摘要：
【目的】針對(duì)螺桿加工專用銑床存在自動(dòng)化程度低、功能集成度不高、生產(chǎn)工藝周期長(zhǎng)、機(jī)床結(jié)構(gòu)形式陳舊、機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差等不足。
【方法】課題組以數(shù)控銑床系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的研究為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)目標(biāo)和各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，研究與加工工藝相適應(yīng)的功能機(jī)構(gòu)布局，設(shè)計(jì)機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案，重點(diǎn)研究上下料機(jī)構(gòu)、旋銑系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、床身的設(shè)計(jì)。
【結(jié)果】設(shè)計(jì)出具有性能優(yōu)良、功能完備的高端電機(jī)軸螺桿旋銑設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸螺桿的自動(dòng)加工，降低企業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。
【結(jié)論】該數(shù)控銑床整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定緊湊，占地面積小，集成度高。
關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床；機(jī)械結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；螺桿加工
0、 引言
近年來(lái)，我國(guó)電機(jī)軸螺桿旋銑設(shè)備的各項(xiàng)性能有了明顯提升，但與國(guó)外高端旋銑設(shè)備相比，仍處于低水平重復(fù)狀態(tài)，具體表現(xiàn)如下：1）設(shè)備集成化程度低?，F(xiàn)有機(jī)床功能結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足最優(yōu)的生產(chǎn)工藝策略，工件流轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，占地面積大。2）機(jī)床結(jié)構(gòu)陳舊?，F(xiàn)有電機(jī)軸螺桿旋風(fēng)銑床多以平床身為主，較國(guó)外斜導(dǎo)軌型、階梯型導(dǎo)軌機(jī)床切削剛性弱，且裸露的導(dǎo)軌表面易因大量的切屑沖擊而發(fā)生磨損和熱變形。3）旋風(fēng)銑頭穩(wěn)定性不足。
國(guó)內(nèi)旋風(fēng)銑頭動(dòng)力布置多為后置型，帶型為聯(lián)組窄V 帶，傳動(dòng)效率較低，易發(fā)生扭振，且動(dòng)力后置使刀軸前后端軸承受力不均，后軸承磨損加劇，穩(wěn)定性欠佳。銑頭的刀軸較長(zhǎng)，內(nèi)孔多為直柱面，嚴(yán)重制約了螺桿螺旋升角的加工范圍。為防屑防液，銑頭多為密封形，工作時(shí)軸承摩擦溫升易引發(fā)刀軸熱變形。影響旋銑設(shè)備性能優(yōu)劣的原因有許多，除材料性能、制造工藝、安裝技術(shù)等影響因素外，機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)也是重要因素之一。為研制結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全可靠的旋銑設(shè)備，研究人員從旋銑成型機(jī)理著手，探究了工藝路徑、切削參數(shù)、刀具數(shù)量、刀具材料、工件屬性等因素對(duì)切屑形貌、切屑分布、成型精度、裝備加工效能的影響，構(gòu)建了時(shí)變切削力模型、時(shí)變熱源模型，優(yōu)化了刀具數(shù)量和布局方式，為旋銑系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析、裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化、裝備性能提升提供了重要的技術(shù)支持 。
旋銑系統(tǒng)的熱特性和動(dòng)靜態(tài)性能是旋銑系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的重點(diǎn)。Son等從螺桿旋風(fēng)銑關(guān)鍵執(zhí)行部件熱特性、動(dòng)靜態(tài)特性等多方面對(duì)旋銑頭的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估 。研究結(jié)果表明：銑頭軸承的摩擦溫升是旋銑部件熱變形和振動(dòng)的主要影響因素，是旋風(fēng)銑床設(shè)計(jì)制造的重要研究?jī)?nèi)容之一。此外，研究人員還分別針對(duì)螺桿旋風(fēng)銑床和葉輪旋風(fēng)銑床的床身和銑頭進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)性能分析，并完成了模態(tài)試驗(yàn)，為數(shù)控旋銑設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。譚立新研究了多軸旋銑裝置不同轉(zhuǎn)速下工件的變形與振動(dòng)誤差，提出了控制轉(zhuǎn)速修調(diào)振動(dòng)誤差值的方法。張春建等對(duì)大型螺紋旋風(fēng)銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)和銑削工件系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，提出以多點(diǎn)支撐和硅油減震器抑制旋銑系統(tǒng)振動(dòng)。尹輝俊等針對(duì)旋風(fēng)銑床加工大型錨具外螺紋時(shí)的振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試分析，采取增厚銑頭基座的方法降低振動(dòng)。雖然研究人員在旋銑機(jī)理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了深入研究，但上述研究對(duì)象主要集中在絲杠、螺紋、螺桿、大模數(shù)螺桿、葉輪等方面，針對(duì)電機(jī)軸螺桿旋銑裝備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)鮮有報(bào)道。因此，需在已有研究基礎(chǔ)上制定電機(jī)軸螺桿的全自動(dòng)加工工藝方案，合理規(guī)劃?rùn)C(jī)床結(jié)構(gòu)布局，開展電機(jī)軸螺桿零件的銑削機(jī)理研究，明確刀具數(shù)量和布局方式，并在此基礎(chǔ)上利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法合理構(gòu)建與加工工藝方案相匹配的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化并完善。
綜上所述，本文以數(shù)控銑床系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的研究為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)目標(biāo)和各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，研究與加工工藝相適應(yīng)的功能機(jī)構(gòu)布局，設(shè)計(jì)機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案，重點(diǎn)研究上下料機(jī)構(gòu)、旋銑系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、床身的設(shè)計(jì)。綜合提高工藝系統(tǒng)剛度，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿加工系統(tǒng)的減振、抑振，保證零件的加工精度。
1、設(shè)計(jì)方法
1.1 上下料機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析
根據(jù)送料機(jī)構(gòu)末端毛坯的形狀、重量和位置，綜合考慮機(jī)床主軸與工件液壓筒夾的尺寸參數(shù)，明確送料機(jī)構(gòu)安裝位置及行程范圍。設(shè)計(jì)與毛坯外形相適應(yīng)的夾緊機(jī)構(gòu)，計(jì)算所需夾緊力大小并匹配相關(guān)力源機(jī)構(gòu)。針對(duì)送料機(jī)構(gòu)的功能目標(biāo)（夾持毛坯并直線送入工件夾持機(jī)構(gòu)）、傳動(dòng)效率和執(zhí)行速度，合理選擇運(yùn)動(dòng)副類型，明確構(gòu)件參數(shù)。根據(jù)負(fù)載大小，計(jì)算并確定送料機(jī)構(gòu)的原動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)參數(shù)。分析成型零件的形狀、重量、工位情況以及旋風(fēng)銑頭的布局和行程范圍等影響因素，研究并確定回料機(jī)構(gòu)的功能（收料、物料夾持、落料）。擬采用疊加式機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)法，解析各功能機(jī)構(gòu)，明確運(yùn)動(dòng)副類型、數(shù)量和性能參數(shù)，完成構(gòu)件尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足功能需求。針對(duì)機(jī)構(gòu)執(zhí)行速度、額定負(fù)載、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等技術(shù)參數(shù)，確定動(dòng)力類型，計(jì)算并選擇合適的原動(dòng)機(jī)規(guī)格。以多體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，仿真分析回料機(jī)構(gòu)的執(zhí)行速度、受力狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)干涉等情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
1.2 旋風(fēng)銑床傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析
為滿足集成型旋風(fēng)銑床的工藝流程，實(shí)現(xiàn)緊湊型一體化制造單元的構(gòu)建，綜合考慮機(jī)床調(diào)速范圍、傳動(dòng)效率、傳動(dòng)精度、傳動(dòng)穩(wěn)定性、服役壽命等功能需求，擬針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。依據(jù)集成型旋銑機(jī)床的執(zhí)行功能和技術(shù)要求，提出各傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，優(yōu)化選取各傳動(dòng)系統(tǒng)的配置方式。1）工件主軸傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由旋銑加工負(fù)載特性、轉(zhuǎn)速變化范圍、傳動(dòng)裝置效率等條件，計(jì)算工件主軸電機(jī)的輸出功率并選型。在滿足零件加工范圍、不削弱剛度的條件下，根據(jù)電機(jī)輸出功率和主軸設(shè)計(jì)原則，初步確定主軸的懸伸量、支承跨距大小以及孔徑尺寸。研究系統(tǒng)所受載荷分布特征，合理選擇軸承類型并進(jìn)行軸承壽命校核。根據(jù)傳動(dòng)配置方式，傳動(dòng)比值要求，查閱相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)，確定各類工況系數(shù)，綜合考慮安裝空間限制，合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)部件尺寸并完成校核。利用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)主軸傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析，主要研究主軸的強(qiáng)度、剛度、振型和主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的規(guī)律變化，優(yōu)化主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。2）軸向和徑向傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)旋風(fēng)銑床加工精度、加工行程、進(jìn)給速度、負(fù)載大小等技術(shù)要求，確定滾珠絲杠副的工作參數(shù)，初步計(jì)算確定絲杠導(dǎo)程、精度、額定動(dòng)載荷，估算最大允許軸向變形量、螺紋底徑，確定滾珠絲杠副規(guī)格代號(hào)，并進(jìn)行各項(xiàng)性能校核。計(jì)算分析絲杠總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、絲杠總負(fù)載轉(zhuǎn)矩、空載加減速轉(zhuǎn)矩等，合理選擇電機(jī)型號(hào)并校核。根據(jù)系統(tǒng)的最大負(fù)載力和絲杠預(yù)拉伸軸向力總和的大小來(lái)確定軸承副的最大軸向載荷，基于該值進(jìn)一步計(jì)算軸承副的預(yù)緊力大小、軸承副的額定動(dòng)載荷、軸承的當(dāng)量載荷等基本信息，確定軸承型號(hào)并校核。根據(jù)滾動(dòng)導(dǎo)軌的選用準(zhǔn)則以及導(dǎo)軌副的實(shí)際工作情況，確定軌寬、軌長(zhǎng)、滑塊類型、精度等級(jí)、組合高度類型、預(yù)壓等級(jí)等。分別對(duì)軸向和徑向傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1.3 基于靈敏度分析的床身優(yōu)化設(shè)計(jì)
床身是旋風(fēng)銑床最重要的支撐元件，其結(jié)構(gòu)的合理性和性能好壞將直接影響機(jī)床的加工精度和裝備的制造成本。從布局形式、載荷分布、剛性、整體穩(wěn)定性等方面對(duì)現(xiàn)有旋風(fēng)銑床的床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，項(xiàng)目擬采用減振抑振效果較好的局部瓦楞型筋板及肋骨強(qiáng)化的高剛性階梯型床身結(jié)構(gòu)。基于其實(shí)際工況進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析，綜合考慮各階模態(tài)重要程度，初定設(shè)計(jì)變量的尺寸變化范圍，采用 Box?Behnken 試驗(yàn)法和靈敏度分析確定各設(shè)計(jì)變量對(duì)輸出參數(shù)（質(zhì)量、位移、固有頻率）的影響程度，選出靈敏度較高的設(shè)計(jì)參數(shù)，建立響應(yīng)曲面模型。以質(zhì)量最小、位移最小、固有頻率最高為目標(biāo)函數(shù)，采用篩選法進(jìn)行多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化，獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。機(jī)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析圖如圖1示。
圖1 床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析圖
2、結(jié)語(yǔ)
課題組提出了螺桿專用的數(shù)控銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論及其配套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)集成型旋銑機(jī)床全自動(dòng)加工的決定因素，其設(shè)計(jì)的合理性將直接影響旋銑裝備的加工性能、生產(chǎn)效率和加工精度，是解決現(xiàn)有電機(jī)軸螺桿旋銑設(shè) 備生產(chǎn)工藝周期長(zhǎng)、加工穩(wěn)定性差、集成度低等問(wèn)題的關(guān)鍵。課題組開發(fā)了一種新的連續(xù)送料自動(dòng)加工工藝，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了與工藝策略高度匹配的關(guān)鍵功能結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸螺桿的全自動(dòng)化加工，有望縮短工藝生產(chǎn)周期，提升生產(chǎn)效率，且整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定緊湊、占地面積小、集成度高。
來(lái)源：
作者：陳聰1 ，王貽誠(chéng)3 ，鄭雪飛1 ，邵思程2 ，陳建新1 ，王勝2 ，朱勤1
（1. 浙江赫科智能裝備有限公司2. 衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 3. 衢州賦騰科技有限公司）
