定梁龍門(mén)移動(dòng)式數(shù)控龍門(mén)鏜銑床總體方案設(shè)計(jì)
2016-10-17 來(lái)源：沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司 作者：彭梁鋒，王元倫，張文坤，李紹萍
摘要：從工藝方案設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)、主要技術(shù)參數(shù)的確定、整機(jī)布局設(shè)計(jì)4個(gè)方面完成了某型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床的總體方案設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一套切實(shí)可行的機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)流程，為該機(jī)床下一步設(shè)計(jì)制造的順利完成鋪平了道路。
關(guān)鍵詞：數(shù)控龍門(mén)鏜銑床；總體方案；設(shè)計(jì)流程
機(jī)床的總體方案設(shè)計(jì)是機(jī)床設(shè)計(jì)中的重要部分．對(duì)機(jī)床的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性有著決定性的影響。某型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床是一型大型定梁動(dòng)龍門(mén)數(shù)控龍門(mén)鏜銑床，其總體方案設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容‘卜21如圖1所示。
圖1總體方案設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
該型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床是一種通用機(jī)床，工藝適用范圍廣，主要加工基礎(chǔ)大件、板件、盤(pán)類(lèi)件、殼體件等多種類(lèi)型的零件。對(duì)于通用機(jī)床，常選用在該機(jī)床上用得最多的常用工序或極限工序和與此相應(yīng)的切削用量，構(gòu)成通用機(jī)床的典型加工條件。確定典型加工條件是計(jì)算機(jī)床運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)的前提。該數(shù)控龍門(mén)鏜銑床典型加工條件選擇如下：
(1)用硬質(zhì)合金雙刃鏜刀鏜灰鑄鐵孔：刀具直徑d=1 000 mm，工件材料為蚴，切削速度穢=125m／min，進(jìn)給速度廠=15 mm／min，切削深度口。=15 mm。
(2)用高速鋼鉆頭鉆削灰鑄鐵工件孑L：刀具直徑d=80 mm。工件材料為HT200，切削速度／3=10m／min，進(jìn)給量廠-40 mm／min。
(3)用硬質(zhì)合金端面銑刀銑灰鑄鐵平面：刀具直徑d=350 mm，刀齒數(shù)為20，工件材料為H'1200，切削速度秒=137．4 m／min，進(jìn)給量廠=500 mm／min，切削深度口。=10 mln，切削寬度Ⅱ。=300 mm。
1 .機(jī)床運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
機(jī)床加工的實(shí)質(zhì)在于通過(guò)加工刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使刀具刀刃對(duì)工件毛坯產(chǎn)生切削作用，把毛坯上多余的金屬切掉，而使零件的加工表面成型。該型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床需要實(shí)現(xiàn)大重型零部件復(fù)雜型面的加工，為此需要實(shí)現(xiàn)x、y、z三軸聯(lián)動(dòng)(加裝AC銑頭后可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng))，采用伺服控制保證傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給定的扭矩和轉(zhuǎn)速。為減輕移動(dòng)部件的質(zhì)量，提高加工精度，運(yùn)動(dòng)分配采用工件固定不動(dòng)、刀具具有3個(gè)垂直方向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的方式。最終設(shè)計(jì)該型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床的運(yùn)動(dòng)功能圖如圖2所示。
1．1主運(yùn)動(dòng)
該機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)C。為銑軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速與機(jī)械變速箱有級(jí)調(diào)速相結(jié)合的方式，既實(shí)現(xiàn)了大的恒功率調(diào)速范圍，又兼顧了低速時(shí)的大扭矩。且主軸安裝了位置編碼器實(shí)現(xiàn)主軸的準(zhǔn)停功能。主傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。
圖3主傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
1．2進(jìn)給傳動(dòng)
機(jī)床x坐標(biāo)軸(龍門(mén)軸)為機(jī)床兩側(cè)立柱滑座相對(duì)于床身的水平直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，x軸龍門(mén)單邊進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用雙伺服電機(jī)經(jīng)行星減速器減速后驅(qū)動(dòng)高精度齒輪齒條的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌采用恒流式閉式靜壓導(dǎo)軌，檢測(cè)系統(tǒng)采用光柵閉環(huán)反饋。機(jī)床y坐標(biāo)進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)同步齒形帶減速后帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)的滾珠絲杠的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌采用耐磨貼塑材料與高剛性滾動(dòng)體配合的滾滑復(fù)合導(dǎo)軌。采用光柵閉環(huán)檢測(cè)反饋。機(jī)床z坐標(biāo)進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)同步齒形帶減速后帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)的的滾珠絲杠的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。伺服電機(jī)帶抱閘控制；導(dǎo)軌采用2條高剛性直線(xiàn)導(dǎo)軌，采用光柵閉環(huán)檢測(cè)反饋。該型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床的傳動(dòng)系統(tǒng)如圖4所示。
2.機(jī)床技術(shù)參數(shù)的確定
2．1 主參數(shù)
機(jī)床主參數(shù)是代表機(jī)床規(guī)格大小及反映機(jī)床最大加工能力的一種參數(shù)。龍門(mén)式鏜銑床的主參數(shù)是工作臺(tái)面寬度㈨，該型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床的主參數(shù)為工作臺(tái)面寬度4 000 mm。
2．2尺寸參數(shù)
在對(duì)用戶(hù)進(jìn)行廣泛調(diào)研并參照國(guó)內(nèi)外同類(lèi)型產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，確定此機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。將該型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床基型產(chǎn)品的工作臺(tái)長(zhǎng)度定為16 000rain，工作臺(tái)載質(zhì)量定為25 t／m．能夠滿(mǎn)足大部分用戶(hù)的加工需求，同時(shí)將工作臺(tái)、床身等組件按模塊化思想設(shè)計(jì)，可以根據(jù)用戶(hù)的需求訂制。此外為了兼顧頭庫(kù)的安裝方式，將基型產(chǎn)品的石軸行程(龍門(mén)行程)定為16 500 mln。參照國(guó)內(nèi)外同類(lèi)型產(chǎn)品，如將龍門(mén)過(guò)寬定為5 100 mm。由于換刀等其他功能實(shí)現(xiàn)的需要，y軸行程略大于龍門(mén)過(guò)寬，確定為5 300nun。根據(jù)加工工藝調(diào)研，確定工作臺(tái)面距主軸端面的距離，如將主軸端面距工作臺(tái)面最大距離定為2 500 mm，最小距離定為1 000 mln，則z軸行程(滑枕行程)為1 500 I／lln。最后確定滑枕截面與主軸錐孔規(guī)格。如將該機(jī)床將滑枕截面定為480 mmx580inlll．主軸錐孔定為IS060。
2．3運(yùn)動(dòng)參數(shù)
2．3．1主運(yùn)動(dòng)參數(shù)
在對(duì)典型工藝過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算(計(jì)算過(guò)程見(jiàn)第2．4節(jié))并參照國(guó)內(nèi)外同類(lèi)型產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，確定主軸的轉(zhuǎn)速范圍為5～1 600 r／min，最大扭矩5 000N·m。采用交流伺服電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速與齒輪變速箱有級(jí)調(diào)速相結(jié)合的方式。主電機(jī)采用德國(guó)西門(mén)子1PH7．186型交流主軸電機(jī)．額定轉(zhuǎn)速1 000 r／min，最高轉(zhuǎn)速3 500 r／min。機(jī)械變速箱采用兩擋滑移齒輪變速機(jī)構(gòu)，低速擋傳動(dòng)比10．1，高速檔傳動(dòng)比2．15。圖5、圖6分別為轉(zhuǎn)速圖及功率扭矩圖。
2．3．2進(jìn)給運(yùn)動(dòng)參數(shù)
(1)x軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)
x軸進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)采用伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)行星減速器減速后驅(qū)動(dòng)齒輪齒條的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。伺服電機(jī)采用SIE．MENS 1FT6伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，可以實(shí)現(xiàn)x軸1～10 000 mm／min的進(jìn)給速度。
第10期彭梁鋒等：定梁龍門(mén)移動(dòng)式數(shù)控龍門(mén)鏜銑床總體方案設(shè)計(jì)-25·
(2)Y軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)
y軸進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)采用伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)同步齒形帶減速后驅(qū)動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)的滾珠絲杠帶動(dòng)溜板運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。伺服電機(jī)采用SIEMENS 1FT6伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速．可以實(shí)現(xiàn)y軸1～8 000 mm／min的進(jìn)給速度。
(3)z軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)
z軸進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)采用伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)同步齒形帶減速后帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)的滾珠絲杠來(lái)帶動(dòng)滑枕上下運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式。伺服電機(jī)采用SIEMENS 1bT6伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。可以實(shí)現(xiàn)z軸1～5 000 mm／min的進(jìn)給速度。
2．4動(dòng)力參數(shù)
機(jī)床的動(dòng)力參數(shù)即是驅(qū)動(dòng)機(jī)床的各種驅(qū)動(dòng)裝置(如電動(dòng)機(jī)、液壓缸等)的功率、扭矩等參數(shù)。機(jī)床動(dòng)力參數(shù)的確定是依據(jù)典型工況下機(jī)床切削載荷的計(jì)算。
2．4．1數(shù)控龍門(mén)鏜銑床鏜孔工況下的切削載荷
2．4．2數(shù)控龍門(mén)鏜銑床鉆削工況下的切削載荷
2．4．3數(shù)控龍門(mén)鏜銑床銑削工況下的切削載荷
采用硬質(zhì)合金端銑刀銑削灰鑄鐵時(shí)主切削力計(jì)算公式如下：
切削扭矩和切削功率可分別由式計(jì)算。
經(jīng)計(jì)算。該型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床加工過(guò)程中的最大扭矩由典型鏜削工藝工況(1)確定，所受最大扭矩為4 919 N·m：最大軸向抗力由典型鉆削工藝工況(2)確定，所受最大軸向抗力為49 870 N；最大功率由典型銑削工藝工況(3)確定，銑削最大功率為50．6 kW。該機(jī)床的動(dòng)力參數(shù)需滿(mǎn)足以上3種典型加工工況的需要．為此將該型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床的最大切削功率定為51 kW，最大扭矩定為5 000 N·in，最大軸向抗力定為50 000 N。
3.整機(jī)布局設(shè)計(jì)
該數(shù)控龍門(mén)銑鏜加工中心采用模塊化設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)，根據(jù)用戶(hù)的不同需求，對(duì)各功能模塊進(jìn)行選擇和組合，構(gòu)成不同功能或不同規(guī)格的產(chǎn)品，加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)程，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化和產(chǎn)業(yè)化。它主要由14個(gè)功能模塊組成：即床身部件功能模塊、滑座部件功能部件、工作臺(tái)部件功能部件、立柱部件功能模塊、橫梁部件功能模塊、主軸系統(tǒng)功能模塊、溜板功能模塊、附件功能模塊、刀具自動(dòng)交換功能模塊、安全防護(hù)及操縱系統(tǒng)功能模塊、靜壓系統(tǒng)功能模塊、液壓系統(tǒng)功能模塊、潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)功能模塊、電氣控制系統(tǒng)功能模塊。該數(shù)控龍門(mén)銑鏜加工中心整機(jī)組成及功能模塊如圖7所示。
4.結(jié)論
先對(duì)該型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床做了工藝分析．進(jìn)而確定了機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)方案，通過(guò)調(diào)研、分析以及典型工況的切削載荷計(jì)算確定了機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)，最后對(duì)機(jī)床做了整機(jī)布局設(shè)計(jì)。后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)、分析及樣機(jī)的制造證明該方案是合理可行的。該方案的設(shè)計(jì)為機(jī)床性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和制造的順利完成奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)為其他同類(lèi)型機(jī)床的方案設(shè)計(jì)提供了參考。
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