴向移动，并且主轴铣头可以回转±45°，更是扩大了机床的加工范围。

2.3 主传动箱内的润滑设计
更多铣床主传动箱内的润滑是通过甩油盘来实行飞溅润滑，有时齿轮、轴承润滑不充分，造成齿轮磨损快，轴承也易烧坏。XL5030立式升降台铣床的主传动系统则将摆线泵6安装在传动Ⅰ轴5的一端，借助传动Ⅰ轴5的动力将传动箱内油池的润滑油经油路送至齿轮、轴承各润滑点，确保了各齿轮、轴承润滑充分，延长了系统的使用寿命

2.4 带有集中传动装置的进给传
动系统设计

XL5030立式升降台铣床的进给传动系统由一台10 kW伺服电动机提供动力源，通过一组同步带、同步带轮及一对圆柱齿轮实现1:3降速增扭。图3为带有集中传动装置的XL5030进给传动结构示意图，采用由机架、纵向传动机构、横向传动机构、与机架上下移动连接的升降机构组成的工作台集中传动机构，工作台纵向、横向、升降转化靠一个单滑移齿轮与纵向、横向、升降轴上的齿轮啮合状态来实现。单滑移齿轮通过一个手柄集中操纵，实现上述3个方向手动、机动进给位置状态。同时将工作台纵向、横向及升降快速按钮专门提取出来放在按钮站上，更方便操作。

对整个XL5030立式升降台铣床来说，进给传动系统使用一台伺服电动机作为动力源为纵向、横向、升降提供动力，实现了3个进给方向无级调速，从而简化了铣床工作台集中传动机构的结构，成本也会大大降低。

3 结 语
通过结构优化和组合技术设计而成的XL5030型立式升降台多功能铣床，加大了主轴的调速范围（由45~1 300 r/min增加到35~1 500 r/min），实现了主轴的轴向移动，改善了传动箱的润滑，改进的进给装置使单个手柄即可实现集中操纵，极大地提高了工作效率，降低了成本。该铣床产品的广泛应用已得到市场的充分认可。

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