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摘 要：机床作为制造机器的机器，是基础的基础。温家宝总理在视察大连机床集团时曾说过：“数控机床的水平是一个国家机械化、现代化的重要标志，代表着一个国家的科学水平、创新能力和综合能力。高速度、高精度、复合化、柔性化、智能化、绿色制造将成为未来机床行业发展的主要方向。高速、高精和绿色制造要求机床支承件具有质量小而刚度高的特点，而零部件的轻量化结构设计是实现这一要求的重要途径。
关键词：卧式车床；支承件；滚珠丝杠
1 机床的主要结构及支承件的评价标准
1.1床身
床身采用整体铸造而成，采用“山-平”导轨结构，并设有辅助导轨以充分保证机床的稳定性。在滑动导轨面处采用贴防爬行导轨板等工艺措施，避免了低速爬行现象的发生。
1.2床鞍与滑板
床鞍采用整体铸造而成，滑板、刀架放置在床鞍上。滑板与刀架在床鞍上移动采用燕尾式滑动导轨，在X轴方向移动是由伺服电机通过弹性联轴器与滚珠丝杠直联驱动的，丝杠采用特殊结构达到高精度和传动准确的要求。
1.3主轴箱
主轴箱采取对称结构，使热变形均匀，避免主轴中心产生偏移；采取主轴按轴承内环配磨，箱体孔按轴承外环配镗，对主轴轴承进行了预紧等措施来提高主轴的精度及增强刚性。
1.4.尾座
采用手动尾座，套筒的伸缩由手轮来操纵，摇动手轮，顶尖套筒便可以移动出来。尾座的移动是由床鞍拖动来实现的，拖动装置是靠插销来连接起床鞍和尾座的。
1.5刀架
本车床采用立式四工位电动刀架SLD-170A。手动装卡刀具，电机驱动高精度大直径齿盘分度定位，刚性好，可靠性高，重复定位精度高达±0.003mm。允许最大主切削力矩3200Nm，最大吃刀力矩1120Nm，适合于重切削。刀架每转一工位所用时间为6秒。
机床结构示意图如图1.1所示。其中（1）为床身（2）为电机（3）为尾台（4）为床鞍滑板（5）为溜板箱（6）为中心架（7）为主轴箱。
1.6液压及润滑系统
本机床液压系统选用了定量泵，液压控制元件均选用国内外知名厂家的产品，液压油箱放置在床身侧面，由防护与外界隔离。各个换挡液压回路均采用叠加阀安装方式，结构紧凑，安装方便。该液压系统各执行油缸的压力可分别调整并有压力保护装置。两进给轴采用集中定量润滑系统。
1.7冷却及排屑系统
机床采用接屑盘接屑，冷却箱与主机分离（冷却水箱安装在地沟中），保证机床精度免受切削热的影响。冷却采用刀架内冷却、外冷却两种方式，在车削过程中，刀具和工件都得到充分冷却，保证工件的加工精度，提高刀具的使用寿命。
1.8电气系统
（1）机床电气系统
机床电气设计符合GB 5226.1-2008电气标准。电路的动力回路，均有过流、短路保护，机床相关动作都有相应的互锁，以保障设备和人身安全。电气系统具有自诊断功能，操作及维修人员可根据指示灯及显示器等随时观察到机床各部分的运行状态。主要电气元件选用进口产品，其它电气件选用中外合作的产品，从而确保机床的安全性、可靠性。
（2）电箱
采用封闭式电箱，电箱采用空调器进行散热，确保电气设备的正常工作。电箱采用槽板布线结构，元件布置及布线合理、整齐、美观，便于维修。电箱内配有内部照明、调试用插座。电箱内预留一定空间以便于扩展功能。
（3）机床操纵控制箱
采用吊挂式或台式操纵控制箱。配备悬挂式手持脉冲发生器，方便于机床的设置与操作。
（4）安全保护
机床具有报警装置及紧急停止按钮，可防止各种突发故障给机床造成损坏。由于软件的合理设计，报警可通过显示器显示文字及报警号。机床根据不同情况将报警的处理方式分为三类：对紧急报警实行“急停”；对一般报警实行“进给保持”；对操作错误只进行“提示”。
1.9支承件的性能评价标准
支承件的结构设计和优化的性能评价标准如下：
（1）静刚度：支承件在静载荷抵抗变形的能力；（2）刚质比：即刚度与质量的比值；（3）固有频率：机床支承件和整机的固有频率应尽量避开机床的激振频率。（4）质量：支承件轻量化设计的重点就是减重。
2 卧式车床结构件的载荷与约束分析
2.1 载荷分析
各种载荷最终将通过支承件结合面传递并分配到各个支承件上。机床支承件所受载荷主要有切削力、重力和支承件相对运动时产生的摩擦力。床身受到切削力，滑板、床鞍、主轴箱和尾座部件重力和结合面摩擦力；滑板、床鞍受切削力，刀塔或滑板-刀塔部件重力和结合面摩擦力；主轴箱、尾座受到切削力，主轴或套筒部件重力。
2.2 约束分析
通过分析得到床身的约束形式为螺栓，滑板和床鞍的约束形式为滑动导轨，主轴箱和尾座的约束形式为螺栓以及滑动导轨。螺栓连接结合面可完全约束支承件的6个自由度；滑动导轨连接结合面约束除滑动方向移动自由度外的其他5个自由度。
3 两轴丝杠结构分析
3.1 两轴结构及拉伸方法
优先选择对丝杠进行预拉伸的方法来解决由于高速旋转会造成温度上升，从而引起丝杠的热变形，导致机床的定位精度和重复定位精度的误差加大的问题，即在机床装配时对丝杠轴向给予预拉力，使丝杠被拉长，而被拉伸后的丝杠在温度再有变化时，只是内应力起变化，而螺距精度保持不变，另外，丝杠被拉伸后，刚度还可增加。
为了增加丝杠的刚度，丝杠的两端都采用相同的固定安装形式。丝杠支承轴承为角接触球轴承背对背形式，轴承间隙为C0。丝杠装配时，先把丝杠上的各个零件装好，锁紧两端螺母，然后轴承座固定好并打定位销定位。丝杠预拉伸方法：把任一端的轴承拆下，取出零件①，根据需要把此件厚度磨去一定量，再重新装配好，锁紧螺母，并消除丝杠与轴承之间的间隙，使丝杠产生一定量的拉伸变形。
3.2丝杠拉伸量的确定
除通过实际测量热变形量来决定拉伸量以外可用以下方法确定拉伸量：
通过末端的锁紧螺母的最大锁紧力矩推算预拉伸量。丝杠拉伸是由螺母拉动丝杠形成的，而螺母最大力矩受到限制，如果超过这一最大力矩，可造成螺纹变形过大，拆卸困难，严重者可破坏螺纹。
丝杠所受到拉力应为：
式中P0为丝杠所受到的拉力；TM为螺母力矩；λ和ρ分别为螺纹升角和摩擦角；d0为螺纹有效直径，可用公称直径代替即d0≈d；S为螺距；f为摩擦系数；A为丝杠底径面积；E为弹性模量；△L为丝杠热变形量（预拉伸量）。
3.3调整垫磨削量的确定
机床丝杠的拉伸是通过磨削调整垫的厚度，使丝杠与轴承间有一间隙，再通过锁紧螺母、拉长丝杠并消除间隙。
△T为调整垫的磨削量β为滚珠轴承的接触角；Z为滚动体数目；db为滚动体直径；b为轴承轴向变形。
结论
本文针对机床主要结构部件进行了分析得出其载荷和约束为其优化设计奠定了基础，采用文中方法计算得出的丝杠预拉伸量简单方便并实践中极大的提高了机床整机的刚性及精度，受到用户的广泛好评。■
参考文献
[1] 王立平. 关于国产数控机床发展的几点思考[J]. 航空制造技术，2010，4： 012.
[2] 宋冬冬，芮执元，刘军，赵东平. 机床床身结构优化的轻量化技术[J].机械制造，2002，50（573）： 65-68.
关键词：卧式车床；支承件；滚珠丝杠
1 机床的主要结构及支承件的评价标准
1.1床身
床身采用整体铸造而成，采用“山-平”导轨结构，并设有辅助导轨以充分保证机床的稳定性。在滑动导轨面处采用贴防爬行导轨板等工艺措施，避免了低速爬行现象的发生。
1.2床鞍与滑板
床鞍采用整体铸造而成，滑板、刀架放置在床鞍上。滑板与刀架在床鞍上移动采用燕尾式滑动导轨，在X轴方向移动是由伺服电机通过弹性联轴器与滚珠丝杠直联驱动的，丝杠采用特殊结构达到高精度和传动准确的要求。
1.3主轴箱
主轴箱采取对称结构，使热变形均匀，避免主轴中心产生偏移；采取主轴按轴承内环配磨，箱体孔按轴承外环配镗，对主轴轴承进行了预紧等措施来提高主轴的精度及增强刚性。
1.4.尾座
采用手动尾座，套筒的伸缩由手轮来操纵，摇动手轮，顶尖套筒便可以移动出来。尾座的移动是由床鞍拖动来实现的，拖动装置是靠插销来连接起床鞍和尾座的。
1.5刀架
本车床采用立式四工位电动刀架SLD-170A。手动装卡刀具，电机驱动高精度大直径齿盘分度定位，刚性好，可靠性高，重复定位精度高达±0.003mm。允许最大主切削力矩3200Nm，最大吃刀力矩1120Nm，适合于重切削。刀架每转一工位所用时间为6秒。
机床结构示意图如图1.1所示。其中（1）为床身（2）为电机（3）为尾台（4）为床鞍滑板（5）为溜板箱（6）为中心架（7）为主轴箱。
1.6液压及润滑系统
本机床液压系统选用了定量泵，液压控制元件均选用国内外知名厂家的产品，液压油箱放置在床身侧面，由防护与外界隔离。各个换挡液压回路均采用叠加阀安装方式，结构紧凑，安装方便。该液压系统各执行油缸的压力可分别调整并有压力保护装置。两进给轴采用集中定量润滑系统。
1.7冷却及排屑系统
机床采用接屑盘接屑，冷却箱与主机分离（冷却水箱安装在地沟中），保证机床精度免受切削热的影响。冷却采用刀架内冷却、外冷却两种方式，在车削过程中，刀具和工件都得到充分冷却，保证工件的加工精度，提高刀具的使用寿命。
1.8电气系统
（1）机床电气系统
机床电气设计符合GB 5226.1-2008电气标准。电路的动力回路，均有过流、短路保护，机床相关动作都有相应的互锁，以保障设备和人身安全。电气系统具有自诊断功能，操作及维修人员可根据指示灯及显示器等随时观察到机床各部分的运行状态。主要电气元件选用进口产品，其它电气件选用中外合作的产品，从而确保机床的安全性、可靠性。
（2）电箱
采用封闭式电箱，电箱采用空调器进行散热，确保电气设备的正常工作。电箱采用槽板布线结构，元件布置及布线合理、整齐、美观，便于维修。电箱内配有内部照明、调试用插座。电箱内预留一定空间以便于扩展功能。
（3）机床操纵控制箱
采用吊挂式或台式操纵控制箱。配备悬挂式手持脉冲发生器，方便于机床的设置与操作。
（4）安全保护
机床具有报警装置及紧急停止按钮，可防止各种突发故障给机床造成损坏。由于软件的合理设计，报警可通过显示器显示文字及报警号。机床根据不同情况将报警的处理方式分为三类：对紧急报警实行“急停”；对一般报警实行“进给保持”；对操作错误只进行“提示”。
1.9支承件的性能评价标准
支承件的结构设计和优化的性能评价标准如下：
（1）静刚度：支承件在静载荷抵抗变形的能力；（2）刚质比：即刚度与质量的比值；（3）固有频率：机床支承件和整机的固有频率应尽量避开机床的激振频率。（4）质量：支承件轻量化设计的重点就是减重。
2 卧式车床结构件的载荷与约束分析
2.1 载荷分析
各种载荷最终将通过支承件结合面传递并分配到各个支承件上。机床支承件所受载荷主要有切削力、重力和支承件相对运动时产生的摩擦力。床身受到切削力，滑板、床鞍、主轴箱和尾座部件重力和结合面摩擦力；滑板、床鞍受切削力，刀塔或滑板-刀塔部件重力和结合面摩擦力；主轴箱、尾座受到切削力，主轴或套筒部件重力。
2.2 约束分析
通过分析得到床身的约束形式为螺栓，滑板和床鞍的约束形式为滑动导轨，主轴箱和尾座的约束形式为螺栓以及滑动导轨。螺栓连接结合面可完全约束支承件的6个自由度；滑动导轨连接结合面约束除滑动方向移动自由度外的其他5个自由度。
3 两轴丝杠结构分析
3.1 两轴结构及拉伸方法
优先选择对丝杠进行预拉伸的方法来解决由于高速旋转会造成温度上升，从而引起丝杠的热变形，导致机床的定位精度和重复定位精度的误差加大的问题，即在机床装配时对丝杠轴向给予预拉力，使丝杠被拉长，而被拉伸后的丝杠在温度再有变化时，只是内应力起变化，而螺距精度保持不变，另外，丝杠被拉伸后，刚度还可增加。
为了增加丝杠的刚度，丝杠的两端都采用相同的固定安装形式。丝杠支承轴承为角接触球轴承背对背形式，轴承间隙为C0。丝杠装配时，先把丝杠上的各个零件装好，锁紧两端螺母，然后轴承座固定好并打定位销定位。丝杠预拉伸方法：把任一端的轴承拆下，取出零件①，根据需要把此件厚度磨去一定量，再重新装配好，锁紧螺母，并消除丝杠与轴承之间的间隙，使丝杠产生一定量的拉伸变形。
3.2丝杠拉伸量的确定
除通过实际测量热变形量来决定拉伸量以外可用以下方法确定拉伸量：
通过末端的锁紧螺母的最大锁紧力矩推算预拉伸量。丝杠拉伸是由螺母拉动丝杠形成的，而螺母最大力矩受到限制，如果超过这一最大力矩，可造成螺纹变形过大，拆卸困难，严重者可破坏螺纹。
丝杠所受到拉力应为：
式中P0为丝杠所受到的拉力；TM为螺母力矩；λ和ρ分别为螺纹升角和摩擦角；d0为螺纹有效直径，可用公称直径代替即d0≈d；S为螺距；f为摩擦系数；A为丝杠底径面积；E为弹性模量；△L为丝杠热变形量（预拉伸量）。
3.3调整垫磨削量的确定
机床丝杠的拉伸是通过磨削调整垫的厚度，使丝杠与轴承间有一间隙，再通过锁紧螺母、拉长丝杠并消除间隙。
△T为调整垫的磨削量β为滚珠轴承的接触角；Z为滚动体数目；db为滚动体直径；b为轴承轴向变形。
结论
本文针对机床主要结构部件进行了分析得出其载荷和约束为其优化设计奠定了基础，采用文中方法计算得出的丝杠预拉伸量简单方便并实践中极大的提高了机床整机的刚性及精度，受到用户的广泛好评。■
参考文献
[1] 王立平. 关于国产数控机床发展的几点思考[J]. 航空制造技术，2010，4： 012.
[2] 宋冬冬，芮执元，刘军，赵东平. 机床床身结构优化的轻量化技术[J].机械制造，2002，50（573）： 65-68.