龍門式微銑削機床的結構設計及分析*

李曉舟，鄭 艷，許金凱

(長春理工大學，機電工程學院，長春 130022)

0 引言

微小零部件的應用越來越廣泛，在航空航天，生物醫學以及高科技電子產品等方面也有廣闊的應用前景，因此微細加工備受關注。隨著經濟的發展，對機床的加工性能和加工效率的要求更高。自從1970 年Dutta［1］等人提出了微型機床的概念以來，各國科研人員以及院校相繼展開了對微加工工藝及微機床的研究，并且取得了顯著的成績。在微細加工技術領域中，微銑受到研究人員的青睞，進而微銑削機床的研發及微銑削工藝的研究也格外受到重視。本文自主設計一臺龍門式微銑削機床，并且進行有限元分析。

1 機床的總體設計

微銑削機床的設計要求:整體尺寸為600mm ×600mm × 550mm，X軸、Y軸和Z軸的進給行程為±30mm，定位精度小于5μm，重復定位精度小于1μm，主軸回轉精度小于1μm，實現全閉環控制。根據上述要求設計，整個機床分為龍門結構、進給工作滑臺、主軸系統、切削力測試系統、激光式對刀儀、CCD 攝像、切削液供給系統以及軟件控制部分，整體機床布置圖如圖1 所示。

龍門結構:橫梁和立柱之間由KK 模組聯接，立柱固定，橫梁在KK 模組的帶動下往復移動。加工范圍增大、空間較開闊、降低生產中產生的震動，保證了加工的尺寸精度。并且整個龍門結構的材料選擇大理石材料，阻尼特性是鑄鐵的10 倍，減振效果、熱穩定性比鑄鐵明顯提高，所以確保了表面質量最佳和切削效率最大化。

進給工作臺:包括X、Y、Z軸直線進給滑臺和360°旋轉進給滑臺，可以實現復雜曲面的三維加工。直線滑臺的行程為±30mm，定位精度5μm;旋轉滑臺的定位精度0.025°。XY滑臺水平布置，旋轉滑臺布置在XY滑臺之上;Z軸滑臺固定在龍門結構的橫梁處，垂直于XY水平滑臺，并且可以沿著X方向移動，增加了加工范圍。每個進給滑臺配有一個分辨率為0.1μm光柵，作為檢測和反饋裝置，達到設計要求精度和實現閉環控制。

主軸系統:主軸通過夾具固定在Z軸滑臺上，外徑30mm、最高旋轉速度60000r/min、回轉精度1μm 以內。

切削力測試系統:放置在旋轉臺之上，切削力采集系統利用Kistler 測力儀對微細銑削切削力進行檢測，作為控制切削力的依據。

CCD 攝像:實時觀測加工情況以及輔助對刀，便于及時發現加工中出現的問題。

激光式對刀儀:高端性刀具測量系統，對刀具進行非接觸式的精密自動測量，輕松實現刀具長度、直徑、磨損、破損等的實時自動測量。測量精度可達0.2μm。

圖1 龍門式微銑削機床

總體的設計實現了多軸多功能的全閉環微銑削系統，集加工和檢測于一體。精密滑臺與光柵的配合使用，能夠實現設計精度的要求;龍門結構的應用，使加工空間開闊，抗震性好;激光式對刀儀和CCD 攝像頭的加入，能夠精準的實現對刀和切削過程的實時觀測，便于及時處理問題，提高加工效率。本文只是介紹結構設計部分，而軟件控制部分由以后試制、裝配完成之后決定。

2 結構分析

2.1 載荷計算

整體的載荷包括床身、模塊的重力以及加工過程中的切削力。

微銑削機床的切削力為銑削力，刀具材料以硬質合金為例，銑削力的計算經驗公式為［2-3］:

式中:Fc—圓周切削分力、CF—刀具磨損系數、ap—銑削深度、Z—銑刀齒數、fz—每齒進給量、ae—銑削寬度、d0—銑刀直徑、n—轉速。

各銑削參數:CF= 825、ap= 0.1mm、Z= 2、fz=0.1mm、ae=0.05mm、d0=4mm、n=10000r/min，將以上參數代入銑削力的計算公式，可求圓周切向力Fc=1.937N，將銑削力分解為進給力Ff= 0.9Fc=1.7433N，徑向力Fe=0.35Fc=0.678N，垂直進給力Fv=0.55Fc=1.065N。

2.2 靜力學分析

龍門結構是龍門式機床的主要支撐結構，龍門的剛度也是設計中主要考慮的問題。為了使建立的分析模型更加接近實際情況，所以對龍門結構和主軸系統進行整體的靜力學分析。分析結果如圖2 所示，整體床身的變形達到5μm，而等效的最大應力為0.444MPa。顯然最大變形過大，不符合設計標準。

圖2 龍門的靜力學分析圖

由分析可知，橫梁與工字型立柱是薄弱環節。在保證剛度的前提下，提高承載能力，也盡量減小質量。應用ANSYS 中的曲面響應模塊對橫梁和工字型立柱進行優化，尋求響應點。圖3a 為橫梁的三維簡化模型圖，以H、D為輸入變量，以總變形量、最大等效應力和質量為優化目標參數。根據整體的設計指標，取80mm≤H≤140mm，70mm≤D≤100mm。圖3b 為工字型立柱的三維簡化模型圖，以h、b、d為輸入變量，以總變形量、等效應力和質量為優化目標參數，取50mm≤h≤80mm，100mm≤b≤140mm，165mm≤d≤205mm。優化前后的參數對比如表1 所示。

圖3 三維簡化圖

表1 橫梁和立柱優化的參數對照表

橫梁的優化結果:質量增加了27%，總變形量增加0.007μm，等效應力減少了0.014MPa;立柱的優化結果:質量減少4.4%，總變形增加了0.265μm，等效應力減少了0.045MPa。橫梁的質量增加與立柱的質量減少進行互補。完成橫梁和工字型立柱的優化之后，對龍門結構進行靜力學結構分析，分析結果如圖4 所示。總變形減少到0.6μm，最大等效應力也減少到0.271MPa。雖然整體質量有所增加，但是在靜力學結構分析中，整體龍門的靜態結構特性良好。

圖4 優化后龍門的靜力結構學分析圖

2.3 動力學結構分析

振動模態是彈性結構固有的、整體的特性。通過模態分析能夠得到結構的固有頻率和振型，進而合理的設定主軸的轉速，避免共振。這里只介紹前六階頻率，模態分析結果如圖5、表2 所示。

圖5 龍門模態分析圖

表2 龍門結構前六階的頻率/Hz

根據模態分析可知，前五階振型均為龍門結構的立柱出現擺動現象，而第六階振型出現在Z軸滑臺。但是實際加工時橫梁處于立柱中間部分，立柱中間的承載能力較大，會減少立柱的變形量。由于分析軟件的局限性只得到前六階的頻率，而根據主軸的轉速預估的最高載荷頻率是1000Hz，所以進一步對龍門結構進行諧響應分析，更加準確的分析機床的動態特性。載荷的加載如2.1 小節所介紹的銑削力經驗公式，設置頻率區間為300～1100Hz，載荷步為50 步。圖6 所示為橫梁上端面在三個方向的變形情況。峰值出現在460Hz 附近，X方向的位移量為0.069μm，Z方向的位移為0.023μm。所以整個系統在36000rpm～60000rpm可實現穩定的高速切削，總的來說優化后龍門的動靜態特性顯著提高。

圖6 龍門諧響應分析圖

3 總結

本文設計一臺龍門式微銑削機床，銑削單元采用立式結構，集加工和檢測于一體。運用ANSYS 對龍門結構進行靜態和動態結構分析，并且優化薄弱的環節，提高龍門整體的結構特性和動態特性，進而可實現高速微銑削加工;通過模態分析和諧響應分析，得到龍門結構的前六階頻率和振型，并且確定共振點，在實際加工中可以合理的設置轉速。從設計、分析到優化，完成了整體機床的設計過程，為以后的切削理論分析和加工提供實驗平臺。

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