大型经济型数控钻床结构设计与研究

宁波海天精工股份有限公司沈阳研发中心 (辽宁 110002)刘 林

摇臂钻床作为孔加工机床主导产品已经有几十年了，多年来一直处于销售的旺盛期，但是随着自动化技术的发展，特别是数控技术在机床上的发展，摇臂钻床的低生产率、低精度、低柔性的缺点日益突出。据调查研究，目前市场上越来越多的管板类零件尺寸都达到3～4m 甚至更大，这么大尺寸的零件上往往需要加工上千个孔，而且孔的尺寸大小不同，有的孔还需要攻螺纹，如果用要在普通钻床加工这样的孔显然是效率非常低。只能用龙门加工中心进行加工，但这么做非常不经济，因为这么大加工范围的龙门加工中心的成本都在几百万甚至上千万。目前在热交换器等行业中，应用于中、小型管板类、盘类和钢梁结构连接件、以钻孔为主要加工工序的、而且具有较高孔位加工精度的经济型数控机床市场十分受市场及用户青睐，市场需求量多，适应性广，所以就需要一种经济型的数控钻床来满足市场的要求。

分析中国市场形势，高档的数控产品因其价格昂贵，目前对于相当多的乡镇企业、私人企业、以及不十分景气的国有企业也是可望而不可及的。而对比国外市场，由于我们的技术相对落后、生产经验、生产能力、制造水平都存在较大差距，现在要开发高档产品与国外厂家竞争显然时机很不成熟。而中大规格的经济型数控机床尽管有关性能指标不及高档机床，但功能类似，且价格低、操作方便、使用可靠，受到广大中国用户欢迎。

本文以GD2000X4000 为例，阐述了设计过程中难点的解决方法，论证了设计制造一款适合我国国情的经济型数控钻是完全可行的。

首先根据市场需求，成本和结构可行性等因素设定产品主要技术参数(见表1)。

表1 GD2000×4000 主要参数表

1.结构设计

采用模块化设计，框架采用立式龙门结构，其中工作台在床身上前后移动为X 轴，主轴箱在滑鞍上沿横梁左右移动为Y 轴，主轴箱在滑鞍上上下移动为Z 轴(见图1)。从机床正面看，数控机床主轴传动系统由主伺服电动机驱动，通过齿形带传递给主轴，使主轴实现无级变速，这种结构使主轴能够达到8 000r/min，采用这种结构很好地解决了主轴在高速时的噪声问题，传统齿轮箱采用齿轮降速，拨叉换挡，这种结构使主轴在高速时容易产生噪声，齿轮长时间工作磨损后，维修不方便。齿形带传动能很好地避免这些问题，而且维修和维护方便，结构简单，成本低。主轴组采用中国台湾旭泰主轴组，具有高精度，高性能。主轴抓刀是靠主轴上的碟形弹簧以拉紧力通过四瓣爪式拉刀机构作用在刀柄上的拉钉上，使刀具与主轴锥孔紧密配合来实现抓刀。卸刀时，卸刀油缸活塞推动主轴内的实心轴并压缩碟形弹簧实现自动卸刀。机床具有主轴定向功能。机床可实现刚性攻螺纹。传统机床主轴的转速和Z轴的进给是独立控制的，在加工到孔的底部时，主轴和Z 轴的转速降低并停止，然后它们反转，而且转速增加，由于各自独立执行加、减速，可能存在配合不同步的情况。为此，通常需安装在攻螺纹夹头内部的弹簧对进给量进行补偿以改善攻螺纹的精度。本机床因为具有主轴定向功能，可以控制主轴的旋转和Z 轴的进给的同步，使攻螺纹的精度可以得到保证。本机床具有主轴吹气功能。用于自动换刀时清洁刀具。

图1 机床外观图

床身采用焊接结构，有利于用户对不同X 轴行程和Y 轴工作宽度的变化，这样采用焊接件交货期可缩短。立柱和横梁采用高强度灰铸铁铸造，采用箱形结构，壁厚多筋，截面形状为矩形，具有良好的刚性和抗弯性。床身、横梁的导轨均采用国外直线导轨;主轴箱采用铸铁导轨;滑鞍与主轴箱导轨接触面贴附有高耐磨且低摩擦系数的环氧树脂，经精密刮研，以保证良好的运动精度。切削吸振性好。

X 轴拖动是伺服电动机通过联轴器传递给床身丝杠带动工作台在床身上前后移动，实现X 轴进给运动。

Y 轴拖动是伺服电动机通过联轴器传递给滑鞍丝杠带动滑鞍在横梁上左右移动，实现Y 轴进给运动。

Z 轴拖动是伺服电动机通过同步带传递给滚珠丝杠带动主轴箱在滑鞍上上下移动实现Z 轴进给。Z轴电动机带有自动抱闸功能，在断电的情况下，自动抱闸将电动机轴抱紧，使之不能转动。

2.三轴电动机计算

参数选择如表2 所示。

表2 三轴电动机参数选择

(续)

合力Fε=Fa+f=10 000 +490=10 490 (N)

丝杠输出给负载的加速力矩

式中丝杠导程h=0.012m;圆周率π=3.14;丝杠传动效率η1=0.9。

丝杠自身转动惯量

式中工件的密度ρ=7 850，丝杠的直径D=0.063mm，丝杠的长度L=5m。

丝杠克服自身惯量加速的加速力矩

减速机输出端的加速力矩

减速比i=2，减速机效率η2=0.9。减速机输入端的加速力矩T2=T1/iη2=53.69/2×(0.9)×2=29.828 (N·m)。电动机自身转动惯量 Jm=0.017 kg·m2，电动机的最大转速n2=n1i=1 250×2=2 500r/min，电动机角加速度bm=bsi=523.333×2=1 046.667 (rad/s2)。

电动机克服自身惯量加速的力矩

电动机在加速时总的输出最大力矩Tm1=T2+Tm=47.621 (N·m)。

对数控机床而言，快速空载启动力矩一般符合

式中，Mr为马达额定转矩，λ 为瞬间过载指数，对交流伺服电动机而言λ=1.5～2。那么我们前面计算所得的47.621/25=1.88 ＜2，可见启动是完全在安全系数范围之内的。

另外，关于主轴箱进给电动机的选择，以及滑鞍(Y 坐标)拖动电动机的选择与上面计算工作台拖动电动机的方法完全一致，在此不再赘述。以上是该机床床身工作台部分的论述。

3.结语

该机床样机试制完成后，经鉴定各项技术指标和精度符合设计要求，并已经过市级鉴定，现已投入批量生产，并进行了规格的扩大和系列化设计。