高精度数控钻铰孔专用机床设计*

2014-07-24宋开栋

机械研究与应用 2014年4期

关键词：床身专机伺服电机

宋开栋

(甘肃省机械科学研究院,甘肃兰州 730030)

高精度数控钻铰孔专用机床设计*

宋开栋

(甘肃省机械科学研究院,甘肃兰州 730030)

介绍在大批量加工龙筋定位销孔工况下，一种专用数控高精度要求机床的零部件选型过程及研发该专机的技术背景，详述了其工作原理及主要结构，介绍了机床核心尺寸的设计原则及分析。从解决矛盾的角度，以加工实验为手段，分析了本机床的研发价值。

专用机床;高精度;数控;专用夹具

Abstract: The parts′ selection process of a special precision CNC machine tool and technical background of the plane′s development are introduced in high-volume processing Long dowel hole conditions. Its working principle and the main structure are detailed, the design principles and of tool′s core size is introduced. From the perspective of resolving contradictions, taking experiments as the method, the research and development value of the machine are analyzed.

Key words: dedicated machine; precision; CNC; special fixtures

0 引言

一些零件加工的某些工序, 通用机床不能实现, 或者不能很好地满足要求, 如某特殊形状的零件, 通机不能加工，有些勉强可以被加工, 但某项精度要求很高, 达不到要求。有些虽能被加工, 精度也能被保证, 但辅助时间太长, 或者经济效果不好, 或者操作者工作量很大等,必须设计专用机床[1]。

从机床发展史上看, 机床经历了由专用机床到通用机床, 又由通用机床到专用机床的发展道路。最早出现的原始机床是专机。后来, 专机的工艺范围扩大并定型化, 机床的布局和结构也定型化, 于是在专机的基础上演变出通机。再往后, 一方面通机的结构和性能不断改善, 另一方面在通机结构的基础上又发展出各种高生产率的机床, 包括：专用机床、组合机床、数控机床和自动线等。由于专机的工艺、布局、结构以及性能等都是针对特定的被加工零件设计的, 因此易使机床结构简单、自动化和多刀加工, 从而提高了生产率[2]。

专用机床的任务是使机床和生产要求之间的矛盾得到统一。因此, 设计专机时, 必须针对矛盾的特点, 采取相应的措施。在一定程度上矛盾的特点即决定了专机的特点。因此, 专机可按所解决矛盾的特点进行分类。根据对各地典型专机的初步调查, 专机可由提高生产率的(Q类)、提高精度光洁度的(G类)、加工奇形零件的(X类)、简易的(J类)、减轻操作劳动的(H类)五个基本类型派生得到。如一种主要用于加工奇形零件的专机, 若同时还提高了劳动生产率, 则可用代号XQ表示。

国产专用机床有以下几个特点：①以粗加工、半精加工专用机床为主；②配套件与主机的质量不匹配；③刀具配套服务是一个薄弱环节。

图1 高位置精度的钻铰孔专用机床主要结构示意图1.床身及X向高精度进给传动单元 2.滑台 3.加工中心滑台及高精度进给模块 4.主传动模块 5. 切削主电机 6.加工中心主轴单元 7.龙筋专用夹具 8.侧立柱

1 高精度数控钻铰孔专用机床研发技术背景

现有的加工方案是：等龙筋的各粗加工工序、面加工工序完成后，在卧式镗铣加工中心上加工这两个销孔。

现有方案的优势：能保证孔精度，能保证两孔位置精度；现有方案的劣势：加工中心成本较高，无专用夹具，每次装夹时间过长，零件批量大，影响加工中心的其他工艺布置，工时长，人工成本较高。

为了解决加工精度与加工成本等之间的矛盾，普通的专机又不能满足，必须设计以加工中心单元为支撑的高精度数控专机。

2 高精度数控钻铰孔专用机床工作原理

启动数控系统，将被加工的龙筋装夹在有圆柱销定位的专用夹具上，调用该型号龙筋的加工程序，启动自动加工模式，X向伺服电机启动，将主动力头传动至程序设定坐标位置，X向伺服电机停，加工中心主轴单元启动，Y向伺服电机启动，工进至设定坐标，加工中心主轴单元停，工退至设定坐标，Y向伺服电机停；X向伺服电机启动，将主动力头传动至程序第二孔设定坐标位置，X向伺服电机停，加工中心主轴单元启动，Y向伺服电机启动，工进至设定坐标，加工中心主轴单元停，工退至设定坐标，Y向伺服电机停，X向电机反转启动，将主动力头传动至程序原点位置，一个加工循环结束。卸工件，装夹下一工件。

由于被加工零件龙筋有27种，两销孔位置不同，所以数控系统内存储了27种加工程序，加工不同种类的一批零件，调用相应的程序。滚珠丝杠的传动精度为0.01 mm /m,伺服电机精度0.005 mm/m，因此，可以保证加工两孔间的位置精度0.05 mm。加工刀具选用加工中心用钻绞一体刀，可以保证孔的尺寸公差及表面光洁度。

3 高精度数控钻铰孔专用机床主要结构

高位置精度的钻铰孔专用数控机床采用模块化设计，共分为4个模块：床身及X向传动模块；加工中心滑台及Y向传动模块；加工中心主轴及动力模块；侧立柱及夹具模块(见图1)。

(1) 床身及X向传动模块床身(见图2)整体铸造而成，参照了床身设计规范，考虑了筋板、铸造圆角等铸造工艺，普通床身配了高精直线导轨，保证了床身的导向精度。

图2 床身及传动简图

进口伺服电机、滚珠丝杠、优化的定位结构保证了X向传动精度。因此保证了两孔间位置精度。

对床身进行了受力分析(见图3)，导轨面载荷9460 N，最大形变0.0078 mm，机床的使用要求此形变要小于0.05×0.3=0.016 mm，经过校核床身结构设计合理。

图3 床身受力分析

(2) 加工中心滑台及Y向传动模块整体采用了优质的加工中心滑台单元，保证了Y向传动模块的可靠性。

(3) 加工中心主轴及动力模块采用优质的加工中心主轴单元，做了静平衡、动平衡试验；主轴采用同步带轮传动，实现了电机上前置布置型式，确保了主轴转速；主电机变频调速，不同直径的孔可选用最优的切削转速。主轴箱关键孔精镗，进行圆柱度、圆度、圆柱-端面垂直度、孔公差检验，满足设计要求。切削主电机的选择按照《组合机床切削用量计算图》[1]的计算方法进行计算。公式如下：

(1)

式中：V为切削速度(m/min)；P为轴向力(kg)；M为扭矩(kg·mm)；N为切削功率(kW)；T为刀具耐用度(min)；HB为布氏硬度；D为钻头直径(mm)；S为进给量(mm/r)；π为圆周率[1]。

(4) 侧立柱及夹具模块侧立柱，也是支撑被加工件的工作台，是夹具的一部分，铸造成型。它与床身的连接面，采用了巧妙的设计、加工、装配工艺，保证定位精度；直接支撑工件的是很多V形块，利于排屑，淬火后提高了耐用度，多个V型块一次加工成型，保证了装夹精度；多种龙筋共用一个定位销，通长有T型槽，夹具拉杆及T型块位置可调，手动夹紧，使专用夹具相对通用(见图4)。对龙筋类零件的加工，创造性地用简单的结构，解决了复杂的问题。

(5) 试切及检验结果两被加工销孔的公差要求±0.05 mm，对3个系列、各10件龙筋进行了试切，在三坐标测量仪上检验了各龙筋的两孔位置公差，加工偏差远远小于公差要求，满足使用要求。试切结果见表1 试切检验数据表。

从试切结果看，本机床的加工精度满足使用要求，精度达到加工中心加工精度。较同类普通专机，本机床精度更高。