一種高速臥式加工中心的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

李永強(qiáng)

（1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院,蘭州 730050）

一種高速臥式加工中心的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

李永強(qiáng)

（1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院,蘭州 730050）

高速加工中心高速、高效、高精、復(fù)合化的發(fā)展趨勢對機(jī)床的設(shè)計理論、方法和技術(shù)手段等層面都提出了新的要求，本文以高速臥式加工中心傳動系統(tǒng)設(shè)計過程中高速電主軸技術(shù)和高速進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計為主要對象，在系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析。

高速臥式加工中心；結(jié)構(gòu)設(shè)計；研究分析

0 前言

目前高速切削技術(shù)被認(rèn)為是實現(xiàn)高生產(chǎn)率和高精度的關(guān)鍵制造技術(shù)之一。而作為提供高速加工中心技術(shù)的主體目前運(yùn)用于汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、模具制造業(yè)、精密加工、薄壁易變形零件、難加工的復(fù)合及合金材料等領(lǐng)域已開始廣泛應(yīng)用。

1 高速切削與高速加工中心概述

高速切削以高切削速度、高進(jìn)給速度和高加工精度為主要特征。高速加工技術(shù)作為近年來迅速發(fā)展的一項高新技術(shù)，因其可以大幅度提高機(jī)床的加工效率、降低加工成本、提高零件的加工表面質(zhì)量和加工精度—即提高生產(chǎn)率。

實現(xiàn)加工的高速性能最主要是對高速切削機(jī)床的研究和開發(fā)。實現(xiàn)高速加工中心高速、高效、高精、復(fù)合化的發(fā)展趨勢對機(jī)床的設(shè)計理論、方法和技術(shù)手段等層面都提出了新的要求。

從世界上的加工中心目前的發(fā)展趨勢來看，主要向著高速、精密的方向發(fā)展。以德國 DMG 公司生產(chǎn)的高速立式加工中心為例，該加工中心的主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)42000r/min，快速移動速度可達(dá)到90m/min，體現(xiàn)了國際一流加工中心的水平。與世界上的發(fā)達(dá)國家的數(shù)控加工技術(shù)中心技術(shù)研究相比，我國還處于較為落后的階段，有著較大的發(fā)展空間。目前國內(nèi)加工中心機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速在6000r/min 到 16000r/min 的范圍內(nèi)，快速移動的速度在 30m/min 到 40m/min 的范圍內(nèi)。綜上所述國內(nèi)與國外相比高速加工中心還存在著技術(shù)、產(chǎn)品性能上的落后，有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論及技術(shù)研究還有缺乏之處。

2 高速臥式加工中心的結(jié)構(gòu)布局分析

對機(jī)床的形式進(jìn)行選擇，對機(jī)床的機(jī)構(gòu)布置主要是對機(jī)床安排在各個的部件所在位置，并合理分配運(yùn)動。機(jī)床機(jī)構(gòu)的好壞對機(jī)床的工藝方案實現(xiàn)有著重要影響，零件和部件也是在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行設(shè)計，在整體機(jī)床的設(shè)計中影響較大。

臥式加工中心的主要運(yùn)動包括三個移動軸（X、Y、Z）和一個回轉(zhuǎn)軸（B軸），在四個運(yùn)動軸的分配上，四個相對運(yùn)動有三種分配方式，一是分配給道具，二是分配給工件，三是道具和工件相互協(xié)作工作。從機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀來看，一個回轉(zhuǎn)軸一般都由工作臺的回轉(zhuǎn)來完成（B軸），所以做好機(jī)床的布局分配重點是在三個移動軸上。

3 高速臥式加工中心傳動系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)技術(shù)研究分析

3.1 高速電主軸技術(shù)

機(jī)床主軸工作主要是負(fù)責(zé)傳遞并承受動力和切削工作，機(jī)床整體的工作性能、工作精密度以及工作效率與機(jī)床主軸有著重要的聯(lián)系。高速臥式加工中心的主軸的轉(zhuǎn)速通常情況下要達(dá)到10000r/min以上，銑削的速度要達(dá)到40000～50000r/min。目前看來，這些速度仍有上升的趨勢。所以要想提升臥式加工中心的速度，高速主軸是設(shè)計中重要的一個環(huán)節(jié)。

在國際上通常采用的高速、高效、高性能的數(shù)控機(jī)床主要是電主軸單元，見下圖。電主軸單元在多工件復(fù)合加工機(jī)床、并聯(lián)機(jī)床、多軸聯(lián)動多面體加工機(jī)床以及柔性加工單元中，有著不可比擬的優(yōu)勢體現(xiàn)。

電主軸它是通過內(nèi)裝電機(jī)進(jìn)行直接的驅(qū)動工作，由電機(jī)組件、測角系統(tǒng)、外殼、軸承等部分組成，與此同時還有冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)配備而成。

主軸的轉(zhuǎn)速特征值一般可以用來衡量主軸轉(zhuǎn)速特性，它的計算公式為：轉(zhuǎn)速特征值=軸徑×轉(zhuǎn)速。

目前的滾珠軸承運(yùn)轉(zhuǎn)速度可以達(dá)到1×，磁浮軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度可以達(dá)到4×。軸徑為30mm的最高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度可以達(dá)到30000r/min～13000r/min。

軸承的零件好壞能夠直接影響到主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。在國外對軸承以及抽成的分布預(yù)防都已經(jīng)進(jìn)行了對應(yīng)的測試，探尋最高運(yùn)轉(zhuǎn)速度下的最大軸承選擇。在加工結(jié)構(gòu)零件的時候，想要提高效率，就要選擇功率大的電機(jī)來提升金屬去除率，而金屬去除率和功率有著直接的關(guān)系，想要有大的功率，電機(jī)就會大，緊接著電機(jī)大會帶來大傳動軸和刀具系統(tǒng)，軸承越大主軸的轉(zhuǎn)速就會變低。所以在進(jìn)行高速臥式加工中心的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要考慮的是軸承與速度相協(xié)調(diào)的最大速度和效率，從而進(jìn)一步選擇滿足高速的結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求。

3.2 高速進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計

高速進(jìn)給系統(tǒng)是高速臥式加工中心整機(jī)機(jī)構(gòu)的一個重要組成部分。在高速加工中心的技術(shù)不斷發(fā)展的今天，高速進(jìn)給系統(tǒng)也再不斷地適應(yīng)加工中心的需求，速度增長到傳統(tǒng)的5～10倍。目前，高速加藥的部位進(jìn)行特殊處理；截斷曾經(jīng)輸送過爆炸性物質(zhì)的管道時，應(yīng)進(jìn)行水沖洗、蒸煮、化學(xué)處理等處理，并確認(rèn)已處理干凈。

（4）已拆下而未經(jīng)火燒處理的報廢設(shè)備、裝置和管線應(yīng)與其它設(shè)備隔離存放，并設(shè)置警示牌，標(biāo)明危險設(shè)備名稱（全稱）和原使用場所，加強(qiáng)保管，防止丟失?；馃幚砗蟮脑O(shè)備、裝置、管線和設(shè)施，必須經(jīng)專業(yè)安全技術(shù)人員現(xiàn)場檢查驗收，出具安全處理證明，辦理造冊登記和移交驗收合格證后方可轉(zhuǎn)運(yùn)、入庫或貯存。作為廢品處理的必須進(jìn)行徹底銷爆處理。

（5）銷爆處理作業(yè)過程中遇到異常情況或與原設(shè)計方案不符時，應(yīng)立即停止作業(yè)，進(jìn)行分析判斷并報告現(xiàn)場負(fù)責(zé)人。經(jīng)查明原因，在確保安全的情況下，由現(xiàn)場負(fù)責(zé)人下達(dá)恢復(fù)作業(yè)指令，方可繼續(xù)作業(yè)。

（6）銷爆處理作業(yè)應(yīng)盡可能減少有毒有害氣體產(chǎn)生,化學(xué)法銷爆處理產(chǎn)生的廢液和用于沖洗工房和設(shè)備、裝置及管線等設(shè)施的廢水應(yīng)進(jìn)行無害化處理,以達(dá)到既能滿足銷爆處理的目的，又不至于產(chǎn)生大量的污水為原則，避免污染水源。

6 結(jié)論

銷爆、拆除，是一項比較危險的工作，工作人員必須做到膽大、心細(xì)、臨危不亂，知己知彼，充分分析和掌握一切可能掌握的微小和細(xì)節(jié)的問題，拿出一套完整而又安全行之有效的銷爆、拆除方案，才能對消爆拆除這場戰(zhàn)役做到百戰(zhàn)不殆。

[1]陳淮銀，王代鈞，梁立達(dá).DDNP生產(chǎn)及其污水處理新工藝 [J].爆破器材, 1993（01）.

[2]民用爆破器材生產(chǎn)企業(yè)報廢生產(chǎn)線銷爆處理安全管理規(guī)程[S].

[3]接觸火藥、炸藥、火工品藥劑的廢舊設(shè)備、管道及附件安全處理要求[S].WJ2531-1999.

電主軸剖面圖

（1）高速度。高速機(jī)床的主軸運(yùn)轉(zhuǎn)速度在提高，要想得到高速切削工作效率的提升，并且得到順利的進(jìn)行，就必須從高速進(jìn)給系統(tǒng)抓起。目前高速進(jìn)給系統(tǒng)的速度要求達(dá)到60/min以上，并且要求在此基礎(chǔ)上不斷地提升。

（2）高加速度。在大部分的高速臥式加工中心中，零件的運(yùn)行形成會在幾十到幾百毫米間不等。所以就要求有較好的加減速特性來完成高速運(yùn)轉(zhuǎn)中的啟停工作，否則工作再快的速度是沒有意義的。這對高速進(jìn)給系統(tǒng)的高價速度有了一定的要求，一般要在1g以上，有的會要求在2～10g不等。

（3）高穩(wěn)定性與高安全性。高速臥式加工中心的運(yùn)作對部分環(huán)節(jié)的性能要求較高，因為在數(shù)控機(jī)床中有強(qiáng)、弱的接口環(huán)節(jié)，所以它的運(yùn)作對整體機(jī)床的穩(wěn)定性與安全性會造成一定的影響，所以就要求高速進(jìn)給系統(tǒng)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計上更加注重提高整體機(jī)床的穩(wěn)定性與安全性。

（4）高精密度。機(jī)床運(yùn)作需要達(dá)到一項指標(biāo)就是高精密度，在高速臥式加工中心中需求尤為明顯。因為高速臥式加工中心更注重高速運(yùn)轉(zhuǎn)，所以會對機(jī)床工作的精密度造成一定的影響，但在設(shè)計上要重新重視起來。具體可以通過兩方面來改造，一是通過提高坐標(biāo)軸自身的閉環(huán)位置來進(jìn)行控制，二是從合成軌跡和閉環(huán)的控制來實現(xiàn)高速軌跡控制。

3.3 滾珠絲杠與直線導(dǎo)軌配合的機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動設(shè)計

伺服電機(jī)與滾珠絲杠的進(jìn)給中最大速度為，最大加速度為。

轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

其中

為伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速；

P為絲杠導(dǎo)程；

伺服電機(jī)的最大扭矩；

J為傳動系統(tǒng)的傳動慣量；

M為運(yùn)動質(zhì)量；

通過轉(zhuǎn)換公式可以得出，伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速與滾珠絲杠的最大直線運(yùn)動速度和絲杠導(dǎo)程成正比；伺服電機(jī)的最大扭矩與加速度成正比，與傳統(tǒng)系統(tǒng)的傳動慣量成反比。所以要想有較高的加速度和進(jìn)給速度就需要通過增大絲杠導(dǎo)程、降低傳動系統(tǒng)的傳動慣量與運(yùn)動質(zhì)量，使用較高轉(zhuǎn)速與扭矩的電機(jī)。

3.4 進(jìn)給系統(tǒng)伺服電機(jī)的選擇

伺服系統(tǒng)的機(jī)電選擇對進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)有著較為重要的影響，它要求能夠滿足進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)電選擇的需求，具有較好的位移反饋和精準(zhǔn)度，具有較強(qiáng)的反映速度，穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠調(diào)速范圍寬、高速臥式加工中心所采用的通常是大慣量伺服電機(jī)，針對伺服電機(jī)的選擇一般有以下四個原則。

（1）機(jī)床的正常負(fù)載扭矩，要有所限制，不能超過連續(xù)工作的額定輸出扭矩。

（2）最大輸出扭矩不能低于短期工作的最大負(fù)載扭矩。

（3）要能夠有高加速的性能。

（4）負(fù)載慣量要求系統(tǒng)運(yùn)作有較強(qiáng)的靈敏度和較高的加速度。如果負(fù)載慣量較大，就需要加速度持續(xù)的時間更長一些，如果負(fù)載慣量出現(xiàn)變化，加速度也應(yīng)做出反映。

4 結(jié)語

高速加工中心是數(shù)控機(jī)床中加工精度、生產(chǎn)率和自動化程度最高的綜合性機(jī)床，也是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中最具代表性和技術(shù)附加值的產(chǎn)品。隨著我國裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級和自主創(chuàng)新能力提升，從綜合技術(shù)性能和發(fā)展應(yīng)用趨勢分析，高速加工中心應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，日后將成為主流制造裝備。

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作者簡介：李永強(qiáng)（1985-），男，甘肅武山人，本科，講師，研究方向 ：機(jī)械設(shè)計及理論。

陳春生（1971-），男，工程師，現(xiàn)從事安全生產(chǎn)管理。工中心對高速進(jìn)給系統(tǒng)的要求再不斷提高，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時也應(yīng)針對以下方面進(jìn)行改進(jìn)。