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

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

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，這么大尺寸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，如果用要在普通鉆床加工這樣的孔顯然是效率非常低。只能用龍門加工中心進(jìn)行加工，但這么做非常不經(jīng)濟(jì)，因?yàn)檫@么大加工范圍的龍門加工中心的成本都在幾百萬(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)控機(jī)床市場(chǎng)十分受市場(chǎng)及用戶青睞，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。

分析中國(guó)市場(chǎng)形勢(shì)，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，且價(jià)格低、操作方便、使用可靠，受到廣大中國(guó)用戶歡迎。

本文以GD2000X4000 為例，闡述了設(shè)計(jì)過(guò)程中難點(diǎn)的解決方法，論證了設(shè)計(jì)制造一款適合我國(guó)國(guó)情的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控鉆是完全可行的。

首先根據(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)(見表1)。

表1 GD2000×4000 主要參數(shù)表

1.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(見圖1)。從機(jī)床正面看，數(shù)控機(jī)床主軸傳動(dòng)系統(tǒng)由主伺服電動(dòng)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8 000r/min，采用這種結(jié)構(gòu)很好地解決了主軸在高速時(shí)的噪聲問(wèn)題，傳統(tǒng)齒輪箱采用齒輪降速，撥叉換擋，這種結(jié)構(gòu)使主軸在高速時(shí)容易產(chǎn)生噪聲，齒輪長(zhǎng)時(shí)間工作磨損后，維修不方便。齒形帶傳動(dòng)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。主軸組采用中國(guó)臺(tái)灣旭泰主軸組，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。卸刀時(shí)，卸刀油缸活塞推動(dòng)主軸內(nèi)的實(shí)心軸并壓縮碟形彈簧實(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)剛性攻螺紋。傳統(tǒng)機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速和Z軸的進(jìn)給是獨(dú)立控制的，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，通常需安裝在攻螺紋夾頭內(nèi)部的彈簧對(duì)進(jìn)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，使攻螺紋的精度可以得到保證。本機(jī)床具有主軸吹氣功能。用于自動(dòng)換刀時(shí)清潔刀具。

圖1 機(jī)床外觀圖

床身采用焊接結(jié)構(gòu)，有利于用戶對(duì)不同X 軸行程和Y 軸工作寬度的變化，這樣采用焊接件交貨期可縮短。立柱和橫梁采用高強(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，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)氧樹脂，經(jīng)精密刮研，以保證良好的運(yùn)動(dòng)精度。切削吸振性好。

X 軸拖動(dòng)是伺服電動(dòng)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)是伺服電動(dòng)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)，實(shí)現(xiàn)Y 軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

Z 軸拖動(dòng)是伺服電動(dòng)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軸電動(dòng)機(jī)帶有自動(dòng)抱閘功能，在斷電的情況下，自動(dòng)抱閘將電動(dòng)機(jī)軸抱緊，使之不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.三軸電動(dòng)機(jī)計(jì)算

參數(shù)選擇如表2 所示。

表2 三軸電動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇

(續(xù))

合力Fε=Fa+f=10 000 +490=10 490 (N)

絲杠輸出給負(fù)載的加速力矩

式中絲杠導(dǎo)程h=0.012m;圓周率π=3.14;絲杠傳動(dòng)效率η1=0.9。

絲杠自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

式中工件的密度ρ=7 850，絲杠的直徑D=0.063mm，絲杠的長(zhǎng)度L=5m。

絲杠克服自身慣量加速的加速力矩

減速機(jī)輸出端的加速力矩

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/iη2=53.69/2×(0.9)×2=29.828 (N·m)。電動(dòng)機(jī)自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jm=0.017 kg·m2，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速n2=n1i=1 250×2=2 500r/min，電動(dòng)機(jī)角加速度bm=bsi=523.333×2=1 046.667 (rad/s2)。

電動(dòng)機(jī)克服自身慣量加速的力矩

電動(dòng)機(jī)在加速時(shí)總的輸出最大力矩Tm1=T2+Tm=47.621 (N·m)。

對(duì)數(shù)控機(jī)床而言，快速空載啟動(dòng)力矩一般符合

式中，Mr為馬達(dá)額定轉(zhuǎn)矩，λ 為瞬間過(guò)載指數(shù)，對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)而言λ=1.5～2。那么我們前面計(jì)算所得的47.621/25=1.88 ＜2，可見啟動(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)給電動(dòng)機(jī)的選擇，以及滑鞍(Y 坐標(biāo))拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇與上面計(jì)算工作臺(tái)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的方法完全一致，在此不再贅述。以上是該機(jī)床床身工作臺(tái)部分的論述。

3.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，并已經(jīng)過(guò)市級(jí)鑒定，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)。