一種用于大型板材加工的龍門鉆床研究與設計

張燕紅

（山東華宇工學院，山東德州 253000）

0 引言

近年來，我國對風電、核電等新能源行業越來越重視，這些行業中的一些大型零件加工，對機床提出了一些特殊要求。特別是一些大面積板材或大直徑法蘭盤鉆孔，因孔布局規律，數量較多，而且孔徑較大，需要一款剛性好、精度高、加工效率高的大型龍門鉆銑床，所以對此類機床的開發勢在必行。

對核電設備制造行業、蠕墨鑄鐵制造行業等進行了技術調研。調研過程中發現，用戶對大型龍門鉆銑床的加工精度和加工效率提出了更高的要求，尤其對面積比較大的板類零件加工的要求更高。

目前，國內甚至多數龍門鉆銑床存在工作臺面積小、機床基本件采用鋼板焊接、存在鉆銑頭小、無法進行重切削，加工效率低等問題，很多用戶要求設計一款高剛性、高效率的專用機床，所以開發數控定梁龍門移動鉆銑床已勢在必行，并且具有很大的市場潛力。

1 研發歷程

首先確定機床的整體設計方案，并出設計相應的總體裝配圖。機床由工作臺、床身、拖板、立柱、橫梁、鉆銑刀架、集中潤滑裝置、氣動系統、冷卻排屑裝置、機床防護、工裝夾具等主要部件組成。為達到最佳的穩定狀態，鑄件進行兩次時效處理以消除應力。床身、立柱、橫梁截面積尺寸足夠大，機床具有強大的剛性和抗振性，具有足夠的抗彎剛度和抗扭剛度。

其次研發的主要工作就是：①合理設計加工工藝流程和物流路線，確定物流設備及加工方案；②根據工藝過程：上料、鉆削底孔、鉆銑擴孔、在線檢測、下料的過程設計整套設備布局，機床結構性能滿足生產線技術要求；③確保所有加工零件合格。

根據本機床的工藝方案，關鍵件工藝放在重要位置，充分利用公司現有的韓國HANKOOK五面體加工中心，德國產臥式加工中心及坐標鏜，德國產三坐標測量儀等具有國際先進水平的加工、檢測設備，確保產品的整體質量。

2 產品研發的主要工藝介紹

產品研發主要工藝流程如圖1所示。

圖1 產品研發工藝流程

3 機床主要結構

本機床為工作臺固定，操縱平臺和龍門框架在兩側床身上同步移動（X1、X2）的結構，橫梁上雙主軸箱、雙絲杠分離式驅動。工作臺兩側配有兩套鏈式排屑機，工作區域半防護的結構。機床總占地面積約（25×9）m2。機床工作臺面與車間地面在同一水平面。

3.1 進給軸驅動

X軸驅動——由交流伺服電機通過精密減速箱降速后經消隙齒輪齒條，帶動滑座、立柱、橫梁、滑鞍及主軸箱在床身上同步移動，實現X軸進給運動，X軸采用雙邊驅動結構，可有效地提高機床定位精度和重復定位精度。

Y軸驅動——由交流伺服電機通過精密行星減速機降速后驅動預應力滾珠絲杠副，帶動滑板在橫梁上左右水平移動，從而實現Y軸進給運動。

Z軸驅動——由交流伺服電機通過精密行星減速機降速后驅動預應力滾珠絲杠副，帶動主軸箱上下移動，實現Z軸進給。Z軸交流伺服電機帶有自動抱閘，在機床突然斷電的情況下，防止滑枕銑頭掉刀。

3.2 進給軸導軌形式

X軸、Y軸、Z軸均采用矩形滑動導軌，導軌高剛性、低速運動平穩、無爬行、抗振性能優良。

三軸導軌均采用中頻淬火工藝，淬火層深度為3～5 mm，淬火硬度可達48 HRC，導軌經高精度導軌磨床磨削處理，保證機床導軌的精度和精度穩定性及機床的使用壽命。

3.3 機床基礎件

全部鑄件為達到最佳的穩定狀態，進行兩次時效處理以消除應力。床身、立柱、橫梁截面積尺寸足夠大，機床具有強大的剛性和抗振性，具有足夠的抗彎剛度和抗扭剛度。

床身材料為HT300，床身導軌采用雙矩形滑動導軌副，導軌寬度為755 mm，床身由4節組成，單節床身長度3000～6000 mm，可根據實際情況組合接長，毛坯粗加工完成，需經二次熱時效后儲備，經過儲備期的自然時效，鑄件內應力充分釋放，以確保鑄件性能更加穩定，精度保持性更好。

工作臺材料為HT300，工作臺寬度為4500 mm，由8節拼接而成，單節長度為2250 mm，工作臺需預留接長接口，方便后期機床的接長改造。

3.4 橫梁

橫梁材料為HT300，橫梁導軌用于鉆銑刀架的左右移動，橫梁固定把合在兩個立柱上保證銑削加工時橫梁牢固可靠。橫梁上下雙導軌跨距大，布局應合理，確保靜態特性良好，抗切削能力強。

為了防止切削時發生較大的振刀現象，橫梁下部設置預壓裝置，即在鉆削時，橫梁移動到位，預壓裝置頂緊工件后，主軸再進行切削。

3.5 滑枕式鉆銑頭

鉆銑頭主軸帶有刀具自動拉緊機構，采用瓣爪拉緊形式，此結構為碟簧拉緊、氣壓通過增壓缸液壓松開，可將刀具自動拉緊在主軸上，松刀增壓油缸在主軸后端，并有位置檢測裝置。銑頭附近位置上安裝松刀拉刀開關，方便換刀操作。

鉆銑頭主軸需整體外購專業主軸生產廠家產品，以確保精度高，穩定性好，且具有高剛度和高承載力。主軸軸承采用進口鋰基潤滑脂潤滑。

銑頭主軸配置大功率油冷機，對銑頭進行循環冷卻，確保主軸精度的穩定并避免滑枕受溫度影響產生彎曲變形。

3.6 氣動系統

機床氣動系統包括：主軸松刀系統、主軸中心吹氣系統、工件頂緊系統。氣動元件選用國際知名品牌產品，保證氣動系統的質量和機床的可靠性。

3.7 潤滑系統

機床配置定量自動潤滑系統，對滾珠絲杠副、齒輪齒條副及導軌副進行集中間歇潤滑，潤滑量適當、充分，既要節約潤滑油，又能保證傳動系統的動靜響應特性。

3.8 冷卻及排屑裝置

機床配置刀具內冷和外冷兩種冷卻方式，采用高壓水泵供應內冷需要的冷卻液，內冷最高壓力達4 MPa。機床配置大容量（5000 L）冷卻液箱，以滿足切削冷卻液的自然回流。冷卻液箱安裝自循環加熱裝置一套，在極冷環境下停機時保證冷卻液的循環，防止冷卻液的凝固。

工作臺兩側設有兩套鏈板式排屑機，將鐵屑輸送至排屑車內，以減小勞動強度，改善工作環境。

3.9 防護裝置及操作站臺

機床床身導軌采用不銹鋼伸縮防護罩，橫梁導軌采用風琴式防護罩。操縱平臺和龍門框架在兩側床身上同步移動，便于操作和觀察零件加工情況，安全性高。

工作臺四周設置鈑金防護罩（高度達到橫梁底部），主軸端部設置塑料防護簾，防止切屑的飛濺和切削液的噴濺，保證工作環境的清潔。

機床操作站布置于獨立操作間內，與機床工作區完全隔離，在保證操作方便前提下，保證操作者的安全。

3.10 電氣系統

機床電氣控制柜采用獨立的控制柜，其內部將機床的伺服驅動控制器、PLC控制器、斷路器、繼電器等電氣控制元器件集中布置，電氣柜布線整齊、結構合理，電氣柜配裝防塵除濕空調裝置，使得電氣元件在良好的工作環境下運行，保證電氣系統運行的穩定性。電氣系統具有3層過載保護功能（系統程序控制、驅動器保護控制、PLC編程控制）。

3.11 數控系統

機床配置SIEMENS公司的SINUMERIK 828D數控系統，進給伺服電機和驅動器均采用SIEMENS公司產品。主軸伺服電機和驅動器采用北京超同步公司產品，保證性能先進、穩定可靠。

感知機算法在線性可分情況下具有較快的訓練速度和較高的正確率.其通過尋找超平面區分散射參數曲線.經過多組實驗和測試，散射參數曲線經過預處理后具有線性可分的特點，適合作為使用感知機進行二分類.

可通過西門子編輯軟件DXF-Reader將DXF圖紙中需要加工的孔位排布轉換為指定編程格式的矩陣定義程序。

4 國內外同類產品的對比及效果評價

為了分析評價數控龍門移動雙主軸銑鉆床的技術水平，收集了國內著名機床制造廠的同類產品性能指標和技術參數進行比較（表1）。

表1 機床性能指標和技術參數

本機床在機床基體材料、導軌形式、鉆銑刀架的切削力等方面大大優于國內機床，而且在工件切削穩定性、工件裝夾的高效性等方面有自身獨特的結構優勢。經綜合比較，該數控龍門移動雙主軸銑鉆床機床結構合理，功能部件配置合理，具有很好的性能價格比優勢。

5 結語

該機床是面向新能源行業的，隨著全球不可再生能源的消耗，我國對新能源的重視程度增加，對新能源的投入也不斷加大，該機床的市場需求前景廣闊。該項目的試制成功會帶來相當不錯的經濟效益，單臺機床的利潤均在100萬元左右。

本項目產品與國外生產廠商的同類產品對比，產品本身價格遠低于國外同類產品價格，生產加工效率是其他機床加工效率的2倍左右，使用壽命長，因此成本、使用及維修費用較低。

該機床的試制成功，在數控龍門鉆銑床方面打開一片廣闊的市場，可帶來較高的經濟效益和社會效益。