1. 傳統結構加工中心機床現狀
目前數控機床行業共知的加工中心機床主體結構有2種:C型結構和龍門結構。C型結構是主軸在立柱上做上下運動,Y軸的加工范圍大小與主軸在立柱上的懸臂長度有關,而懸臂長度影響機床加工剛度,所以在加工要求下,Y軸的加工范圍都小;龍門結構都是方方正正的一個橫梁二個立柱“門”形結構,這種結構應用在機床上比C型(一個立柱)剛性好,Y軸加工范圍基本只受絲杠傳動的限制。上述2種結構機床因C型結構只有一個立柱,制造、裝配、檢驗相當龍門結構(2個立柱1個橫梁共3個部件)簡單,所以C型結構加工中心國際國內加工中心生產中應用最多,產量最大。上述2種結構機床幾十年基本沒有變化,也沒有中國的知識產權。在國家發展大飛機戰略、為國民經濟發展提供保證的前提下,有必要研制開發我國自己的獨有結構數控機床。,所以本文提出一種新的機床結構——弧形龍門結構。

2. 弧形基本結構和工作原理
弧形或圓形龍門是將“門”形龍門結構的橫梁、立柱設計成一體的弧形或圓形,產生一種新的龍門機床結構,如圖1所示。
它最大特點:橫梁就是立柱,立柱就是橫梁。將“門”形龍門結構3個部件(橫梁、2個立柱)設計為1個部件,在制造、裝配工藝上容易控制和保證精度;主軸滑枕軌道設計在弧形龍門上,使主軸在橫梁上直線運動變成弧線運動,減小了主軸在加工工件時與立柱的長度,提高了機床及加工剛性。

3. 弧形龍門基本結構的優、缺點
優點:加工中與C型結構、門型龍門結構相比,在加工工件側面時,始終將主軸受力方向垂直于主軸,切削的反向力矩直接作用在弧形龍門機構上,同時,加工至工件安裝面時滑枕懸臂短,能實現高剛性重切削加工運動,而C型結構、門型龍門結構三軸機床在加工工件側面及接近工件安裝面時,主軸力矩與切削力矩成方向不重合,影響加工速度及精度,圖3圖4所示;在曲面加工時,三軸聯動就能任何方向始終將刀具頂點垂直與工件表面,減少數控系統對刀具半徑補償的運算,剛性也相應提高,如圖2所示。而C型結構、門型龍門結構三軸機床在曲面加工時,刀具頂點不能在任何方向垂直于工件表面,數控系統不實時對刀具進行半徑補償,就不能解決加工過切問題,加工出的工件將是報廢。主軸相對滑枕作B向回轉運功,不需要多角銑頭或角度銑頭就可實現多個面加工。
制造、裝配工藝與C型結構、門型龍門結構相比,弧形龍門結構只有一個部件(除機床底座、工作臺),與C型結構一樣具有方便的加工、裝配工藝性;比門型龍門結構少了2個部件,加工工作量減少2/3,加工精度更能保證,裝配工作量也減少2/3,極大提高機床生產速度、裝配精度。
缺點:弧形龍門結構機床必須是4軸聯動才能加工方形及異形曲面。傳動必須有別于現有的絲杠傳動方式,因為弧形絲杠難加工,采用直線電機能解決傳動問題。數控系統也必須弧形運動進行實時弧形運算控制。

4. 結  語
弧形龍門結構是一種全新的機床結構,它兼顧門型龍門結構的高剛性、C型結構的制造安裝調試的方便性。但要實際應用需要數控系統、傳動等多個功能部件技術的配合,也需要加工工藝的創新來實現。研制、開發這種結構將使機床行業發生新的、革命性變化,能將中國的機床制造技術推向行業制高點。■

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