立式加工中心的設(shè)計(jì)和應(yīng)用
2010-05-12 13:48:40
隨著國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，制造業(yè)向著高、精、尖方向發(fā)展，特別是汽車、船舶、紡織、電子技術(shù)、航空航天的迅猛發(fā)展，對(duì)機(jī)床的精度和生產(chǎn)率要求也越來越高，急需一大批加工精度為“µ”級(jí)、主軸轉(zhuǎn)速12,000r/min以上、快移速度大于40m/min的高效高精機(jī)床。為了適應(yīng)國內(nèi)市場的需要，滿足用戶對(duì)高速、高精及強(qiáng)力切削的需求，北京機(jī)床研究所研制了新一代精密立式加工中心µ1000系列。
全新結(jié)構(gòu)和高性能的立式加工中心µ1000系列基型產(chǎn)品是在分析國內(nèi)外立式加工中心主流產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)，結(jié)合中國市場需求，同時(shí)按照高速、高精、高品質(zhì)、高穩(wěn)定性的技術(shù)發(fā)展方向和高性能價(jià)格比的目標(biāo)進(jìn)行開發(fā)的。
設(shè)計(jì)原則
新一代立式加工中心的設(shè)計(jì)原則如下：
在速度和精度方面達(dá)到國際同類型同規(guī)格產(chǎn)品的先進(jìn)水平，同時(shí)兼顧強(qiáng)力切削，滿足用戶一機(jī)多用的目的；
高剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證機(jī)床設(shè)計(jì)壽命長；
產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本，形成不同配置的系列產(chǎn)品；
高精度設(shè)計(jì)，滿足µ級(jí)加工精度的需要；
高效率設(shè)計(jì)，滿足現(xiàn)代高生產(chǎn)率的要求；
注重環(huán)保。
主要技術(shù)參數(shù)確定
根據(jù)市場調(diào)研確定作為標(biāo)準(zhǔn)配置。µ1000系列的工作臺(tái)面尺寸為500mm×1200mm；坐標(biāo)行程X、Y、Z分別為1000mm、560mm、550mm；主軸功率18.5/22KW，主軸轉(zhuǎn)速15,000r/min，BT40刀柄；換刀時(shí)間(刀到刀)1.5s，最大刀具重量7kg，刀庫容量24把；快速移動(dòng)速度X、Y、Z分別為48m/min、48m/min、36m/min；全閉環(huán)情況下定位精度≤0.008mm，重復(fù)定位精度≤0.004mm(執(zhí)行GB/T8771.4標(biāo)準(zhǔn))。
作為系列產(chǎn)品和選用配置，五軸聯(lián)動(dòng)控制時(shí)配兩軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，工作臺(tái)面尺寸為Ø500mm，坐標(biāo)行程X、Y、Z分別為500mm、500mm、415mm(五軸時(shí))；主軸轉(zhuǎn)速12,000r/min、20,000 r/min任選，刀柄可選擇HSKA63。
設(shè)計(jì)過程
機(jī)床設(shè)計(jì)從常用的功能設(shè)計(jì)進(jìn)一步發(fā)展為機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)、精度設(shè)計(jì)、高速化設(shè)計(jì)、誤差補(bǔ)償技術(shù)、壽命設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)等現(xiàn)代先進(jìn)機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)精密機(jī)床設(shè)計(jì)要求，在機(jī)床設(shè)計(jì)中對(duì)各方面進(jìn)行了綜合考慮。
為保證機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)基礎(chǔ)件、傳動(dòng)系統(tǒng)、主軸及整機(jī)都進(jìn)行了有限元分析，找出設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)加以改進(jìn)，對(duì)機(jī)床整體性能優(yōu)化和高剛性設(shè)計(jì)起到很好的指導(dǎo)作用。
在設(shè)計(jì)開發(fā)過程的初期，初步設(shè)計(jì)了外形尺寸和工作區(qū)范圍相同而結(jié)構(gòu)不同的四套方案，即：定梁頂置滑枕式、定立柱十字工作臺(tái)式、橫梁滑座式和定立柱三坐標(biāo)單元式四種結(jié)構(gòu)。通過有限元?jiǎng)偠确治龊图庸ふ`差分析，得出方案1(即定梁頂置滑枕式)的剛度是最大的，且誤差分配也比較合理，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中選擇了方案1。
按方案1的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了機(jī)床整機(jī)和部件的設(shè)計(jì)，并且根據(jù)設(shè)計(jì)圖對(duì)機(jī)床整機(jī)和部件進(jìn)行了有限元分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)改進(jìn)，避免薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn)。結(jié)論如下：與同類的立式加工中心相比，這臺(tái)機(jī)床在各個(gè)方向的剛度都具有較大的優(yōu)勢(shì)，綜合當(dāng)量剛度約提高40%至兩倍以上，并且三個(gè)方向的剛度值較均勻(見表1)。
表1 與類似規(guī)格加工中心的剛度計(jì)算值比較
機(jī)床名稱 X向剛度
Kx(N/µm) Y向剛度
Ky(N/µm) Z向剛度
Kz(N/µm) 三向綜合當(dāng)量剛度
K(N/µm)
其它類似加工中心 A 46.6 46.8 53.7 48.7
B 32.3 50.0 95.9 45.2
C 20.4 37.2 59.1 29.7
D 32.3 65.1 118.2 48.7
E 31.2 34.2 39.7 34.5
µ1000 59.7 64.9 92.9 68.7
由計(jì)算結(jié)果可知，機(jī)床整機(jī)的整體性能優(yōu)良，機(jī)床靜態(tài)剛度顯著提高，可以滿足高速、高精、高效的要求。
這種布局結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：床身、立柱分體，且主要構(gòu)件均呈箱形結(jié)構(gòu)，加工中不易變形，加工工藝性好；結(jié)合面較大，基礎(chǔ)穩(wěn)固，主軸懸伸小，整體結(jié)構(gòu)剛度高；左右完全對(duì)稱式設(shè)計(jì)，主軸X向熱平衡較好；Y向懸伸小，熱變形影響??；X、Y、Z軸移動(dòng)部件輕，加速性好；構(gòu)件結(jié)構(gòu)穩(wěn)固易于保證導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度，精度穩(wěn)定性好。
為保證機(jī)床的精度穩(wěn)定，床身、立柱、滑座、主軸箱等都采用有限元分析，應(yīng)用高阻尼性能的優(yōu)質(zhì)鑄鐵制造；合理的截面設(shè)計(jì)和筋格布置，盡量避免行程中出現(xiàn)不合理的懸臂狀態(tài)；導(dǎo)軌采用高剛性滾柱導(dǎo)軌，安裝基面精密刮研。
µ1000系列機(jī)床打破通常機(jī)床結(jié)構(gòu)形式，床身采用三點(diǎn)支撐，高剛性設(shè)計(jì)，使機(jī)床調(diào)整簡單，不依賴于地基，機(jī)床可不需特殊地基而直接安裝在水泥地坪上。床身用基于無彎矩的力流原理的特殊筋板設(shè)計(jì)，保證其上構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過程中，負(fù)載重心和切削點(diǎn)始終不離開三點(diǎn)支撐的范圍<
