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一種電機軸螺杆加工專用的數控銑床機械結構係統優化設計

2023-8-22 來源：- 作者：-

摘要：【目（mù）的】針對螺杆（gǎn）加工（gōng）專（zhuān）用銑床存在（zài）自動化程度低、功能集成度不高、生產工藝周期長、機床結構形（xíng）式陳舊、機械結構穩定性差等不足。【方法】課題組以（yǐ）數控銑床係統結構穩定（dìng）性設計的研究為出（chū）發點，根據機床（chuáng）設計目標和各項性能指（zhǐ）標要求，研究與加工工藝相適應的功能機構布局，設計機床總體（tǐ）結構方案，重點研究上下料機構、旋銑係統、傳動係統、床身的設計。【結果】設計（jì）出具（jù）有性能優良、功能完備的高（gāo）端電機軸螺杆旋銑設備，實現電機（jī）軸螺杆的（de）自動加工，降低企業勞動生產（chǎn）成

本，提高（gāo）生產效率（lǜ），增（zēng）加企業經濟效益。【結論】該數控銑床整機結（jié）構設計穩定緊湊，占地麵積小，集成度（dù）高。

關鍵詞：數控銑床；機械結構；優化設計；螺杆加工

0、引言

近年來，我國電機軸螺杆（gǎn）旋（xuán）銑設備的各項性能有了明顯提升（shēng），但與國外高端旋銑設備相比，仍處於低水平重複狀態，具體表現如下（xià）：1）設（shè）備集成化程度低。現有機床功能結（jié）構無法滿足（zú）最優的生產工藝策略（luè），工（gōng）件流轉周期長，生產效率低（dī），占地麵積大。2）機床結構陳舊。現有電（diàn）機軸螺杆旋風銑床多以平（píng）床身為主，較國外斜導軌型、階（jiē）梯型導軌機床切削剛性（xìng）弱，且（qiě）裸露的導軌表麵易（yì）因大量的切屑衝擊而發（fā）生磨（mó）損和熱（rè）變形。3）旋風銑頭（tóu）穩定性不足。

國內旋風銑頭動力布（bù）置（zhì）多為後置型，帶型為聯組（zǔ）窄V 帶，傳動效率較低，易發生扭振，且動力後置使刀軸前後端軸承受力不（bú）均，後軸承磨損加劇，穩定性欠佳。銑（xǐ）頭的刀軸較長（zhǎng），內（nèi）孔多（duō）為直柱麵，嚴重製約了螺杆螺旋升角的加工範圍。為防屑防（fáng）液，銑頭多為密封（fēng）形（xíng），工作時軸承摩擦溫（wēn）升易引發（fā）刀軸熱變形。影響旋銑設（shè）備性能優劣（liè）的原（yuán）因有許多，除材料性能、製造工藝、安裝技術等影響因素外，機械結構的穩定性設計也是重要因素之一（yī）。為研製結構穩定、安全（quán）可靠的旋（xuán）銑設（shè）備（bèi），研究人員從旋銑成型機理著手，探究了工藝（yì）路徑、切削（xuē）參數、刀具數量、刀具材料、工件（jiàn）屬性等因素（sù）對切屑形貌、切屑分（fèn）布、成型精度、裝備加工效能的影響，構建了（le）時變切削力模（mó）型、時變熱源模型，優化了刀具數量和（hé）布局方式，為旋銑係統動力學分析、裝備結構設計和優化、裝備性能提升提供了重（chóng）要（yào）的技術支持。

旋銑係（xì）統的熱特性和動（dòng）靜（jìng）態性能是旋銑係統穩定性研究的重點。Son等從（cóng）螺杆旋風銑關鍵執行部件熱特性、動靜態（tài）特性等多方麵對旋銑（xǐ）頭的穩定性進（jìn）行了評估。研究結果表明：銑頭軸承的摩擦溫升是旋銑部件熱變（biàn）形和振動的主要影響因素，是旋風銑床設計製（zhì）造的重要研究內容之一。此（cǐ）外（wài），研究人員還分別針對螺杆旋風銑床和葉輪旋風（fēng）銑床的床身和銑頭進行了動（dòng）力學性能分析，並完成（chéng）了模態試（shì）驗，為數控旋銑（xǐ）設備的設計提供了指導。譚（tán）立新（xīn）研究了多軸（zhóu）旋銑裝置不同轉（zhuǎn）速下（xià）工件的變形與振動（dòng）誤差，提出（chū）了控（kòng）製轉速修調振動誤差（chà）值（zhí）的方法。張春建等對大型螺紋旋風銑床主傳動（dòng）係統和銑削工件係統進（jìn）行了動力學仿真分析，提出以多點支撐和矽油減震器抑製旋銑係統振動。尹輝俊等針對（duì）旋風銑床加工大型錨具外螺紋時的振動進行了測試分析（xī），采取增厚銑頭基（jī）座的方法降低振動。雖然研究人員在旋銑機理和係統結構穩定（dìng）性設（shè）計方麵進行了深入（rù）研（yán）究，但上述研究對（duì）象主要集中在絲杠、螺紋、螺杆、大模（mó）數螺杆、葉輪等方（fāng）麵，針對電機軸（zhóu）螺杆旋銑裝備的結構優化設計鮮有（yǒu）報道（dào）。因（yīn）此，需在已有研究（jiū）基礎上製（zhì）定電機軸螺杆的全自（zì）動加工工（gōng）藝方案（àn），合理規劃機床結構布局，開展（zhǎn）電機軸（zhóu）螺杆零件的銑削機理研究，明確刀具數量和布局方式，並在此基礎上利（lì）用先進的設（shè）計方（fāng）法合（hé）理構建與加工工藝方案（àn）相匹配的（de）係統結構，優（yōu）化並完善。

綜（zōng）上所述，本（běn）文（wén）以數（shù）控銑床係（xì）統結構穩定性設計的研究為出發點，根據機床設（shè）計目標和各項性能指標要求，研究與加工工藝相適應的功能機構布局，設計機床總體結構方案，重點（diǎn）研究上下料機構、旋銑係（xì）統、傳動係統、床身的設（shè）計。綜合提高工藝係統剛度，實現對（duì）螺杆加工係統的減振、抑振，保證（zhèng）零件的加工精度。

1、設（shè）計方法

1.1 上下料機構的優化設計分析

根據送料機構末端（duān）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，明確送料機構安（ān）裝（zhuāng）位置及行程範圍。設計與毛坯外形相適應的夾緊機構，計算所需夾緊力大小並匹配相關力源（yuán）機構。針對送料（liào）機構的功能目標（夾持（chí）毛坯並直線（xiàn）送入工件夾持機構）、傳動效率和執行速（sù）度，合理選擇運（yùn）動副類型，明確構（gòu）件參數。根據負載大小，計算並（bìng）確定送料機構的原（yuán）動（dòng）機性能指（zhǐ）標參數。分析成型零件的形狀、重量、工位情況以及旋風銑頭的布局（jú）和行程（chéng）範圍等影響因素，研究並確定回料機構的功能（收料、物料夾持、落料（liào））。擬采用疊加式機構設計法，解析各功能機構，明確運動副類型、數量和（hé）性能參數（shù），完成構件尺寸和結構設計，以滿足功能需求。針對機構執行（háng）速度（dù）、額定負載、轉動慣量等技術參數，確定動（dòng）力類型，計算並（bìng）選擇合適的原動機規格。以多體動力（lì）學（xué）為基礎，仿真分析回料機構的執行速度、受力狀態以及運動幹涉等情況，優化設計方案。

1.2 旋風銑床（chuáng）傳動係統的動態設（shè）計分析

為（wéi）滿足集（jí）成型旋風銑（xǐ）床的工藝流程，實現緊湊型一體化製造單元的構建，綜合考慮機（jī）床調速範圍、傳（chuán）動效率、傳動精度、傳動（dòng）穩定性、服役壽命等功能需求，擬針對傳動係統進行動態設計。依據集成型旋銑（xǐ）機床的執行功能和技術要求，提出各傳動係統的設計目標，優化選取各傳動係（xì）統的配置方式。1）工件主軸傳動係統（tǒng）設計。由旋銑加工負載特性、轉速變化範圍、傳動裝置效率等條件，計算工件主軸電機的輸出功率並選（xuǎn）型。在滿足（zú）零件加工範圍、不削弱剛度的條件下，根據電機輸出功率和主軸設計原則，初步（bù）確定主軸的懸伸（shēn）量、支承（chéng）跨距大（dà）小以（yǐ）及孔徑尺寸。研究係統（tǒng）所受載荷分布特（tè）征，合理選擇軸承類型（xíng）並進行軸承壽命校核。根據傳動配（pèi）置（zhì）方式，傳動比值要求（qiú），查閱相關設計手冊，確定各（gè）類工況（kuàng）係數，綜合（hé）考慮（lǜ）安裝空間限製，合理設計傳動（dòng）部件（jiàn）尺寸並完成校核。利用ANSYS有（yǒu）限元分析軟件，對主軸傳動係統進行靜態、動態特性分析，主要研究主軸的強度、剛（gāng）度、振型和主軸結構參數之間的（de）規（guī）律變化，優化主軸傳（chuán）動係統的設計方案。2）軸向和徑向傳動係統設計。根據旋風銑床加（jiā）工精度、加工行程、進給速度、負載大小等技術要求（qiú），確定（dìng）滾珠絲杠副的工作參數，初步計算確定絲杠導程、精度、額定動載荷，估算最大允許軸（zhóu）向變形（xíng）量、螺紋底徑（jìng），確定滾（gǔn）珠絲杠副規格代號，並進行各項性能校核。計算分析絲杠總轉動慣（guàn）量、絲杠總負載轉矩、空載（zǎi）加減速轉矩等，合理選擇（zé）電（diàn）機型號並校核。根（gēn）據係統（tǒng）的最大負載力和絲杠預拉伸軸向力總和的大小（xiǎo）來確定軸承（chéng）副的最大軸向載荷，基於該值進一步計算（suàn）軸承副（fù）的預緊力大小、軸承副的額定動載荷、軸承的當量載荷等（děng）基本信息（xī），確定軸承型號並校核。根據滾動導軌的選用準則以及導軌副的實際工作情況，確（què）定軌寬、軌長、滑塊類型、精度等級、組合高度類型、預壓等級等。分別對軸向和徑向傳動（dòng）係統進行（háng）動態（tài）分析，優化傳動（dòng）係統的設計。

1.3 基於靈敏（mǐn）度分析的床身優化設計

床身是旋風銑床最重要（yào）的支撐元件，其結構的合理性（xìng）和性能好壞將直接影響機床的加工精度和裝備的製造成本。從布局（jú）形式、載荷（hé）分布、剛性、整體穩定性等方麵（miàn）對現有旋風銑床的床身結構進行分析（xī），項目擬采用減振抑（yì）振效（xiào）果較好的局部瓦楞型筋板及（jí）肋骨強化的高剛性階梯型床身結構。基於其實際工況進行靜態、動態特性分析，綜合考慮各階（jiē）模（mó）態重要程度，初定設計變量的尺寸變化範圍，采用 BoxBehnken 試驗法和靈敏度分析（xī）確定各設計變量對輸出參數（shù）（質量、位移、固有頻率）的影響程度，選出靈敏（mǐn）度較高的（de）設計參數（shù），建立（lì）響應曲麵模型。以質量最小、位（wèi）移（yí）最小、固有頻率最高為目標函數，采（cǎi）用篩選法進行多目標參數優化，獲得最（zuì）優結構參數。機床床身結構（gòu）優化分析圖如圖1示。

圖1　床身結構優化分析圖

2、結語（yǔ）

課（kè）題組提出了螺杆專用的數控銑床機械結構係統（tǒng）優化設計理論及其配套係統（tǒng）結構的設計是實現集成型旋銑（xǐ）機床全自動加工的決定因素，其設計的合理性將直接影響旋銑裝備的加工（gōng）性能、生產效率和加工精度，是解決現有電機軸螺杆旋銑設（shè）備生產工藝周期（qī）長、加工穩定性差、集成度低（dī）等問題（tí）的（de）關鍵。課題組開發了一種新的連續送料自動加工工藝，設計並優化了（le）與工藝策略高度匹配的關鍵功能結構。設計實現電機（jī）軸螺（luó）杆的全自動化（huà）加工，有望（wàng）縮短工藝生產周期，提升生產效率，且整機結構設計（jì）穩定緊湊、占地麵積小、集成度高。

來源：

作者：陳聰1 ，王貽誠3 ，鄭雪飛1 ，邵思程2 ，陳建新（xīn）1 ，王勝2 ，朱（zhū）勤1

（1. 浙江赫（hè）科智能裝備有限公司2. 衢州職業技術學院 3. 衢州（zhōu）賦騰（téng）科技有限公司）

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