多軸門五金件孔槽數(shù)控加工專用機床研究與設計①

馬曉君， 張自鵬， 羅 閣， 馬 巖

(1．東北林業(yè)大學林業(yè)與木工機械工程技術中心，黑龍江哈爾濱150040;2．佳木斯大學，黑龍江佳木斯154007)

0 引言

門五金件孔槽加工是木門生產(chǎn)加工、裝配的一個重要的環(huán)節(jié)，也是木門生產(chǎn)機械化、自動化的一個難點．傳統(tǒng)木門五金件孔槽數(shù)控加工基本以鏤銑機與鉆銑機等加工設備，通過仿形和靠模進行加工，多工序、多次安裝夾緊加工，操作復雜，加工效率低、精度低、質(zhì)量差，不能滿足高檔木門和大批量互換性的木門安裝的生產(chǎn)要求．因此，高質(zhì)量的木門要用數(shù)控加工方法生產(chǎn)．在我國還沒有通過一次裝夾能夠完成門五金件孔槽數(shù)控加工的集多工序、多工位一次加工的門五金件孔槽數(shù)控加工設備，近年來，德國、意大利、日本等國家先后開發(fā)出數(shù)控門鉸鏈槽和門鎖孔、鎖槽的加工專機．這些機床實現(xiàn)了木門鉸鏈槽和鎖槽、鎖孔的加工高速化、高精度化、集成化、柔性化和智能化．但是，單件設備價格高達百萬元，鉸鏈槽和鎖槽、鎖孔必須分兩道工序，在兩臺機器上分別加工或在同一臺機器上分兩次裝夾加工[1]．為了實現(xiàn)門五金件孔槽在一臺設備一次裝夾完成全部自動加工，提高門五金件孔槽數(shù)控加工的自動化水平，針對多內(nèi)外門五金件孔槽數(shù)控加工現(xiàn)狀，設計了一種新的用于門五金件孔槽數(shù)控加工的機床．

1 門五金件孔槽數(shù)控加工原理

門五金件孔槽采用數(shù)控加工時，機床工作臺走向為X軸方向，水平垂直工作臺走向為Y方向，在立柱上有一垂直方向垂直于工作臺面的刀具機構(gòu)進給方向為Z軸方向．合頁槽刀具機構(gòu)垂直方向垂直于工作臺面的進給方向為W方向．由于門五金件孔槽數(shù)控加工機床要實現(xiàn)木門鎖具孔槽、合頁槽在木門兩邊同時進行數(shù)控加工，至少要有六個數(shù)控軸，實現(xiàn)兩個位置同時進行加工．為了減少機床軸數(shù)，簡化機床主機結(jié)構(gòu)，降低編程難度，提高機床工業(yè)化推廣的性價比，采用氣動控制實現(xiàn)鎖孔Z向、合頁槽Y向兩個位置的加工進給．合頁槽、鎖槽、鎖孔三個刀具機構(gòu)通過數(shù)控裝置控制、機床氣動控制裝置同時完成合頁槽、鎖槽、鎖孔及異型槽的開制[2]．

2 門五金件孔槽數(shù)控機床總體設計

門五金件孔槽數(shù)控加工機床的二維總裝圖如圖1所示．機床主要由圖注中的15個部件組成．

被加工木門通過進、出料傳動機構(gòu)上料，定位預緊后由旋轉(zhuǎn)油缸組件夾具固定在工作臺上．鎖孔以及異型孔的主軸切削加工過程通過鎖孔刀具機構(gòu)主軸總成15實現(xiàn)，15上安裝有鉆頭(銑刀)．鎖槽、蓋片槽的主軸切削加工過程通過鎖槽刀具機構(gòu)主軸總成14實現(xiàn)，14上安裝銑刀．合頁槽的主軸切削加工過程通過橫梁上的三個合頁槽刀具機構(gòu)主軸總成10實現(xiàn)，10上安裝銑刀．鎖孔、鎖槽、合頁槽刀具機構(gòu)分別由相應的刀具進給驅(qū)動來實現(xiàn)加工進給．每個主軸均為單獨加工，在木門兩側(cè)同時加工進給，整個過程由PC進行控制，實現(xiàn)門五金件孔槽的位置加工．加工后通過進、出料傳動機構(gòu)下料，進入下一工作循環(huán)．

圖2 鎖孔、把手孔、鎖槽X向進給驅(qū)動總成

圖3 鎖孔、把手孔、鎖槽Y向進給驅(qū)動總成

門五金件孔槽數(shù)控機床主要技術參數(shù):

外形尺寸(長×寬×高)(mm) 2580×1970×1850

加工木門的最大尺寸(高×厚×寬)(mm)2400×60×1100

鎖槽、階槽電主軸型號 HSP46C－12－3．7－F

鎖槽、階槽電主功率(kW) 3．7(1臺)

鎖孔電主軸型號 HSP46C－12－1．5－F

鎖孔電主軸功率(kW)1．5(1臺)

把手孔電主軸型號 HSP46C－12－0．4－F

把手電主軸功率(kW) 0．4(1臺)

合頁槽電主軸型號 HSP46C－12－0．4－F

合頁槽電主軸功率(kW)0．4(3臺)

鎖孔槽X向行程(mm) ±300

鎖孔槽Y向行程(mm) 240

鎖槽Z向行程(mm) 60

鎖孔、把手孔Z向主軸氣缸行程(mm) 125

合頁槽X向行程(mm) ±300

合頁槽Y向主軸氣缸行程(mm) 125

合頁槽W向行程(mm) 60

定位、預緊氣缸行程(mm) 300

圖4 鎖槽Z向進給驅(qū)動總成

圖5 門鎖孔、把手孔Z向進給驅(qū)動總成

3 門五金件孔槽數(shù)控機床主運動系統(tǒng)

門五金件槽孔加工機床包括主運動系統(tǒng)和進給運動系統(tǒng)兩部分．鎖槽主運動系統(tǒng)是由一個電主軸帶動銑刀實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削運動，鎖孔、把手孔主運動系統(tǒng)是由兩個電主軸帶動鉆頭(銑刀)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削運動，合頁槽主運動系統(tǒng)是由三個電主軸帶動銑刀實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削運動．

圖6 合頁槽X向驅(qū)動進給總成

圖7 合頁槽Y向驅(qū)動進給總成

4 門五金件孔槽數(shù)控進給系統(tǒng)的設計

4．1 鎖槽數(shù)控進給驅(qū)動的設計

門五金件鎖槽數(shù)控進給運動是由X，Y，Z三個方向的往復直線運動組成，分別由X，Y，Z三個方向進給驅(qū)動總成帶動鎖槽刀具機構(gòu)實現(xiàn)，如圖2、圖3和圖4所示．同時對兩部分運動要有簡單的控制包括啟停控制和調(diào)速控制．

4．2 鎖孔、把手孔數(shù)控進給驅(qū)動的設計

門五金件鎖孔、把手孔數(shù)控進給運動是由X，Y，Z三個方向的往復直線運動組成，X，Y向通過與鎖槽刀具共用進給驅(qū)動如圖2、3所示，實現(xiàn)在X，Y方向運動找到孔的加工位置，再由Z方向的氣缸帶動主軸進行進給加工，鎖孔、把手孔主軸均為單獨加工，門鎖孔、把手孔Z方向由固定在主軸系統(tǒng)上的氣缸通過氣動控制閥控制活塞桿的伸縮，從而驅(qū)動帶有刀具旋轉(zhuǎn)切削的主軸沿主軸架上的直線導軌作Z方向進給運動．工件定位夾緊完成后，主軸系統(tǒng)開始工作，通過步進電機控制單個主軸在加工順序依次為鎖孔、把手孔．門鎖孔、把手孔Z向進給驅(qū)動總成如圖5所示．

圖8 合頁槽W向進給驅(qū)動總成

圖9 鎖具孔槽機架位移云圖

圖10 鎖具孔槽機架應力圖

4．3 合頁槽數(shù)控進給驅(qū)動設計

合頁槽數(shù)控進給驅(qū)動設計系統(tǒng)分布在鎖具孔槽加工機構(gòu)的另一側(cè)，包括主軸系統(tǒng)的X向移動、Y向氣缸帶動主軸進給．X向、W向伺服進給的傳動方式采用以步進電機驅(qū)動控制，即步進電機通過蝸輪蝸桿減速器帶動齒輪齒條運動，把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，分別控制三個合頁槽刀具機構(gòu)主軸系統(tǒng)的X向移動和W向橫梁的垂向移動，圖6為X驅(qū)動進給總成，X方向進給是由步進電機通過蝸輪蝸桿減速器傳動到齒輪齒條副，蝸輪蝸桿減速器固定在主軸架上，從而帶動主軸系統(tǒng)沿安裝在橫梁總成上的直線滑動導軌實現(xiàn)X方向的進給，其最大行程為±40mm．圖7為Y向進給驅(qū)動總成．Y縱向進給系統(tǒng)是通過氣動控制閥控制氣缸活塞桿的伸縮運動進而帶動主軸刀具的進給加工．圖8為合頁槽加工機構(gòu)W向進給驅(qū)動總成．

5 門五金件孔槽數(shù)控機床床身設計與機架有限元分析

門五金件孔槽數(shù)控機床床身由兩部分構(gòu)成，一是鎖具孔槽機架，二是合頁槽橫梁架，為了實現(xiàn)木門兩個位置加工，鎖具孔槽機架分布在工作臺機架的一側(cè)，合頁槽合頁槽橫梁架及可傾斜式刀具機構(gòu)固定在工作臺機架上．鎖具孔槽機架、合頁槽橫梁采用可拆分式結(jié)構(gòu)，由冷彎空心方鋼焊接而成．機架采用優(yōu)點是重量輕、成本低、生產(chǎn)周期短、改進容易，出現(xiàn)缺陷可采取補救措施．機架結(jié)構(gòu)可見圖1．

由于合頁槽加工機構(gòu)及可傾斜式刀具機構(gòu)固定在工作臺機架上，加上合頁槽加工機構(gòu)采用橫梁，加工進給力不大可不進行校核．但鎖具孔槽加工機構(gòu)的機架除了承受驅(qū)動機構(gòu)的重力還有鎖孔、把手孔進給Z向加工力．使得機架與鎖具孔槽X向接觸面成為危險受力面．為了保證工作的安全，必須對鎖具孔槽機架進行校核．

采用Femap with NX Nastran對鎖具孔槽機架裝配模型進行校核，方鋼的截面尺寸為80 mm×80 mm×4 mm，材料使用Q235，主要參數(shù)楊氏彈性模量E=2．06 ×105MPa、泊松比 μ =0．29、屈服極限 σb=235MPa、密度ρ=7800kg/m3各向同性．滿載工況下，當安全系數(shù)n=1．5時，許用應力[σ]=σb/n=156．7MPa．對機架裝配模型進行網(wǎng)格劃分，并施加載荷，求解后得到鎖具孔槽機架位移云、機架應力圖，分別如圖9、10所示．由圖10可知，機架最大變形出現(xiàn)在上圈梁中間位置兩側(cè)，最大位移為5．446e－003mm，最大應力為1．024MPa．通過求解分析結(jié)果可知，當鎖具孔槽刀具機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)處于上圈梁中間位置兩側(cè)之一時，σmax=1．024MPa，σmax＜[σ]，故滿足設計要求．

6 結(jié)論

本文通過對木門五金件槽孔生產(chǎn)加工的現(xiàn)狀分析，研究設計了多軸門五金件孔槽數(shù)控加工專用機床，該設計具備如下優(yōu)點:

(1)該機床能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾完成門五金件孔槽全自動加工，提高了加工精度、生產(chǎn)效率，滿足了互換性，對實現(xiàn)門五金件孔槽數(shù)控加工的數(shù)字化、規(guī)模化具有重要意義．

(2)結(jié)構(gòu)設計簡單合理、能加工一定范圍內(nèi)的木門，具有一定的柔性．加工過程數(shù)字化控制、加工產(chǎn)品精度高、尺寸形狀準確．

(3)該專用數(shù)控加工機床已由東北林業(yè)大學的林業(yè)與木工機械工程技術中心設計完成，正在試生產(chǎn)加工．該機床的設計研發(fā)為木門五金件孔槽的加工中提供一種新工藝路線，對提升我國木工機械的數(shù)控化程度與木工機械的發(fā)展提供一種新思路．

[1] 姚永和．創(chuàng)新帶來發(fā)展力[N]．中國綠色時報，2006－1－12．

[2] 孟令聯(lián)，張兆好，徐楊．現(xiàn)代木門生產(chǎn)工藝與設備[M]．北京:中國林業(yè)出版社，2009．