一種電機軸螺桿加工專用的數(shù)控銑床機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計*

陳 聰 ，王貽誠 ，鄭雪飛 ，邵思程 ，陳建新 ，王 勝 ， 朱 勤

（1.浙江赫科智能裝備有限公司，浙江 衢州 324000；2.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 衢州 324000；3.衢州賦騰科技有限公司，浙江 衢州 324000）

0 引言

近年來，我國電機軸螺桿旋銑設(shè)備的各項性能有了明顯提升，但與國外高端旋銑設(shè)備相比，仍處于低水平重復(fù)狀態(tài)，具體表現(xiàn)如下：1）設(shè)備集成化程度低。現(xiàn)有機床功能結(jié)構(gòu)無法滿足最優(yōu)的生產(chǎn)工藝策略，工件流轉(zhuǎn)周期長，生產(chǎn)效率低，占地面積大。2）機床結(jié)構(gòu)陳舊。現(xiàn)有電機軸螺桿旋風(fēng)銑床多以平床身為主，較國外斜導(dǎo)軌型、階梯型導(dǎo)軌機床切削剛性弱，且裸露的導(dǎo)軌表面易因大量的切屑沖擊而發(fā)生磨損和熱變形。3）旋風(fēng)銑頭穩(wěn)定性不足。國內(nèi)旋風(fēng)銑頭動力布置多為后置型，帶型為聯(lián)組窄V 帶，傳動效率較低，易發(fā)生扭振，且動力后置使刀軸前后端軸承受力不均，后軸承磨損加劇，穩(wěn)定性欠佳。銑頭的刀軸較長，內(nèi)孔多為直柱面，嚴重制約了螺桿螺旋升角的加工范圍。為防屑防液，銑頭多為密封形，工作時軸承摩擦溫升易引發(fā)刀軸熱變形。影響旋銑設(shè)備性能優(yōu)劣的原因有許多，除材料性能、制造工藝、安裝技術(shù)等影響因素外，機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計也是重要因素之一。為研制結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全可靠的旋銑設(shè)備，研究人員從旋銑成型機理著手，探究了工藝路徑、切削參數(shù)、刀具數(shù)量、刀具材料、工件屬性等因素對切屑形貌、切屑分布、成型精度、裝備加工效能的影響，構(gòu)建了時變切削力模型、時變熱源模型，優(yōu)化了刀具數(shù)量和布局方式，為旋銑系統(tǒng)動力學(xué)分析、裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化、裝備性能提升提供了重要的技術(shù)支持[1-2]。

旋銑系統(tǒng)的熱特性和動靜態(tài)性能是旋銑系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的重點。Son 等從螺桿旋風(fēng)銑關(guān)鍵執(zhí)行部件熱特性、動靜態(tài)特性等多方面對旋銑頭的穩(wěn)定性進行了評估[3-4]。研究結(jié)果表明：銑頭軸承的摩擦溫升是旋銑部件熱變形和振動的主要影響因素，是旋風(fēng)銑床設(shè)計制造的重要研究內(nèi)容之一。此外，研究人員還分別針對螺桿旋風(fēng)銑床和葉輪旋風(fēng)銑床的床身和銑頭進行了動力學(xué)性能分析，并完成了模態(tài)試驗，為數(shù)控旋銑設(shè)備的設(shè)計提供了指導(dǎo)[5-7]。譚立新[8]研究了多軸旋銑裝置不同轉(zhuǎn)速下工件的變形與振動誤差，提出了控制轉(zhuǎn)速修調(diào)振動誤差值的方法。張春建等[9]對大型螺紋旋風(fēng)銑床主傳動系統(tǒng)和銑削工件系統(tǒng)進行了動力學(xué)仿真分析，提出以多點支撐和硅油減震器抑制旋銑系統(tǒng)振動。尹輝俊等[10]針對旋風(fēng)銑床加工大型錨具外螺紋時的振動進行了測試分析，采取增厚銑頭基座的方法降低振動。雖然研究人員在旋銑機理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計方面進行了深入研究，但上述研究對象主要集中在絲杠、螺紋、螺桿、大模數(shù)螺桿、葉輪等方面，針對電機軸螺桿旋銑裝備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計鮮有報道。因此，需在已有研究基礎(chǔ)上制定電機軸螺桿的全自動加工工藝方案，合理規(guī)劃機床結(jié)構(gòu)布局，開展電機軸螺桿零件的銑削機理研究，明確刀具數(shù)量和布局方式，并在此基礎(chǔ)上利用先進的設(shè)計方法合理構(gòu)建與加工工藝方案相匹配的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化并完善。

綜上所述，本文以數(shù)控銑床系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的研究為出發(fā)點，根據(jù)機床設(shè)計目標(biāo)和各項性能指標(biāo)要求，研究與加工工藝相適應(yīng)的功能機構(gòu)布局，設(shè)計機床總體結(jié)構(gòu)方案，重點研究上下料機構(gòu)、旋銑系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、床身的設(shè)計。綜合提高工藝系統(tǒng)剛度，實現(xiàn)對螺桿加工系統(tǒng)的減振、抑振，保證零件的加工精度。

1 設(shè)計方法

1.1 上下料機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計分析

根據(jù)送料機構(gòu)末端毛坯的形狀、重量和位置，綜合考慮機床主軸與工件液壓筒夾的尺寸參數(shù)，明確送料機構(gòu)安裝位置及行程范圍。設(shè)計與毛坯外形相適應(yīng)的夾緊機構(gòu)，計算所需夾緊力大小并匹配相關(guān)力源機構(gòu)。針對送料機構(gòu)的功能目標(biāo)（夾持毛坯并直線送入工件夾持機構(gòu)）、傳動效率和執(zhí)行速度，合理選擇運動副類型，明確構(gòu)件參數(shù)。根據(jù)負載大小，計算并確定送料機構(gòu)的原動機性能指標(biāo)參數(shù)。分析成型零件的形狀、重量、工位情況以及旋風(fēng)銑頭的布局和行程范圍等影響因素，研究并確定回料機構(gòu)的功能（收料、物料夾持、落料）。擬采用疊加式機構(gòu)設(shè)計法，解析各功能機構(gòu)，明確運動副類型、數(shù)量和性能參數(shù)，完成構(gòu)件尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計，以滿足功能需求。針對機構(gòu)執(zhí)行速度、額定負載、轉(zhuǎn)動慣量等技術(shù)參數(shù)，確定動力類型，計算并選擇合適的原動機規(guī)格。以多體動力學(xué)為基礎(chǔ)，仿真分析回料機構(gòu)的執(zhí)行速度、受力狀態(tài)以及運動干涉等情況，優(yōu)化設(shè)計方案。

1.2 旋風(fēng)銑床傳動系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計分析

為滿足集成型旋風(fēng)銑床的工藝流程，實現(xiàn)緊湊型一體化制造單元的構(gòu)建，綜合考慮機床調(diào)速范圍、傳動效率、傳動精度、傳動穩(wěn)定性、服役壽命等功能需求，擬針對傳動系統(tǒng)進行動態(tài)設(shè)計。依據(jù)集成型旋銑機床的執(zhí)行功能和技術(shù)要求，提出各傳動系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，優(yōu)化選取各傳動系統(tǒng)的配置方式。1）工件主軸傳動系統(tǒng)設(shè)計。由旋銑加工負載特性、轉(zhuǎn)速變化范圍、傳動裝置效率等條件，計算工件主軸電機的輸出功率并選型。在滿足零件加工范圍、不削弱剛度的條件下，根據(jù)電機輸出功率和主軸設(shè)計原則，初步確定主軸的懸伸量、支承跨距大小以及孔徑尺寸。研究系統(tǒng)所受載荷分布特征，合理選擇軸承類型并進行軸承壽命校核。根據(jù)傳動配置方式，傳動比值要求，查閱相關(guān)設(shè)計手冊，確定各類工況系數(shù)，綜合考慮安裝空間限制，合理設(shè)計傳動部件尺寸并完成校核。利用ANSYS 有限元分析軟件，對主軸傳動系統(tǒng)進行靜態(tài)、動態(tài)特性分析，主要研究主軸的強度、剛度、振型和主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的規(guī)律變化，優(yōu)化主軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計方案。2）軸向和徑向傳動系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)旋風(fēng)銑床加工精度、加工行程、進給速度、負載大小等技術(shù)要求，確定滾珠絲杠副的工作參數(shù)，初步計算確定絲杠導(dǎo)程、精度、額定動載荷，估算最大允許軸向變形量、螺紋底徑，確定滾珠絲杠副規(guī)格代號，并進行各項性能校核。計算分析絲杠總轉(zhuǎn)動慣量、絲杠總負載轉(zhuǎn)矩、空載加減速轉(zhuǎn)矩等，合理選擇電機型號并校核。根據(jù)系統(tǒng)的最大負載力和絲杠預(yù)拉伸軸向力總和的大小來確定軸承副的最大軸向載荷，基于該值進一步計算軸承副的預(yù)緊力大小、軸承副的額定動載荷、軸承的當(dāng)量載荷等基本信息，確定軸承型號并校核。根據(jù)滾動導(dǎo)軌的選用準(zhǔn)則以及導(dǎo)軌副的實際工作情況，確定軌寬、軌長、滑塊類型、精度等級、組合高度類型、預(yù)壓等級等。分別對軸向和徑向傳動系統(tǒng)進行動態(tài)分析，優(yōu)化傳動系統(tǒng)的設(shè)計。

1.3 基于靈敏度分析的床身優(yōu)化設(shè)計

床身是旋風(fēng)銑床最重要的支撐元件，其結(jié)構(gòu)的合理性和性能好壞將直接影響機床的加工精度和裝備的制造成本。從布局形式、載荷分布、剛性、整體穩(wěn)定性等方面對現(xiàn)有旋風(fēng)銑床的床身結(jié)構(gòu)進行分析，項目擬采用減振抑振效果較好的局部瓦楞型筋板及肋骨強化的高剛性階梯型床身結(jié)構(gòu)。基于其實際工況進行靜態(tài)、動態(tài)特性分析，綜合考慮各階模態(tài)的重要程度，初定設(shè)計變量的尺寸變化范圍，采用Box-Behnken 試驗法和靈敏度分析確定各設(shè)計變量對輸出參數(shù)（質(zhì)量、位移、固有頻率）的影響程度，選出靈敏度較高的設(shè)計參數(shù)，建立響應(yīng)曲面模型。以質(zhì)量最小、位移最小、固有頻率最高為目標(biāo)函數(shù)，采用篩選法進行多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化，獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。機床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析圖如圖1 所示。

圖1 床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析圖

2 結(jié)語

課題組提出了螺桿專用的數(shù)控銑床機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計理論及其配套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計是實現(xiàn)集成型旋銑機床全自動加工的決定因素，其設(shè)計的合理性將直接影響旋銑裝備的加工性能、生產(chǎn)效率和加工精度，是解決現(xiàn)有電機軸螺桿旋銑設(shè)備生產(chǎn)工藝周期長、加工穩(wěn)定性差、集成度低等問題的關(guān)鍵。課題組開發(fā)了一種新的連續(xù)送料自動加工工藝，設(shè)計并優(yōu)化了與工藝策略高度匹配的關(guān)鍵功能結(jié)構(gòu)。設(shè)計實現(xiàn)電機軸螺桿的全自動化加工，有望縮短工藝生產(chǎn)周期，提升生產(chǎn)效率，且整機結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定緊湊、占地面積小、集成度高。