当前,大多数国产动梁龙门机床主轴输出扭矩低,移动组件刚性差,切削效率低、成本高。还有部分机床主轴扭矩较大,但工作转速低,无法完成高精度加工。为满足工件高效高精度加工需求,校企合作开发新型大扭矩龙门机床主轴与动横梁系统。采用有限元分析与试验研究相结合的方法,设计大扭矩主轴系统并分析主轴与动横梁系统力学特性与热特性,实现高效高精加工。(1)设计标准主轴+中间碳纤维联轴器+过渡轴结构的主轴系统,使其最大输出扭矩达到1700Nm。应用有限元法分析主轴刚度、强度,结果满足重载切削要求。并对主轴进行双面动平衡校验,最终校正面最大剩余不平衡量为63.7g·mm,符合ISO 1940-2-1997 G1级精度标准。(2)采用有限元法并结合相关试验研究,分析主轴系统温度场并建立热误差补偿模型。首先通过试验获得各测温点在不同工况下的温度随时间变化曲线图,当主轴转速达到4000rpm时,测温点最高温度为43.0℃,75min左右达到热平衡。接着由稳态热分析得到应用循环油冷却系统后且主轴转速达到4000rpm时,前轴承外圈温度较未应用冷却系统时下降15.1℃。随后由瞬态热分析得到各测温点在不同工况下的温度随时间变化仿真与试验对比图,发现两者最大误差小于5%,证明理论分析结论是准确的。最后通过热—结构耦合分析得到不同工况下主轴热变形量,并建立热误差补偿模型。(3)采用有限元分析与试验相结合的方法,对动横梁系统倾斜误差与在重力作用下的变形误差进行分析与补偿。首先设计一套动横梁同步平衡调控系统对倾斜误差进行分区补偿,并通过试验获取各调平区间对应补偿值。接着采用有限元法得到滑枕沿机床Y轴运行时,滑枕、加长铣头沿X、Z轴的位移误差值,经多项式拟合后得到误差补偿模型。并通过试验证明经误差补偿后动横梁系统完全满足高精度生产要求。(4)采用能量法求解动横梁系统固有频率。接着对其进行模态分析,得到前八阶固有频率与振型,判定其正常工作时不会发生共振现象。通过谐响应分析得到动横梁导轨处沿X、z轴的最大振幅为97.5μm、95.2μm;对应频率为140Hz、160Hz。并对其取不同阻尼比值作进一步分析,为提高其动态性能作理论准备。最后设计调谐质量阻尼器(TMD)以抑制其振动,研究发现TMD使动横梁导轨处沿X、Z轴的最大振幅分别降低63.9%、64.0%,对应频率为220Hz、250Hz,当主轴转速提高至8000rpm,也不会发生共振,表明TMD减振效果显著。(5)进行主轴系统切削负荷试验,金属切除率达到1320cm3/min,试验证明主轴系统设计满足大扭矩高效切削要求。接着进行主轴系统热误差补偿效果试验,分别在未加载、加载热误差补偿系统时对试件选定平面进行高精度铣削,对比两者的切削精度,判定热补偿系统对控制主轴热误差起到了显著效果。设计新型大扭矩主轴系统,对主轴系统热误差与动横梁系统变形误差进行补偿,设计TMD装置改善机床动态性能,提高机床刚度与精度,实现了大扭矩、高效、高精度切削目标。研究结果对国内同类机床研发、扩大机床应用范围、提高工件切削效率与精度等具有重要意义。