引言
動(dòng)柱式型材加工中心是一種工作臺(tái)固定,xyz 三個(gè)直線伺服驅(qū)動(dòng)軸疊軸移動(dòng)、移動(dòng)速度較快的長(zhǎng)條狀加工中心,國(guó)內(nèi)動(dòng)柱式型材加工中心大多仿制中國(guó)臺(tái)灣或歐美的機(jī)型,采用焊接床身或仿焊接床身的鑄件,這種設(shè)計(jì)適用于用于鋁合金門(mén)窗、建筑玻璃幕墻等等對(duì)精度和剛度要求不高的輕切削場(chǎng)合。隨著注塑機(jī)械手的手臂、滑臺(tái)模組的底座、激光機(jī)的橫梁等等有精度或剛度要求的長(zhǎng)條工件加工需求增加,越來(lái)越多的用戶希望用動(dòng)柱式型材加工中心加工方案替代高成本的龍門(mén)加工中心加工[1-2]。對(duì)于有直線導(dǎo)軌安裝基準(zhǔn)需要加工、大平面需要銑削的大塊鋁件或是鋼件,怎樣的動(dòng)柱式型材加工中心才能滿足到加工要求,是困擾用戶的問(wèn)題。要真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)柱式型材加工中心替代龍門(mén)加工中心、并滿足剛度、精度和精度壽命等方面的要求,在國(guó)內(nèi)鋼材供貨條件下,不能簡(jiǎn)單模仿國(guó)外焊接機(jī)型,需要利用國(guó)內(nèi)鑄件供應(yīng)優(yōu)勢(shì),自主研發(fā)設(shè)計(jì)。
本文自主設(shè)計(jì)的一款動(dòng)柱式型材加工中心,適用于厚鋁件或是鋼件銑面、鉆孔和攻牙,可滿足直線導(dǎo)軌安裝面、大基準(zhǔn)平面的精密加工要求。本文設(shè)計(jì)定位為中切高效的精密型材加工中心,為此設(shè)計(jì)時(shí)避開(kāi)了市面上供應(yīng)的國(guó)產(chǎn)鋼材普遍雜質(zhì)含量高、焊接及熱處理后床身殘余應(yīng)力釋放時(shí)變形大的問(wèn)題,利用國(guó)內(nèi)技術(shù)日漸成熟的鑄造技術(shù),采用優(yōu)質(zhì)鑄鐵床身底座、鞍座、立柱和主軸座,利用鑄件容易復(fù)雜成型的特點(diǎn),利用有限元分析方法優(yōu)化設(shè)計(jì)了床身、鞍座等主要支撐件的結(jié)構(gòu),并通過(guò)直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠、齒輪齒條、主軸和主軸電機(jī)等等的選型和安裝工藝改善,提高了機(jī)床剛性、精度和精度壽命。
1“中切”的概念提出
為方便客戶購(gòu)買(mǎi)機(jī)床時(shí)選型,本文將銑削類(lèi)機(jī)床劃分為輕切削機(jī)床、中切削(簡(jiǎn)稱(chēng)“中切”) 機(jī)床和重切削銑床三大類(lèi)。三類(lèi)機(jī)床特征對(duì)比如表1 (備注:主軸輸出大扭矩依據(jù)伺服日本fanuc 主軸電機(jī)15 分鐘連續(xù)切削允許的大扭矩計(jì)算)。
2 動(dòng)柱式型材加工中心的主要支撐結(jié)構(gòu)
動(dòng)柱式型材加工中心主要支撐機(jī)構(gòu)包括床身底座、床身底座上通過(guò)x 軸導(dǎo)軌支撐的鞍座、鞍座上通過(guò)y 軸導(dǎo)軌支撐的立柱、立柱上通過(guò)z 軸導(dǎo)軌支撐的主軸座等部分組成。如圖1 所示。
圖1 動(dòng)柱式型材加工中心結(jié)構(gòu)
2 床身底座的設(shè)計(jì)改進(jìn)
傳統(tǒng)動(dòng)柱式型材加工中心采用焊接床身底座,如圖2所示,焊接床身x 軸導(dǎo)軌安裝面由板型懸升梁支撐,由于國(guó)產(chǎn)鋼材雜質(zhì)含量較多且不均勻,床身底座殘余應(yīng)力釋放時(shí),易引起不確定的變形,從而導(dǎo)致安裝在其上面的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副一組多個(gè)滑塊安裝應(yīng)力增加,降低壽命。
圖2 傳統(tǒng)動(dòng)柱型材機(jī)的焊接床身底座
大部分鑄件床身簡(jiǎn)單參考焊接結(jié)構(gòu)床身的結(jié)構(gòu)制造, 也存在上述問(wèn)題。
本文自主設(shè)計(jì)的一款鑄件床身底座,除了通過(guò)二次加工時(shí)效降低殘余應(yīng)力,還將床身底座橫截面設(shè)計(jì)成了橋拱型的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),床身面設(shè)計(jì)為均勻?qū)ΨQ(chēng)傾斜的封閉面(已經(jīng)獲得*、號(hào)zl2015 2 0956186.8),如圖3。
圖3 自主研發(fā)設(shè)計(jì)的全鑄件床身底座
這樣,床身應(yīng)力釋放時(shí),床身長(zhǎng)度方向彎曲、扭曲變形很小,直線導(dǎo)軌貼近床身底座面安裝,大幅度降低了床身底座殘余應(yīng)力釋放對(duì)直線導(dǎo)軌安裝精度的影響。
2 鞍座有限元分析和優(yōu)化
采用ansys 軟件,對(duì)鞍座等進(jìn)行有限元分析[3-7],材料特性為ht300 鑄鐵,鞍座受力為底面,x 軸滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的滑塊作為簡(jiǎn)支梁支撐,立柱、主軸座及刀庫(kù)的重量在 y 軸方向變動(dòng)時(shí),鞍座的變形對(duì)機(jī)床精度影響較大。
因此,固定x 軸滑塊安裝面,在y 軸滑塊處施力合計(jì)為1 350 kg,當(dāng)y 軸滑塊分別在鞍座前端、中間和后端移動(dòng)時(shí),在ansys 軟件中求解計(jì)算鞍座的變形量,以及y 軸滑塊在不同位置的變形差值。圖4 為傳統(tǒng)薄型鞍座有限元分析圖,鞍座按較厚的200 mm分析。
圖4 立柱在薄型鞍座尾部時(shí),鞍座局部大位移26 μm
通過(guò)分析,確定尾部是危險(xiǎn)處,經(jīng)過(guò)計(jì)算,薄型鞍座受力變形超過(guò)26 μm 。
本文對(duì)鞍座進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。
(1) 尾部變大變形原因分析。一是自身剛性大小影響
變形的大小。二是立柱運(yùn)行到懸臂的尾部時(shí)容易形成翻轉(zhuǎn)力矩。
(1) 改善方案一,加強(qiáng)尾部支撐剛性。將圖4 所分析的傳統(tǒng)薄型鞍座尾部加厚。圖5 為本文2016 款尾部加厚鞍座有限元分析圖。
圖5 立柱在鞍座尾部,鞍座局部大位移10.9 μm
采用尾部加厚鞍座后,受力時(shí)大變形量已經(jīng)降低了60%。在立柱沿著鞍座前后移動(dòng)時(shí)的不同位置受力變形量的差值也減小了58%。
圖6 改善方案二示意圖
改善方案二, 支承后移,降低尾部翻轉(zhuǎn)力矩的影響。改變支承位置, 如圖 6 所示。在結(jié)構(gòu)不變的情況下, 減少變形的*。
結(jié)合2018 款鞍座方案一和方案二改進(jìn)結(jié)果, 尾部的變形降低到只有0.008 mm,在立柱沿著鞍座前后移動(dòng)時(shí)的不同位置受力變形量差值進(jìn)一步減小到0.003 mm,降幅達(dá)到75%。有限元分析如圖7。
圖7 2018 款鞍座有限元分析
4 主軸與主軸電機(jī)的設(shè)計(jì)選型
(1) 主軸與主軸電機(jī)連接方式確定。由于本文設(shè)計(jì)為中切削機(jī)床,主軸轉(zhuǎn)速都在12 000 r/min 以下,因此主軸與主軸電機(jī)設(shè)計(jì)采用皮帶式連接方式。皮帶式連接的優(yōu)點(diǎn):①相比直連式,主軸可以借助皮帶減速可以實(shí)現(xiàn)主軸 電機(jī)1.5 倍的扭矩;②連接可靠;③主軸電機(jī)自重施加到支撐點(diǎn)的懸臂彎矩更小、z 軸移動(dòng)響應(yīng)更優(yōu)。
(2) 主軸輸出扭矩的確定。
根據(jù) pc= (ap×ae×vf×kc) / (60 000 000× り), mc=pc× 30 000/ (∏×n),式中:pc是切削功率,ap是切削深度,ae 是切削寬度,vf 是每分鐘進(jìn)給速度,kc 是切削力系數(shù), η 是效率系數(shù), mc 是切削扭矩, n 是刀具轉(zhuǎn)速。以配置fanuc 數(shù)控系統(tǒng)的型材加工中心為例,可參考表2 確定中切機(jī)床的主軸電機(jī)功率和主軸直徑、輸出扭矩/轉(zhuǎn)速(按大輸出扭矩)。
5 直線導(dǎo)軌副的選型[8-9]
傳統(tǒng)中切型材加工中心選擇的是35 規(guī)格的滾珠式直線導(dǎo)軌副,本文選擇35 規(guī)格的滾柱式直線導(dǎo)軌副。
以采用德國(guó)力士樂(lè)35 標(biāo)準(zhǔn)滑塊直線導(dǎo)軌副為例,依據(jù)直線導(dǎo)軌副的額定壽命l (m) =(c/f)10/3×105 (其中,c= 導(dǎo)軌副額定動(dòng)載荷,f=導(dǎo)軌副所受當(dāng)量載荷,壽命和剛度對(duì)比如下:
(1) 滾珠式直線導(dǎo)軌副c (滾珠) =41900n, 滾柱式直線導(dǎo)軌副 c (滾柱) =56300n, 因此, l( 滾柱)/l (滾珠) = (56300/41900) 10/3≈2.5(倍) (備注,各品牌直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)不同,額定動(dòng)載荷有差別)
(2) 假設(shè)f=10 000 n 的受力,根據(jù)德國(guó)力士樂(lè)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū),35 標(biāo)準(zhǔn)滑塊直線導(dǎo)軌副在0.08c 預(yù)緊力下的剛度曲線圖,35 標(biāo)準(zhǔn)滾珠直線導(dǎo)軌副的撓度≈0.018~0.20 mm,
35 標(biāo)準(zhǔn)滾柱滾柱滑塊的撓度≈0.004~0.006 mm,滾柱式剛性是滾珠式的3 倍以上。
圖8 xvb600-8500cnc動(dòng)柱式型材加工中心
6 各軸驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)
型材加工中心的y、z 軸一般采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng),傳統(tǒng)的型材加工中心x 軸一般采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)方式。本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)方式在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式基礎(chǔ)上,通過(guò)提高驅(qū)動(dòng)元件的精度,來(lái)提升機(jī)床的精度壽命。表3 列舉了改進(jìn)前后的性能或參數(shù)對(duì)比。
7 其他保障機(jī)床精度壽命的措施
本文全部采用全自動(dòng)的稀油潤(rùn)滑,保障機(jī)床導(dǎo)軌絲杠的潤(rùn)滑狀態(tài)良好、導(dǎo)軌安裝面采用刮研配合工藝,提高直線導(dǎo)軌副的接觸剛度、降低直線導(dǎo)軌副組合的裝配應(yīng)力。圖 8 為銀特銀數(shù)控機(jī)床有限公司產(chǎn)品, 2018 款
xvb600-8500cnc,主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。
8 結(jié)論
本文對(duì)加工中心改進(jìn)后,床身、鞍座、支撐導(dǎo)軌的剛度都得到了提高、主軸高扭矩可增加50%,驅(qū)動(dòng)精度得到提升、直線導(dǎo)軌理論壽命得到提升,這些措施都有助于提高機(jī)床的精度壽命。
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