摘要:隨著我國航空、航天和模具等行業的不斷(duàn)發展和進步(bù),其對機床加工速(sù)度和精度的(de)要求也越來越高,而采購國外(wài)高速(sù)高精機床,價格昂貴並(bìng)且還時常受到進口限製,由此可見開發具有自(zì)主知識產權的高速高精機床已迫(pò)在眉睫。介紹了一種直(zhí)線電機驅動的超高速五軸立式銑床的結構、主要技術參(cān)數,詳細介紹了機床主要部件(jiàn)的(de)結構和特(tè)點。
傳統五軸立式機床的各軸多采用伺服電機帶動絲杠的方式進行傳動,由於技術條件的製約,難以滿(mǎn)足航空、航天和模具等(děng)行業中的一些重要零件(jiàn)對(duì)機(jī)床加工速度和加速度的(de)要求。近年來直線電機、高速電主軸在機床上的應用大大提升了機床加工的速(sù)度、加速度和精度,提高了零件的生產效率和加工質量。文中介紹的機床(chuáng)是(shì)一(yī)款(kuǎn)采用直線電機作為驅動的超高速五軸立式銑(xǐ)床。
1 、機床(chuáng)的結構形式
直線電機驅動的超(chāo)高(gāo)速五軸立式銑(xǐ)床主要包(bāo)括床身、左立柱(zhù)、右立(lì)柱、左滑座、右滑座、橫梁(liáng)、滑板、滑枕、電主軸及機械式雙軸轉台(tái)等機(jī)械部件,並由機械係統、液壓係統、潤滑係統、冷卻係統、電氣(qì)係統和內外防(fáng)護(hù)等(děng)部件組成。
圖1 超高速五軸立式(shì)銑床結構圖
機床總體采用門式結構,如圖1 所示,機械雙軸轉台、左立(lì)柱和右立柱放置在床身上,左右立柱上分別放置了兩(liǎng)條直線導軌(guǐ),橫梁通過左右滑座與立柱相配合,滑板通過滑(huá)塊(kuài)與橫梁上麵和(hé)前麵的兩條直線導軌配合,滑枕通過滑(huá)塊與滑板前麵的兩條直線導軌配合,滑枕下部(bù)安裝超高(gāo)速電主軸;橫梁在左(zuǒ)右立柱上作前(qián)後的Y 向移動, 滑板在橫梁上作左
右的X 向移動,滑枕在滑板(bǎn)上作上下的Z向移動(dòng);X、Y 向采用直線電機直(zhí)接驅動,Z向采用絲杠傳動。
機床的(de)總體結構對稱,具有較好的動靜態特(tè)性(xìng)和(hé)熱穩定性。機床設計采用三維設計(jì)軟件Pro/E 進行零部件的三維設計和造型,主要部件都使用有限元進行(háng)靜態分析和模態分析, 找出相應部件的薄弱(ruò)點, 並對其進行優化改進, 以求達到較(jiào)好的動靜態特性。
2 、主要技術參數
表1 超高速五軸立式銑床主要技術參數
本機床為超高速(sù)五軸立式(shì)銑(xǐ)床, 根據用戶對所要加(jiā)工零件(jiàn)的工藝和用戶的設備需求(qiú), 確(què)定機床主要技術參(cān)數(如(rú)表1 所示)。機床的X、Y 軸驅動(dòng)均采用直線電機直接驅動,具有較高的快移速度、加速度和(hé)精度。機床主軸使用的是西安交通大(dà)學(xué)自主研發(fā)、分別使用陶瓷球軸承和水潤滑軸承的兩款電主軸, 最高轉速分別可達30 000 r/min 和50 000 r/min。
3 、主(zhǔ)要部(bù)件的結構和特(tè)點
3.1 床身
機床的床身(shēn)為可以承接電氣櫃的結構形式, 如圖2 所示,這樣(yàng)就增大(dà)了床(chuáng)身的(de)重量,提(tí)高了床身的固有頻率,避免或(huò)減小床身共振的產生,增加了機床的(de)精度(dù)保持性; 另一
方麵電氣櫃可以直接安裝在床身(shēn)上, 當機床X、Y 軸(zhóu)高速移動時(shí), 也能夠增加機(jī)床的穩定性; 機床運輸時, 機床主體(tǐ)可以與電氣櫃整(zhěng)體吊(diào)裝運輸, 避(bì)免了電線(xiàn)電纜重複性的拆裝。
3.2 立柱(zhù)
機(jī)床Y 軸采用直線電機驅動, 直線電機的(de)使用也給機床設計和裝配帶來了(le)一些難點,例如初級與(yǔ)次級間巨大的法(fǎ)向磁吸(xī)力(lì)[2],本機床(chuáng)所選用直線(xiàn)電機的初次級法向磁吸力達到了30kN,如此巨大的磁吸力由滑塊傳遞到直線導(dǎo)軌並(bìng)最終作用在立柱上, 這就要求立柱采用(yòng)承載能力強的結構形式。如圖3 所示,機床立柱采用“Y”形結(jié)構,將(jiāng)立柱上方(fāng)導(dǎo)軌麵設計在立柱豎直筋板上,增強了導軌、立柱裝配後的剛性,減小導軌受力變形的(de)幅(fú)度;同時,可以在機床加工空間大小不變的情況下, 節約機(jī)床整機的占地麵(miàn)積。
3.3 滑板
傳統的門式結構機床,滑板結構比較簡單,滑板的兩組滑塊安裝麵在同一個麵上, 並與橫梁前麵的兩根直線(xiàn)導(dǎo)軌相配合,構成了一個懸臂梁結構,加上滑枕(zhěn)和主(zhǔ)軸的質量,精度穩定性不夠好。本機床滑板采用“L”形結構,如圖4 所示,將(jiāng)兩組滑塊(kuài)安裝麵放置(zhì)在兩個相互垂直的平(píng)麵上, 有效地改善了橫梁上導軌(guǐ)和滑塊的受力狀況。另外,滑板上放置的直線電機初級與橫梁前麵放置的(de)次級之間的法向磁吸力(lì), 也能改善橫梁上導軌和滑塊的受力(lì)狀(zhuàng)況,提高整機的精度穩定性。
3.4 機械式數控雙軸(zhóu)轉台
機床A、C 軸功能主要靠(kào)機械(xiè)式數控雙軸轉台(tái)來實現, 該設備是(shì)沈陽機床設計研究院獨立設計研發的一款產品,其A、C 兩軸傳動(dòng)部分齒輪齧合間隙可以通過偏心機構調整齒輪中心距來實現,A、C 兩軸凸輪輸(shū)入與凸輪輸(shū)出軸(zhóu)齧合間隙可以通過偏心機構調整凸輪副中心(xīn)距來實現,A、C 兩軸(zhóu)可以任意進行角度分度、定位、自鎖。該設備通過調整,能夠消除數控雙軸(zhóu)轉(zhuǎn)台反(fǎn)向(xiàng)間隙,設(shè)備加工裝配方便,精度保持性能(néng)好。伺服電機分別安裝在A 軸、轉台C 軸中空箱體內部,伺服電機(jī)與外界(jiè)分離,結構緊湊(còu),有效地防止了(le)鐵屑與切削液等異物進入傳動機構 。
3.5 床(chuáng)身與立柱(zhù)的定位調整(zhěng)方式
床身與立柱的定位調整采用單邊帶有斜度的(de)楔塊與楔鍵的定位(wèi)調整方式(如圖5 所示),楔塊與楔鍵具有斜度的一麵的斜角(jiǎo)為1∶100,裝配後(hòu)能夠自鎖。通過采用這種定(dìng)位調整方式, 使立柱與床身的裝配調整更加方便和快(kuài)捷。
4 、結束語
隨著我國機床行業技術水平的不斷進步,高速、超高速機床(chuáng)的國產化已經不是夢想。通過對裝配完成(chéng)的(de)五(wǔ)軸立式銑床進行精度和性能的檢驗(yàn),均達(dá)到了設計要求,產品(pǐn)的性能和技術指標在國內同類型機床中也是領先的,並且接近該類產品的世界先進水平,具有廣闊的市場空間。
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