微型車銑復合機床設計

常智紅

(山西煤炭職業技術學院 計算機信息系，山西 太原 030031)

微型車銑復合機床設計

常智紅

(山西煤炭職業技術學院 計算機信息系，山西 太原 030031)

針對復雜精密微細軸類零件，設計了一臺可實現多種軸類零件完整加工的微型車銑復合機床，并使用ANSYS分析軟件對機床進行了模態分析，獲得了機床振動特性，為機床的優化設計提供了理論依據。

微型車銑復合機床；模態分析；設計

0 引言

隨著微機械技術的不斷發展，微型機電設備的優勢越來越顯現出來，它被廣泛應用在航空航天、醫療衛生、國防、通信等領域。微機電設備在應用領域快速發展，對系統內微型零件的精度提出了更高的要求。軸類零件作為傳動系統核心零件，決定著系統的傳動精度，因此微細軸的精密加工制造成為一個重要的研究領域。

1 精密微細軸的常用加工方法

精密微細軸類零件由于尺寸的特殊性，其工藝特點不同于常規尺寸軸類零件。由于微細軸徑向尺寸較小，當加工產生的徑向切削力較大時，必然會使零件產生較大的徑向變形，無法保證加工精度，甚至出現無法加工的現象，因此微細軸的常用加工方式都是從降低徑向切削力為基礎產生的。目前微細軸常用的加工方法有特種加工、精密車削以及精密車銑加工等。

1.1 特種加工

微細軸的特種加工包括電解加工、電火花加工、超聲振動磨削以及LIGA技術等。特種加工較常規的切削加工在降低切削力方面有突出優勢，在微細軸加工方面有廣泛的應用。但微細特種加工加工效率低，設備昂貴，對操作人員技術要求高，加工特征簡單，對于一些復雜的微細軸無法加工，阻礙了微器件加工的發展。1.2 精密車削

精密車削技術較特種加工提高了加工效率，可以實現一些較復雜的微細軸類零件的加工，但是隨著微機械的進一步發展，對軸的微小程度提出了更高的要求，由于軸徑的大幅減小，為了滿足切削速度等方面的加工要求，對主軸的轉速提出了更高的要求。但是高轉速下，微細軸彎曲的離心力會大幅度提高，將會導致軸的彎曲加劇[1]。

1.3 精密車銑

車銑加工是一種先進的切削方式，它是利用銑刀高速旋轉來切削轉動的工件，它不同于精密車削技術，大大降低了對主軸轉速的要求，在微細軸類零件的加工方面顯示出了巨大優勢。車銑加工包括4個基本運動，即銑刀的3個運動：旋轉、軸向進給和徑向進給；工件的一個轉動。切削速度由銑刀旋轉速度和工件旋轉速度共同決定，其中銑刀旋轉是主切削運動，因此車銑加工中的切削速度主要是由銑削速度決定，由于銑削的切削速度和軸徑無關，這樣就容易實現軸類工件的高速和超高速切削。車銑解決了由于微細軸直徑較小，車削難實現高速加工的難點，是一種微細軸加工的先進的加工技術。

目前車銑加工技術在微細軸加工方面具有巨大優勢，它具有加工效率高、成本低、加工功能多樣，可以實現多種微細軸類零件的加工，尤其在復雜微細軸類零件加工方面具有巨大的潛力。為此，本文設計了一臺以車為主的微型車銑復合加工機床。

2 微型車銑復合加工機床設計與分析

本文設計的微型車銑復合加工機床使用多軸聯動設計，可以一次完成復雜微細軸類零件切削成型、切斷以及工件分離。為了減小工件由于懸伸量較大而產生的切削變形，設計了支撐中心架，加工時采用小懸伸量的逐段加工，大大提高了零件的加工精度。該設備需要具備車、銑、鉆功能，可以實現車削加工、銑削加工、車銑加工、鉆削加工，實現了精密微細軸類零件的完整加工[2]。具體設計參數如下：

外觀尺寸(mm)： 700×600×600；

整體重量(kg)： ≤150；

加工工件范圍(mm)： 直徑為Ф0.5～Ф6，長度≤60；

主軸最高轉速(r/min)： 60 000 ；

表面粗糙度：Ra0.8 μm。

2.1 機床結構設計

2.1.1 主軸系統

由于微細軸切削需要的切削力較小，為了減小機床的整體尺寸，主軸系統選用電主軸直接驅動的形式，這種結構形式傳動精度高，速度調節范圍大，同時可以提高主軸的剛度[3]。微細軸類零件直接裝夾在電主軸上，零件的徑向跳動大幅減小，轉速大幅提高，以滿足切削速度要求，其中銑刀也由電主軸直接驅動。

2.1.2 進給系統

進給系統需要實現工件和刀具的移動，且具有有良好的傳動和定位精度、快速的響應時間、優良的抗振性能、安裝和調節方便等。根據設計要求，本系統選用伺服電機直接驅動滾珠絲杠滑臺。

2.1.3 刀具系統

直線運動具有響應快的特點，滑臺的定位精度高，而且在微細軸的加工過程中使用的刀具數目也較少，為了滿足精度要求，本設計采用直線運動的排式刀架，這種刀架刀具安裝和拆卸方便。

根據以上設計思路設計的微型車銑復合機床結構示意圖如圖1所示。

圖1 微型車銑復合機床結構示意圖

2.2 機床模態分析

本加工系統加工零件為精密微細軸類零件，加工過程產生的振動對加工精度會產生極大的影響。如果在加工中出現共振會直接影響零件的加工質量，甚至導致無法加工出合格零件。同時共振也會破壞系統的一些機械結構，造成機床的損壞[4]。因此，在對本機床進行模態分析，對提高機床的可靠性具有重要的意義。

系統的模態分析需要根據要求對系統設置邊界條件。在對微型車銑復合機床進行分析時，設置了位移約束，在機床底部施加固定約束。使用ANSYS軟件計算求解得到的機床前6階固有頻率及振型如表1和圖2所示。

系統的結構在292.93 Hz～849.57 Hz的振動頻率區間內，發生振動變形的主要部分是固定Y軸進給平臺立柱、X軸進給平臺的絲杠。由前3階和第6階振型圖可知，Y軸進給平臺立柱的振動變形主要為立柱的前后變形、左右擺動變形以及扭轉變形；X軸進給平臺的絲杠的振動變形方式為上下振動。通過分析可知，提高系統的低階固有頻率主要是優化設計立柱和絲杠，立柱優化可以通過設計抗彎和抗扭的筋板來完成，絲杠的優化可以在滿足設計要求的基礎上加粗直徑或者采用中空結構。

表1 前6階固有頻率計算值

圖2 微型車銑復合機床振型圖

3 結語

本文對精密微細軸類零件的加工技術進行分析，分析表明車銑加工技術在多特征的復雜微細軸類零件的加工有諸多優勢。針對精密微細軸類零件的加工，設計了一臺微型車銑復合機床，它可以實現復雜微細軸的多工藝切削加工和完整加工。該機床設計制造成本低，但加工精度高，是一種低成本高效率的加工機床。通過模態分析可知，該設備具有較高的低階頻率，

動態性能較優。

[1] 孫雅洲，梁迎春.微細切削與微小型化機床[J].現代制造工程，2005(2)：112-114.

[2] 馮辛安，黃玉美，杜君文，等.機械制造裝備設計[M].北京：機械工業出版社,2005.

[3] 李慶祥，王東生，李玉和.現代精密儀器設計[M].北京：清華大學出版社,2004.

[4] 楊永亮.基于有限元的車床床身結構優化[D].大連:大連理工大學，2006：7-40.

Design of Micro Turn-miller

CHANG Zhi-hong

(Department of Computer Information, Shanxi Vocational and Technical College of Coal, Taiyuan 030031, China)

To process various micro shaft parts, a micro turn-miller is designed. The modal analysis of the machine tool is carried out by use of ANSYS, and the dynamic characteristics of the machine tool are obtained, which may lay the fundation for the optimal design of the micro turn-miller.

micro turn-miller; modal analysis; design

1672- 6413(2015)06- 0098- 02

2015- 08- 08；

2015- 10- 20

常智紅(1985-)，男，山西懷仁人，助教，碩士，研究方向：微細切削加工。

TG65

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