水切割工作臺(tái)橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋今朝

（北京聯(lián)合大學(xué)，北京 100101）

1 概述

以切割為加工目的加工系統(tǒng)，一般是由產(chǎn)生數(shù)百M(fèi)Pa的超高壓射流泵(或水經(jīng)過(guò)水泵后通過(guò)增壓器增壓)、貯液蓄能器(使脈沖的液流平穩(wěn))、孔徑為0.1—0.5mm的人造蘭寶石噴嘴、水平工作臺(tái)、機(jī)器人和綜合控制裝置所組成.切割裝置運(yùn)動(dòng)的方式可分為：工件固定噴嘴移動(dòng)式，工件噴嘴相互移動(dòng)式；采用NC裝置及多關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行控制.目前，水射流NC裝置系統(tǒng)已推廣使用，多關(guān)節(jié)機(jī)器人及龍門架式機(jī)器人也進(jìn)入實(shí)用化，使用計(jì)算機(jī)控制加工坐標(biāo)曲面的復(fù)雜形狀，也已多次試驗(yàn)成功.目前，已有的NC水射流加工機(jī)床的工作臺(tái)尺寸為：1.2mx1.5m，移動(dòng)速度為380mm／s.

水切割設(shè)備的工作臺(tái)一般包括兩部分：水箱和進(jìn)給機(jī)構(gòu).其中進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括X-Y方向的進(jìn)給機(jī)構(gòu)和噴嘴方向的微小移動(dòng).進(jìn)給機(jī)構(gòu)的工作原理是：由步進(jìn)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)與其相連的絲杠導(dǎo)軌副而達(dá)到進(jìn)給的目的.為了保證設(shè)計(jì)的精度準(zhǔn)確,方案合理,工作可靠.在此對(duì)水射流技術(shù)的基本組成,基本工作原理及經(jīng)常使用的工況等等進(jìn)行簡(jiǎn)單的引述:能分別沿X向和Y向移動(dòng)的工作臺(tái)稱為X—Y工作臺(tái).其工作原理是X、Y向均采用伺服電機(jī)，通過(guò)絲桿傳動(dòng)后，帶動(dòng)工作臺(tái)做X—Y向的運(yùn)動(dòng).

圖 高壓水射流切割加工示意圖

2 X 方向（橫向進(jìn)給系統(tǒng)）設(shè)計(jì)

負(fù)載：由于X方向用于加裝噴嘴機(jī)構(gòu)及，混沙室等.在非工作狀態(tài)下該方向只承受電機(jī)，絲杠和導(dǎo)軌的重，而在工作狀態(tài)下除了承受上訴重外，還要承受由于工作時(shí)，高壓水產(chǎn)生的反沖作用力.

計(jì)算步驟如下：

2.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量

脈沖當(dāng)量dp=0.01mm

2.2 工作臺(tái)重量初步估算

根據(jù)給定的有效行程，估算X向工作臺(tái)承載重量WX

由于只承受電機(jī)，絲杠和導(dǎo)軌的重，所以可以初步估算為5000N

2.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇

根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)；fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）.根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：

依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷C(kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：

導(dǎo)軌靜安全系數(shù)取fSL=5.0

因?yàn)楣絝SL=C0/P式中C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，P為工作載荷，使用單導(dǎo)軌，其上有一個(gè)滑塊

滑塊 P=1*(Fz+W)

X軸上導(dǎo)軌PXmax=1*(Fz+WX)1*2500=2500kgf

所以 C0=5.0×2500=12500kgf=12.5KN

初選導(dǎo)軌型號(hào)GBB 20AA.

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、返向器、保持、架密封端蓋及擋板等組成.當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼球就沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過(guò)淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動(dòng)，在滑塊端部鋼球又通過(guò)返向裝置（返向器）進(jìn)入返向孔后再進(jìn)入滾道，鋼球就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行滾動(dòng)運(yùn)動(dòng).返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進(jìn)入滑塊內(nèi)部.

2.4 珠絲杠計(jì)算、選擇

初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：l0=8mm

2.4.1 強(qiáng)度計(jì)算

絲杠軸向力：Fmax=KFx+f(Fx+W)(N)

式中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.004；

選取絲桿 FFB型內(nèi)循環(huán)變位導(dǎo)預(yù)緊螺母式滾珠絲杠副，具體型號(hào)尺寸如下：

滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它是傳統(tǒng)滑動(dòng)絲杠的進(jìn)一步延伸發(fā)展.這一發(fā)展的深刻意義如同滾動(dòng)軸承對(duì)滑動(dòng)軸承所帶來(lái)的改變一樣.滾珠絲杠副因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛的運(yùn)用于各種工業(yè)設(shè)備、精密儀器、精密數(shù)控機(jī)床.尤其是近年來(lái)，滾珠絲杠副作為數(shù)控機(jī)床直線驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元，在機(jī)床行業(yè)得到廣泛運(yùn)用，極大的推動(dòng)了機(jī)床行業(yè)的數(shù)控發(fā)展.這些有取決于其具有：（1）傳動(dòng)效率高，（2）定位精度高，（3）傳動(dòng)可逆行，（4）使用壽命長(zhǎng)，（5）同步性能好等優(yōu)點(diǎn).

因?yàn)楣ぷ髋_(tái)凈工作寸為1.2m*1.2m，初選絲杠尺寸為L(zhǎng)s=1300mm.

2.4.2 傳動(dòng)效率計(jì)算

式中：φ=10'，為摩擦角；γ 為絲杠螺旋升角.

2.5 步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載計(jì)算

2.5.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

式中：Jw和Js分別為折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的工作臺(tái)和絲杠的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·cm2.

式中：d0為絲杠的名義直徑；Ls為絲杠的總長(zhǎng)；ρs，ρz分別為絲杠和齒輪的材料密度，可取為7.85x10-3kg/cm3.

2.5.2 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算

2.5.3 啟動(dòng)慣性阻轉(zhuǎn)距計(jì)算

（4）步進(jìn)電機(jī)輸出軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算

2.6 步進(jìn)電機(jī)的選擇

3 發(fā)展趨勢(shì)

水切割加工技術(shù)的發(fā)展有以下幾個(gè)趨勢(shì)：

3.1 提高水切割加工機(jī)的可靠性和壽命，尤其是其中關(guān)鍵零部件高壓泵、高壓軟管、接頭和噴嘴的壽命，故要采取一系列防磨損的措施，能使高壓泵和閥體的壽命達(dá)到6000h，噴嘴的壽命達(dá)到2000h.

3.2 優(yōu)化工藝參數(shù)，進(jìn)一步提高效率，減少磨料消耗和降低能耗，以利于成本更有競(jìng)爭(zhēng)力.

3.3 發(fā)展智能化控制，使工藝參數(shù)能在加工過(guò)程中自適應(yīng)調(diào)整，以提高加工精度，用于制作有一定精度要求的零件，達(dá)到其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果可與等離子體和激光加工相媲美的程度.

3.4 不斷擴(kuò)大水切割加工的應(yīng)用范圍，由二維的切割和去毛刺加工發(fā)展到孔加工和三維型面的加工.美國(guó)的F10w國(guó)際公司和oMAx公司生產(chǎn)的水射流加工機(jī)床的控制系統(tǒng)均備有內(nèi)置的CAD／CMA便于對(duì)復(fù)雜輪廓加工的編程和操作.同時(shí)還能根據(jù)加工件的材料及板材厚度，自動(dòng)提供最佳的切割工藝參數(shù)，有利于該項(xiàng)工藝的推廣.

〔1〕薛勝雄.高壓水射流技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版，1997.

〔2〕李榮生.電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

〔3〕張建剛.數(shù)控技術(shù)[M].上海：華中科技大學(xué)出版社，2000.