含能材料加工专用数控机床设计

2015-09-12陈昌金伍凌川王新科景富军

兵器装备工程学报 2015年3期

陈昌金，伍凌川，王新科，景富军

(中国兵器工业第五八研究所，四川绵阳 621000)

含能材料［1］制品的成型方式主要有熔铸和压制成型两种方式，均需要设计专用的模具。其中熔铸成型适合多种形状产品的批量生产，而压制成型只适合简单形状的批量生产线。随着新型装备的发展需要和精密装药技术的进步，含能材料制品的形状越来越复杂，采用熔铸和压制成型的方式加工小批量产品具有成本高、周期长等诸多不足。本文讨论的压制成型(简单形状，如柱状等)+切削加工的工艺路线可有效解决这些问题，并具有成品密度高的优点等。

为了加快新型装备的研究和试制进度，降低科研过程的成本，我单位与某单位联合开发了用于简单成型含能材料复合加工的专用数控装备。

1 技术路线

由于设计定位是用于含能材料的试制和小批量生产，机床必须具备多种加工功能:一次装夹就要实现车、铣、钻等加工。且含能材料自身具有能量，在特定条件下(如摩擦、冲击、静电等)能量就会被释放出来，引起燃烧或爆炸［2］，必须在机床设计、电气集成等方面充分考虑安全性措施。

2 机床设计

用于本设备加工的毛坯多为柱状，多数加工方式为车削［3］，因此机床采用45°斜床身车床布局，如图1所示，具有X、Y、Z三个直线进给轴，主轴采用伺服主轴，并配有一台动力刀塔，可以通过一次装夹完成对工件的车、铣、钻等加工，也方便加工过程三废回收。

机床床身采用整体铸造成型，采用45°斜床身布局方式，确保机床具有良好的强度和刚度，并方便废液、废渣［4］的回收［5］。

机床进给轴均采用防爆伺服电机+弹性联轴器+滚珠丝杠副的传动方式，丝杠专用角接触轴承支撑;为防止在断电后X、Y机构由于重力的作用自动下滑，这两个进给轴都装有单向超越离合器。机床主轴采用防爆伺服电机+圆弧齿同步带+主轴单元的传动方式，并在主轴单元的末端装有制动器。

图1 机床(不含机床护罩)三维示意图

在完成机床设计后使用Ansys软件对机床关重件及整机进行有限元分析，如图2所示，通过分析改进设计，确保机床足够的强度和刚度。

图2 机床整机有限元分析结果

3 数控系统集成设计

机床数控系统采用西门子828D，使用位置半闭环控制方式。整个电控部分由操作台、控制柜、外围控制等组成。

操作台由显示控制模块、MMC483机床控制模块、I/O接口模块、视频监控系统等组成;控制柜由机床强电回路、各电机驱动回路、中间继电器回路等组成;整机外围配套由信号转接箱、刀塔回路、液压站回路、机床轴零点及限位开关、机床防爆照明灯、机床加工区间门控信号、冷却回路、手动润滑回路、对刀Mini电子手轮、防爆转接箱等组成。数控系统配置如图3所示。

4 机床安全性设计

含能材料加工的关注重点第一条就是安全，为此，采取了多重措施以提高加工过程的安全性。为了确保加工过程中操作人员的安全性，采用操作人员在中控室控制防爆间内的机床的远程操作模式［3］，如图4所示;增加监控系统，操作人员可以及时了解加工过程中出现的任何情况。

图3 数控系统配置框图

图4 布局示意图

冷却系统采用冗余双管路系统，确保加工过程的温升在安全范围内。机床所有进给伺服电机均采用防爆电机，进入防爆间的电气信号均进行了安全隔离处理，确保防爆间的电气系统符合安全要求。防爆间的防爆门开关与加工启停采取互锁控制，确保操作人员的安全。机床设有特殊的废渣清理和冷却液回收系统，确保不会产生含能材料的堆积。机床进行特殊的安全处理措施，保证机床相关静电要求符合含能材料加工要求。切削刀具采用专用材料，保证加工过程的安全性。