XH716/1立式加工中心的設計

戴 亞

(上海市第三機床廠 上海 201600)

為了應對國內(nèi)機械加工行業(yè)對大規(guī)格立式加工中心的需求，在進行深入市場調(diào)研和技術(shù)認證的基礎上，設計了XH716/1型立式加工中心，以滿足汽車、航空航天、軍工、汽輪發(fā)電機等行業(yè)加工大型復雜零件的需要。

XH716/1型立式加工中心采用了十字型結(jié)構(gòu)布局，如圖1所示。機體結(jié)構(gòu)呈金字塔形，為重載荷及強力切削提供了穩(wěn)固的基礎；倒向Y形大跨距立柱，為主軸箱提供了穩(wěn)定的支撐。由工作臺的左右運動(X向)、滑鞍的前后運動(Y向)及主軸箱的上下移動(Z向)組成3個進給傳動機構(gòu)。在設計過程中充分考慮了機床剛性、熱變形、切削能力及精度穩(wěn)定性，其中Y向采用了“四導軌”布局（在主導軌的中間設置了輔助導軌），使床身的支承剛性得到了加強，顯著提高了機床的承載及抗振能力；該機床的床身、滑鞍、立柱、工作臺及主軸箱均經(jīng)過Cosmos Works有限元軟件分析并經(jīng)過優(yōu)化設計，提高了設計的效率和水平。機床配備全封閉防護罩殼，造型美觀、時尚。

圖1 XH716/1型立式加工中心布局圖

1 支承件的設計

在機床設計中對支承件的基本要求是：

(1)應具有足夠的靜剛度和較高的剛度—重量比。支承件所受的載荷，主要是拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)，其中彎曲和扭轉(zhuǎn)是主要的，因此，支承件的剛度，主要考慮彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度；

(2)應具有較好的動態(tài)性能；

(3)應具有較好的熱變形特性。

為達到以上性能指標，設計時使用三維軟件Solid works進行物理建模。在保證計算精度前提下，根據(jù)圣維南原理，對部分局部特征如倒角、凸臺、油孔等進行了簡化，并將模型導入Solid Works的Cosmos Works有限元插件，對受力和變形進行定量分析。經(jīng)過網(wǎng)格劃分、添加約束、施加載荷步驟后進行結(jié)構(gòu)和模態(tài)分析，以剛度—重量比作為指標對模型進行修改，以最小的成本獲得機床最大的整體剛性和運行穩(wěn)定性。經(jīng)實際檢測，在受力及約束加載正確的前提下，Solid Works軟件有限元分析插件Cosmos Works對機械零件變形分析的理論結(jié)果與實測值偏差在30%以內(nèi)。由于支撐件均采用高性能灰鑄鐵材料（HT300），具有較高的抗彎、抗扭強度。因此即使在極限情況下，所受的最大應力與材料的強度極限也相距甚遠，安全性很高。其中床身和滑鞍的結(jié)構(gòu)分析處理較為典型。

該機床的床身采用閉式箱形結(jié)構(gòu)，床身橫截面如圖2所示，床身壁厚均勻，并在主要承載力處適當進行了加強。該結(jié)構(gòu)在保證足夠抗彎和抗扭剛度的前提下，最大程度地減輕了床身的重量；地腳采用爪座式結(jié)構(gòu)，降低了床身高度，使得機床跨距增大，有效地提高了運行時的穩(wěn)定性。

圖2 床身橫截面圖

滑鞍的結(jié)構(gòu)較為復雜，如圖3所示，滑鞍內(nèi)部有縱橫交錯的筋板，并且有相當多的開口、凸臺等特征，在確保性能不變的情況下，建模時進行了適當?shù)暮喕?。使用有限元分析軟件，對初始方案進行了優(yōu)化，得出其最優(yōu)橫截面為扁“M”型（對導軌部位進行了適當?shù)募雍瘢岣吡嗽撎幍木植縿偠龋?，整體結(jié)構(gòu)設計成封閉的箱形，內(nèi)部合理布置加強筋；該結(jié)構(gòu)可在較小的重量下得到較高的抗彎和抗扭剛度。實際測試和使用表明該結(jié)構(gòu)具有較優(yōu)異的各向抗彎、扭剛度。

圖3 滑鞍橫截面圖

為進一步提高產(chǎn)品的性能，在設計時還采取了一些措施，如：為了增加鑲條柔度，選用了小的厚度和斜度（1:100），并在中部進行銑低，可使斜鑲條兩端保持良好的接觸，減少了刮研面積。零件的聯(lián)接盡量使用數(shù)量較多的小直徑螺栓，避免了大直徑螺孔對基礎件強度的影響，也降低了聯(lián)接處的法向變形。

2 進給系統(tǒng)

機床進給系統(tǒng)的性能指標主要由以下指標進行衡量：

1)穩(wěn)定性

穩(wěn)定的系統(tǒng)在輸入變量改變、啟動狀態(tài)或外界干擾作用下，其輸出量經(jīng)過幾次衰變振蕩后，能迅速地穩(wěn)定在新的或原有的平衡狀態(tài)下。穩(wěn)定性和系統(tǒng)的慣量、剛度、阻尼以及系統(tǒng)增益都有關(guān)系。

2)精度

精度是指系統(tǒng)的輸出量復現(xiàn)輸入量的精確程度，包括定位精度、重復定位精度和輪廓跟蹤精度。

3)快速響應特性

指系統(tǒng)對指令輸入信號的響應速度及瞬態(tài)過程結(jié)束時的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應時間和傳動裝置的加速能力等，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)均可以通過修改調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，以獲得最佳切削效果。

為滿足以上要求，設計進給傳動裝置時應滿足：

(1)轉(zhuǎn)矩（功率）匹配，即選擇伺服電機時，需要滿足：一、最大切削負載轉(zhuǎn)矩不得超過電機的額定轉(zhuǎn)矩；二、最大空載加速轉(zhuǎn)矩不得大于電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩。

(2)慣量匹配，即在轉(zhuǎn)矩一定的情況下，伺服電動機本身的慣量JM與外部慣量折算到電機軸上的慣量JL之和越小越有利于調(diào)速，瞬態(tài)響應越好,電動機加、減速時所需的能量越少。伺服電動機轉(zhuǎn)動慣量JM和負載轉(zhuǎn)動慣量JL的匹配關(guān)系，一般為1＜JM/JL＜4。在此范圍內(nèi)，JM/JL值越小性能越佳，通過調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)的位置環(huán)增益、速度環(huán)增益的參數(shù)可以獲得較好的綜合性能。

為達到以上指標，對于采用滑動導軌的機床而言，減小導軌副摩擦阻力、提高壽命的主要方法是采用注塑或貼塑導軌。該機床采用了貼塑導軌，結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，具有運行摩擦阻力小、剛性及吸振性好、壽命長等優(yōu)點。貼塑導軌與機床淬火導軌配磨后，得到了極佳的接觸剛度。在傳動機構(gòu)中，伺服電機和滾珠絲杠采用了高剛性、高精度的雙螺母預加載荷滾珠絲杠，通過高剛性的無齒隙聯(lián)軸器與伺服電機聯(lián)結(jié)，獲得了較變速機構(gòu)等其它聯(lián)結(jié)方式更大的聯(lián)結(jié)剛度；絲杠采用一端固定，一端自由的支撐方式，裝配時進行了預拉伸，有效地提高了抵抗熱變形的能力，使機床更適合于在長時間重切削的工況下連續(xù)運行。

3 主軸傳動系統(tǒng)

主軸傳動系統(tǒng)采用了兩種方案：

1)使用模塊化變速箱，如圖4所示。

圖4 模塊化變速箱

2)使用自行研發(fā)的變速箱，如圖5所示。

該變速箱主要通過撥叉帶動花鍵軸上的齒輪離合器實現(xiàn)檔位切換。如齒輪離合器處于如圖5右邊位置時，電機轉(zhuǎn)速經(jīng)兩級變速實現(xiàn)“速度降低，扭矩增大”，如離合器處于左邊位置時，電機軸與輸出軸直聯(lián)，兩級變速齒輪均空轉(zhuǎn)，實現(xiàn)“1:1傳動”。

圖5 自研變速箱結(jié)構(gòu)圖（已拆除安裝口蓋）

通過吸收國內(nèi)外同類產(chǎn)品的優(yōu)點，該變速器采用了以下多項新技術(shù)：

(1)經(jīng)優(yōu)化的變速結(jié)構(gòu)，零件數(shù)量少，運行可靠，變檔實現(xiàn)容易；

(2)軸承均采用高精度鎖緊螺母固定，免去了在軸上開鍵槽，簡化了加工工序，避免了鍵槽降低軸的強度或引起應力集中，影響軸的疲勞壽命；

(3)軸支承采用了新的結(jié)構(gòu)，避免了軸高速運行時熱伸長對軸承的影響；

(4)在電機與主軸箱體之間設置了減振元件（電機減振條），降低了電機振動對機床的影響，提高了主軸的加工精度；

(5)撥叉與滑移齒輪之間設置了一個深溝球軸承，撥叉在不脫離滑移齒輪電機也可以高速運轉(zhuǎn)；

(6)鍵槽采用對稱布局，減輕了對軸強度的影響，也便于齒輪的動平衡；

(7)內(nèi)部齒輪傳動采用油氣潤滑，避免了復雜的密封結(jié)構(gòu)，也一定程度的降低了成本。

由于采取以上措施，該變速箱的綜合性能有了較大幅度的提高。

4 潤滑系統(tǒng)

機床的潤滑使用了定時、定量自動集中潤滑系統(tǒng)，性能穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)自帶定時和排量調(diào)節(jié)裝置（不需機床數(shù)控系統(tǒng)控制），用戶在使用時也可以方便地進行調(diào)節(jié)。特別是該系統(tǒng)采用了尼龍管輸油，在裝配時不需要鉆油孔，布管極其方便；而且尼龍管內(nèi)壁光滑，摩擦因數(shù)極低，油路的沿程壓力損失可忽略不計。在設計過程中，按照供貨商提供的資料并結(jié)合以往使用該系統(tǒng)的實際經(jīng)驗，對機床所需的供油量進行了預算，確定了供油排量和供油的間歇時間，保證了導軌和絲杠等運動副之間的充分潤滑，并采用了國際標準潤滑元件，維修更換很方便。在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)設置了相關(guān)的報警信息，潤滑狀況及報警可通過數(shù)控系統(tǒng)顯示。

5 冷卻系統(tǒng)

機床的冷卻系統(tǒng)設置了容積足夠的獨立冷卻水箱，采用了大流量、高揚程的高壓水泵，性能可靠，輸出流量可以進行調(diào)整；根據(jù)需要配備鏈式自動排屑器或紙袋過濾裝置以及手動噴槍，每個冷卻管上均設置了調(diào)節(jié)開關(guān)，通過調(diào)節(jié)冷卻液的流量，能迅速清除工作區(qū)域內(nèi)的切屑，大幅提高了機床的加工效率及沖排屑能力；另外還設計了供選配的主軸內(nèi)冷卻裝置（通過渦流分離器進行精密過濾，過濾精度為20～25 μm），由主軸中心出水；為便于輕合金高速加工時的除屑及冷卻，增加了風冷管路，由電磁閥控制，在數(shù)控系統(tǒng)中進行定義，由手動控制或在零件加工程序中自動執(zhí)行。

6 安全及可維護性

在整個設計過程中，嚴格執(zhí)行了《GB 18568加工中心安全防護技術(shù)條件》，所有可能引起人身傷害的部位都設置了防護裝置且設置明顯的警示標牌，在醒目位置貼有設備操作規(guī)程，把可能的事故隱患降低到了最低限度，人機環(huán)境良好。

此外還特別注意了機床的可維護性，為了便于拆卸及安裝，內(nèi)置配件處均設置了維修口蓋，盡可能地減少了整機緊固件的種類，對螺釘?shù)闹睆胶托阅艿燃夁M行了最大限度的統(tǒng)一，減少了安裝或維修時所需的工具種類；主氣動管路與支路氣管采用了不同的顏色，以便區(qū)分等等。使機床的維修及保養(yǎng)做到更加簡便、快捷。

7 結(jié)語

在國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)品中，適宜加工大型零件及高屈服強度特殊材料的中規(guī)格立式機床，目前尚處于品種規(guī)格較為短缺的狀態(tài)，造成了在許多情況下用戶不得不用高價從國外進口。XH716/1型立式加工中心的研制成功，提供了一種具有高性價比、大規(guī)格及重載荷的立式加工中心的選擇途徑，發(fā)展前景十分可觀。

[1]戴曙.金屬切削機床[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999.

[2]李洪.實用機床設計手冊[M].沈陽: 遼寧科學技術(shù)出版社, 1999.