龙门式微铣削机床的结构设计及分析*

李晓舟，郑 艳，许金凯

(长春理工大学，机电工程学院，长春 130022)

0 引言

微小零部件的应用越来越广泛，在航空航天，生物医学以及高科技电子产品等方面也有广阔的应用前景，因此微细加工备受关注。随着经济的发展，对机床的加工性能和加工效率的要求更高。自从1970 年Dutta［1］等人提出了微型机床的概念以来，各国科研人员以及院校相继展开了对微加工工艺及微机床的研究，并且取得了显著的成绩。在微细加工技术领域中，微铣受到研究人员的青睐，进而微铣削机床的研发及微铣削工艺的研究也格外受到重视。本文自主设计一台龙门式微铣削机床，并且进行有限元分析。

1 机床的总体设计

微铣削机床的设计要求:整体尺寸为600mm ×600mm × 550mm，X轴、Y轴和Z轴的进给行程为±30mm，定位精度小于5μm，重复定位精度小于1μm，主轴回转精度小于1μm，实现全闭环控制。根据上述要求设计，整个机床分为龙门结构、进给工作滑台、主轴系统、切削力测试系统、激光式对刀仪、CCD 摄像、切削液供给系统以及软件控制部分，整体机床布置图如图1 所示。

龙门结构:横梁和立柱之间由KK 模组联接，立柱固定，横梁在KK 模组的带动下往复移动。加工范围增大、空间较开阔、降低生产中产生的震动，保证了加工的尺寸精度。并且整个龙门结构的材料选择大理石材料，阻尼特性是铸铁的10 倍，减振效果、热稳定性比铸铁明显提高，所以确保了表面质量最佳和切削效率最大化。

进给工作台:包括X、Y、Z轴直线进给滑台和360°旋转进给滑台，可以实现复杂曲面的三维加工。直线滑台的行程为±30mm，定位精度5μm;旋转滑台的定位精度0.025°。XY滑台水平布置，旋转滑台布置在XY滑台之上;Z轴滑台固定在龙门结构的横梁处，垂直于XY水平滑台，并且可以沿着X方向移动，增加了加工范围。每个进给滑台配有一个分辨率为0.1μm光栅，作为检测和反馈装置，达到设计要求精度和实现闭环控制。

主轴系统:主轴通过夹具固定在Z轴滑台上，外径30mm、最高旋转速度60000r/min、回转精度1μm 以内。

切削力测试系统:放置在旋转台之上，切削力采集系统利用Kistler 测力仪对微细铣削切削力进行检测，作为控制切削力的依据。

CCD 摄像:实时观测加工情况以及辅助对刀，便于及时发现加工中出现的问题。

激光式对刀仪:高端性刀具测量系统，对刀具进行非接触式的精密自动测量，轻松实现刀具长度、直径、磨损、破损等的实时自动测量。测量精度可达0.2μm。

图1 龙门式微铣削机床

总体的设计实现了多轴多功能的全闭环微铣削系统，集加工和检测于一体。精密滑台与光栅的配合使用，能够实现设计精度的要求;龙门结构的应用，使加工空间开阔，抗震性好;激光式对刀仪和CCD 摄像头的加入，能够精准的实现对刀和切削过程的实时观测，便于及时处理问题，提高加工效率。本文只是介绍结构设计部分，而软件控制部分由以后试制、装配完成之后决定。

2 结构分析

2.1 载荷计算

整体的载荷包括床身、模块的重力以及加工过程中的切削力。

微铣削机床的切削力为铣削力，刀具材料以硬质合金为例，铣削力的计算经验公式为［2-3］:

式中:Fc—圆周切削分力、CF—刀具磨损系数、ap—铣削深度、Z—铣刀齿数、fz—每齿进给量、ae—铣削宽度、d0—铣刀直径、n—转速。

各铣削参数:CF= 825、ap= 0.1mm、Z= 2、fz=0.1mm、ae=0.05mm、d0=4mm、n=10000r/min，将以上参数代入铣削力的计算公式，可求圆周切向力Fc=1.937N，将铣削力分解为进给力Ff= 0.9Fc=1.7433N，径向力Fe=0.35Fc=0.678N，垂直进给力Fv=0.55Fc=1.065N。

2.2 静力学分析

龙门结构是龙门式机床的主要支撑结构，龙门的刚度也是设计中主要考虑的问题。为了使建立的分析模型更加接近实际情况，所以对龙门结构和主轴系统进行整体的静力学分析。分析结果如图2 所示，整体床身的变形达到5μm，而等效的最大应力为0.444MPa。显然最大变形过大，不符合设计标准。

图2 龙门的静力学分析图

由分析可知，横梁与工字型立柱是薄弱环节。在保证刚度的前提下，提高承载能力，也尽量减小质量。应用ANSYS 中的曲面响应模块对横梁和工字型立柱进行优化，寻求响应点。图3a 为横梁的三维简化模型图，以H、D为输入变量，以总变形量、最大等效应力和质量为优化目标参数。根据整体的设计指标，取80mm≤H≤140mm，70mm≤D≤100mm。图3b 为工字型立柱的三维简化模型图，以h、b、d为输入变量，以总变形量、等效应力和质量为优化目标参数，取50mm≤h≤80mm，100mm≤b≤140mm，165mm≤d≤205mm。优化前后的参数对比如表1 所示。

图3 三维简化图

表1 横梁和立柱优化的参数对照表

横梁的优化结果:质量增加了27%，总变形量增加0.007μm，等效应力减少了0.014MPa;立柱的优化结果:质量减少4.4%，总变形增加了0.265μm，等效应力减少了0.045MPa。横梁的质量增加与立柱的质量减少进行互补。完成横梁和工字型立柱的优化之后，对龙门结构进行静力学结构分析，分析结果如图4 所示。总变形减少到0.6μm，最大等效应力也减少到0.271MPa。虽然整体质量有所增加，但是在静力学结构分析中，整体龙门的静态结构特性良好。

图4 优化后龙门的静力结构学分析图

2.3 动力学结构分析

振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析能够得到结构的固有频率和振型，进而合理的设定主轴的转速，避免共振。这里只介绍前六阶频率，模态分析结果如图5、表2 所示。

图5 龙门模态分析图

表2 龙门结构前六阶的频率/Hz

根据模态分析可知，前五阶振型均为龙门结构的立柱出现摆动现象，而第六阶振型出现在Z轴滑台。但是实际加工时横梁处于立柱中间部分，立柱中间的承载能力较大，会减少立柱的变形量。由于分析软件的局限性只得到前六阶的频率，而根据主轴的转速预估的最高载荷频率是1000Hz，所以进一步对龙门结构进行谐响应分析，更加准确的分析机床的动态特性。载荷的加载如2.1 小节所介绍的铣削力经验公式，设置频率区间为300～1100Hz，载荷步为50 步。图6 所示为横梁上端面在三个方向的变形情况。峰值出现在460Hz 附近，X方向的位移量为0.069μm，Z方向的位移为0.023μm。所以整个系统在36000rpm～60000rpm可实现稳定的高速切削，总的来说优化后龙门的动静态特性显著提高。

图6 龙门谐响应分析图

3 总结

本文设计一台龙门式微铣削机床，铣削单元采用立式结构，集加工和检测于一体。运用ANSYS 对龙门结构进行静态和动态结构分析，并且优化薄弱的环节，提高龙门整体的结构特性和动态特性，进而可实现高速微铣削加工;通过模态分析和谐响应分析，得到龙门结构的前六阶频率和振型，并且确定共振点，在实际加工中可以合理的设置转速。从设计、分析到优化，完成了整体机床的设计过程，为以后的切削理论分析和加工提供实验平台。

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