大型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控鉆床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

劉林

（寧波海天精工股份有限公司沈陽(yáng)研發(fā)中心，沈陽(yáng)110002）

1 引 言

搖臂鉆床作為孔加工機(jī)床主導(dǎo)產(chǎn)品已經(jīng)有幾十年了，多年來(lái)一直處于銷售的旺盛期，但是隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是數(shù)控技術(shù)在機(jī)床上的發(fā)展，搖臂鉆床的低生產(chǎn)率、低精度、低柔性的缺點(diǎn)日益突出。據(jù)調(diào)查研究目前市場(chǎng)上越來(lái)越多的管板類零件尺寸都達(dá)到3～4m 甚至更大，大的零件上往往需要加工上千個(gè)孔，而且孔的尺寸大小不同，有的孔還需要攻螺紋，如果在普通鉆床加工孔顯然效率非常低，只能用龍門加工中心加工，但又極不經(jīng)濟(jì)，因?yàn)檩^大的龍門加工中心價(jià)格都在幾百萬(wàn)甚至上千萬(wàn)。目前在熱交換器等行業(yè)中，應(yīng)用于中小型管板類、盤類和鋼梁結(jié)構(gòu)連接件、以鉆孔為主要加工工序的、而且具有較高孔位加工精度的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控鉆床，受到用戶青睞，市場(chǎng)需求量多，適應(yīng)性廣，所以就需要一種經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控鉆床來(lái)滿足市場(chǎng)的要求。

面對(duì)市場(chǎng)發(fā)生的變化、面對(duì)用戶對(duì)技術(shù)進(jìn)步要求日益迫切的形勢(shì)，分析中國(guó)市場(chǎng)，高檔的數(shù)控產(chǎn)品因其價(jià)格昂貴，目前對(duì)于相當(dāng)多的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)、私人企業(yè)、以及不十分景氣的國(guó)有企業(yè)也是可望而不可及的。而對(duì)比國(guó)外市場(chǎng)，由于我們的技術(shù)相對(duì)落后、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、生產(chǎn)能力、制造水平都存在較大差距，現(xiàn)在要開(kāi)發(fā)高檔產(chǎn)品與國(guó)外廠家競(jìng)爭(zhēng)顯然時(shí)機(jī)很不成熟。而中大規(guī)格的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床盡管有關(guān)性能指標(biāo)不及高檔機(jī)床，但功能類似、價(jià)格低廉、操作方便、使用可靠，因而受到廣大中國(guó)用戶歡迎。

本文以GD2000×4000 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控鉆床為例，闡述了設(shè)計(jì)過(guò)程中難點(diǎn)的解決方法。

根據(jù)市場(chǎng)需求、成本和結(jié)構(gòu)可行性等因素設(shè)定產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)如表1。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用模塊化設(shè)計(jì)，框架采用立式龍門結(jié)構(gòu)，其中工作臺(tái)在床身上前后移動(dòng)為X 軸，主軸箱在滑鞍上沿橫梁左右移動(dòng)為Y 軸，主軸箱在滑鞍上上下移動(dòng)為Z 軸。從機(jī)床正面看，數(shù)控機(jī)床主軸傳動(dòng)系統(tǒng)由主伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)齒形帶傳遞給主軸，使主軸實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，這種結(jié)構(gòu)使主軸能夠達(dá)到8000r/min，采用這種結(jié)構(gòu)很好地解決了主軸在高速時(shí)噪音問(wèn)題，因傳統(tǒng)齒輪箱采用齒輪降速，撥叉換檔，這種結(jié)構(gòu)使主軸在高速時(shí)容易產(chǎn)生噪音，齒輪長(zhǎng)時(shí)間工作磨損后，維修不方便。齒形帶傳動(dòng)不但能很好地避免這些問(wèn)題，而且維修和維護(hù)方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。主軸組采用臺(tái)灣旭泰主軸組，它具有高精度、高性能。主軸抓刀是靠主軸上的碟形彈簧以拉緊力通過(guò)四瓣爪式拉刀機(jī)構(gòu)作用在刀柄上的拉釘上，使刀具與主軸錐孔緊密配合來(lái)實(shí)現(xiàn)抓刀。卸刀油缸活塞推動(dòng)主軸內(nèi)的實(shí)心軸并壓縮蝶形彈簧實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸刀。機(jī)床具有主軸定向功能，機(jī)床可實(shí)現(xiàn)剛性攻絲。傳統(tǒng)機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速和Z 軸的進(jìn)給是獨(dú)立控制，在加工到孔的底部時(shí)，主軸和Z 軸的轉(zhuǎn)速降低并停止，然后它們反轉(zhuǎn)，而且轉(zhuǎn)速增加。由于各自獨(dú)立執(zhí)行加、減速，可能存在配合不同步的情況，為此，安裝在攻絲夾頭內(nèi)部的彈簧對(duì)送給量進(jìn)行補(bǔ)償以改善攻螺紋的精度。本機(jī)床因?yàn)榫哂兄鬏S定向功能，可以控制主軸的旋轉(zhuǎn)和Z 軸的進(jìn)給的同步，使攻絲的精度得到保證。本機(jī)床還具有主軸吹氣功能，用于自動(dòng)換刀時(shí)清潔刀具。

表1 GD2000×4000 主要參數(shù)表

圖1 機(jī)床外觀圖

床身采用焊接結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)用戶對(duì)不同X 軸行程和Y 軸工作寬度的變化，而且采用焊接件交貨期可縮短。立柱和橫梁為高強(qiáng)度灰鑄鐵鑄造，采用箱形結(jié)構(gòu)，壁厚多筋，截面形狀為矩形，因而具有良好的剛性和抗彎性。床身、橫梁的導(dǎo)軌均采用國(guó)外直線導(dǎo)軌；主軸箱采用鑄鐵導(dǎo)軌；滑鞍與主軸箱導(dǎo)軌接觸面貼附有高耐磨且低摩擦系數(shù)的環(huán)氧樹(shù)脂，經(jīng)精密刮研，保證了良好的運(yùn)動(dòng)精度。切削吸振性好。

X 軸拖動(dòng)是伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器傳遞給床身絲杠，帶動(dòng)工作臺(tái)在床身上前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)X 軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

Y 軸拖動(dòng)是伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器傳遞給滑鞍絲杠，帶動(dòng)滑鞍在橫梁上左右移動(dòng)，移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)Y 軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

Z 軸拖動(dòng)是伺服電機(jī)通過(guò)同步帶傳遞給滾珠絲杠帶動(dòng)主軸箱在滑鞍上上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)Z 軸進(jìn)給。Z 軸電機(jī)帶有自動(dòng)抱閘功能，在斷電的情況下，自動(dòng)抱閘將電機(jī)軸抱緊，使之不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 三軸電機(jī)計(jì)算

工作臺(tái)拖動(dòng)電機(jī)扭矩為30N·m，被移動(dòng)件的質(zhì)量M=10000kg，快移速度v=15m·min-1，加速時(shí)間t=0.250s，加速度a=1m·s-2，切削進(jìn)給抗力FC=0m·min-1（孔加工工作臺(tái)方向不受力），切削時(shí)的最大速度vmax=0.000m·min-1（孔加工工作臺(tái)不移動(dòng)），摩擦系數(shù)u=0.005，絲杠直徑D=0.080m，絲杠導(dǎo)程h=0.012m，絲杠有效長(zhǎng)度L=5m，絲杠傳動(dòng)效率η1=0.9，加速力Fa=M×a=10000×1=10000N，摩擦力f=umg=0.005×1000×9.8=490N，合力Fε=Fa+f=10000+490=10490N。

絲杠輸出給負(fù)載的加速力矩Ta=Fε×h/2π×η=10490×0.012/2×3.14×0.9=21.939N·m

絲杠自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js=πρD4L/32=3.14×7850×（0.063）4×5/32=0.061kg·m-2

式中，工件的密度ρ=7850，絲杠的直徑D=0.063mm，絲杠的最高轉(zhuǎn)速n1=V/h=15/0.012=1250r/min，絲杠角加速度bs=n1×2×π/60×t=1250×2×3.14/60×0.25=523rad·s-2

絲杠克服自身慣量加速的加速力矩Ts=Js×bs=0.061×523=31.751N·m

減速機(jī)輸出端的加速力矩T1=Ta+Ts=21.939+31.751=53.69N·m，減速比i=2，減速機(jī)效率η2=0.9，減速機(jī)輸入端的加速力矩T2=T1/i×η2=53.69/2×（0.9）2=29.828N·m，電機(jī)自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=0.017kg·m-2，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速n2=n1×i=1250×2=2500r/min，電機(jī)角加速度bm=bs×i=523.333×2=1046.667rad·s-2

電機(jī)克服自身慣量加速的力矩Tm=Jm×bm=0.017×1046.667=17.793N·m；電機(jī)在加速時(shí)總的輸出最大力矩Tm1=T2+Tm=47.621N·m

因此，對(duì)數(shù)控機(jī)床而言，快速空載啟動(dòng)力矩一般符合Mmax=λMr。Mr為馬達(dá)額定轉(zhuǎn)矩，λ 為瞬間過(guò)載指數(shù)，對(duì)交流伺服電機(jī)而言，λ=1.5～2，前面計(jì)算所得的47.621/25=1.88＜2，可見(jiàn)，啟動(dòng)是完全在安全系數(shù)范圍之內(nèi)的。

另外，關(guān)于主軸箱進(jìn)給電機(jī)的選擇，以及滑鞍（Y 坐標(biāo)）拖動(dòng)電機(jī)的選擇與計(jì)算工作臺(tái)拖動(dòng)電機(jī)的方法完全一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

該機(jī)床樣機(jī)試制完成后，經(jīng)鑒定各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和精度符合設(shè)計(jì)要求，經(jīng)鑒定后現(xiàn)已投入批量生產(chǎn)，并進(jìn)行了規(guī)格的擴(kuò)大和系列化設(shè)計(jì)。