加工中心側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝探討

丁永朋

（茂名市高級(jí)技工學(xué)校，廣東茂名 525000）

0 引言

現(xiàn)階段的機(jī)械行業(yè)在加工環(huán)節(jié)中所使用的數(shù)控龍門銑床設(shè)備中的銑頭基本都為立式結(jié)構(gòu)，立式銑頭的作用是對(duì)加工工件進(jìn)行X向或Y向銑削操作，或者設(shè)置有側(cè)銑頭來進(jìn)行Z向運(yùn)動(dòng)，缺點(diǎn)在于只能夠進(jìn)行單向的進(jìn)行給進(jìn)運(yùn)動(dòng)。從重型龍門銑頭的角度來看，所加工的工件體積以及重量都較大，在加工過程中難以進(jìn)行移動(dòng)，因此單向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的側(cè)銑頭并不適合用于大型工件加工。雖然近年來我國的數(shù)控機(jī)床制造行業(yè)在取得了一定的進(jìn)步，但依舊存在一些問題，因此相關(guān)企業(yè)需要從創(chuàng)新、自主研發(fā)的方面來提高我國機(jī)床的整體質(zhì)量，建立相應(yīng)的技術(shù)研究中心，完善傳統(tǒng)加工工藝的不足，加強(qiáng)國際上的合作，從而使得我國的產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高起點(diǎn)、專業(yè)化、實(shí)效高的目標(biāo)。

1 完善側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝的重要性

為了滿足重型數(shù)控龍門銑床加工工件的功能需求，對(duì)可以進(jìn)行2個(gè)方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)是十分重要的，體積大、質(zhì)量大的大型工件在加工的各類環(huán)節(jié)中進(jìn)行多次安裝或者移動(dòng)都十分費(fèi)力，但是如果側(cè)銑頭可以進(jìn)行橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，就可以大大減少工件的移動(dòng)次數(shù)，不僅僅省時(shí)省力，還可以降低因?yàn)橐苿?dòng)工件而產(chǎn)生的加工誤差。在對(duì)建工中心側(cè)銑頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中還可以利用三維軟件來進(jìn)行建模，這樣可以提前查出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理之處，從而提前改正?，F(xiàn)階段機(jī)械設(shè)備加工企業(yè)中數(shù)控龍門銑床設(shè)置有側(cè)銑頭的并不常見，即使帶有側(cè)銑頭也大多是只能進(jìn)行單向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，如果將一般的龍門銑床與帶有側(cè)銑頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合，則可實(shí)現(xiàn)2個(gè)方向加工工件，對(duì)于結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的工件來說，可以達(dá)到一次性加工的目的，將調(diào)整工件位置的時(shí)間以及工序省去，同時(shí)還能提高工件的安裝精度，因此改善加工中心側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是十分必要的。

2 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來看，主要研究熱點(diǎn)有4個(gè)方面。

（1）高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì)。效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。為此日本先端技術(shù)研究會(huì)將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（International Institution for Production Engineering Research，按法文名稱簡(jiǎn)稱CIRP）將其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之一。高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá)80 m/min，甚至更高，空運(yùn)行速度可達(dá)100 m/min。

在加工精度方面，近十年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 10 μm 提高到 5 μm，精密級(jí)加工中心則從（3～5）μm，提高到（1～1.5）μm，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)（0.01μm）。

在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF（Mean Time Between Failure，平均無故障時(shí)間）已＞6000 h，伺服系統(tǒng)的MTBF值＞30 000 h，表現(xiàn)出非常高的可靠性。

為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。

（2）5軸聯(lián)合工作和重合工作機(jī)床迅猛發(fā)展。使用5軸聯(lián)合加工三維曲面的零件時(shí)，可以選用工具最好的圖形形狀加工切割，它可以使零件光滑度提高，工作效率大大提升。就效率而言，5軸聯(lián)合機(jī)床的工作效率基本與2臺(tái)3軸的機(jī)床不相上下。尤其是在利用立方氮化硼這些硬度很高的銑刀進(jìn)行工作時(shí)，在進(jìn)行快速銑削淬火件時(shí)，5軸聯(lián)合工作能發(fā)揮更高的效益。

電主軸的產(chǎn)生，使5軸聯(lián)合工作的復(fù)合主軸頭內(nèi)部配置得到簡(jiǎn)化，生產(chǎn)難度大大降低，使數(shù)控機(jī)床的價(jià)格差距減小，從而促使了這些類型機(jī)床的發(fā)展。

（3）數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要方向是智慧型、互聯(lián)網(wǎng)交互化。新時(shí)代的數(shù)控設(shè)備將會(huì)擁有一定的人工智能，這個(gè)方向的內(nèi)容包含在具體工作運(yùn)行中的各個(gè)層面。如工作效率和工作水平提高方面的智能化；增加驅(qū)動(dòng)功能和運(yùn)用聯(lián)系簡(jiǎn)化方面的智慧化；簡(jiǎn)單程序與簡(jiǎn)便人工操作方面的人工智能化；還有智能檢測(cè)方面的功能等。

（4）重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的建立。數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢(shì)。數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO 6983-2009標(biāo)準(zhǔn)，即采用G，M代碼描述如何（How）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO 14649-2015（STEP－NC），其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程，乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。

3 側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)方案

圖1為側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)圖，為了使側(cè)銑頭能夠進(jìn)行雙向進(jìn)給切削，即Z向及X向進(jìn)給，可以將側(cè)銑頭的結(jié)構(gòu)設(shè)置成2個(gè)部分，第一部分是垂直導(dǎo)軌來用于側(cè)銑刀進(jìn)行縱向運(yùn)動(dòng)，第二部分是水平滑枕來實(shí)現(xiàn)側(cè)銑刀的橫向運(yùn)動(dòng)，分別在這2個(gè)結(jié)構(gòu)上裝置導(dǎo)軌，因?yàn)橐话闶褂秒p向切削的機(jī)床為重型數(shù)控龍門銑床，其側(cè)銑頭的質(zhì)量較大，并且在運(yùn)行過程中側(cè)銑頭會(huì)受到較大切削力的作用，這就對(duì)垂直導(dǎo)軌以及水平滑枕的導(dǎo)軌剛度有了一定的要求，為了保證重型數(shù)控龍門銑床加工工件的精度，可選用貼塑滑動(dòng)式矩形導(dǎo)軌，矩形導(dǎo)軌的剛度高、負(fù)荷能力強(qiáng)并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦因數(shù)大，在應(yīng)用過程中易出現(xiàn)爬行問題，而選用貼塑方式的優(yōu)勢(shì)在于摩擦因數(shù)較小，并且抗咬合磨損性能、工藝性能較好，發(fā)生爬行的概率小。但是矩形導(dǎo)軌受到磨損后不可以對(duì)磨損間隙進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，這樣會(huì)降低定位精度以及加工精度，因此還需要加裝導(dǎo)軌主承載面相應(yīng)的間隙調(diào)整裝置，可以選用如斜鑲條類結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)軌間隙進(jìn)行調(diào)整。

圖1 側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)

從主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來說，電機(jī)可以借助聯(lián)軸器來使得主軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，還可以使用同步帶來達(dá)到這個(gè)目的，如果重型數(shù)控龍門銑床選用的電機(jī)功率較大，雖然可以使側(cè)銑頭進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并且使用聯(lián)軸器進(jìn)行連接，但會(huì)大大增加側(cè)銑頭的體積，加大側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。如果使用同步帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以去除電機(jī)的尺寸，將其放置在側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)之外的位置，可以縮小結(jié)構(gòu)尺寸。從性能角度來看，使用同步帶進(jìn)行傳送的效率很高，傳動(dòng)比的準(zhǔn)確性也高，從經(jīng)濟(jì)環(huán)保的角度來看，這種方式能減少原材料的投入，還能降低機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的噪聲。想要使得側(cè)銑頭可以進(jìn)行橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，可以應(yīng)用滾珠絲杠螺母副與聯(lián)軸器進(jìn)行連接的方式來實(shí)現(xiàn)側(cè)銑頭的水平滑枕運(yùn)動(dòng)，也可以使用滾珠絲杠螺母副與同步帶向連接的方式來實(shí)現(xiàn)。

第一個(gè)方案的缺點(diǎn)在于需要將聯(lián)軸器與電機(jī)安裝到水平滑枕的末端，由于使用的電機(jī)功率較大、質(zhì)量較大，會(huì)使得水平滑枕的末端負(fù)荷加大，這樣會(huì)導(dǎo)致此裝置出現(xiàn)扭矩，對(duì)橫向給進(jìn)加工的精度帶來不良影響，還會(huì)在一定程度上降低其摩擦性能，并且此結(jié)構(gòu)需要的水平滑枕結(jié)構(gòu)尺寸較長(zhǎng)，再將電機(jī)安裝在其末端，會(huì)增加數(shù)控機(jī)床的整體安裝空間。

第二種橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是將電機(jī)安裝在豎直導(dǎo)軌的側(cè)面，可以有效增加豎直導(dǎo)軌側(cè)面空間的利用率、降低水平滑枕空間的占用，而垂直導(dǎo)軌要通過帶輪箱與電機(jī)連接。2個(gè)方案都選用滾珠絲杠螺母副的原因在于其摩擦損失較小、運(yùn)行阻力小、傳動(dòng)效率高，并且動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的摩擦因數(shù)差異不大，平穩(wěn)性較強(qiáng)，在低速時(shí)出現(xiàn)爬行的概率低、精度高、使用壽命長(zhǎng)。

如果使用第二種方案則要將滾珠絲杠螺母副安裝在垂直導(dǎo)軌面，使用絲杠螺母座來連接水平滑枕與滾珠絲杠螺母副，這樣才能使得滑枕和導(dǎo)軌之間進(jìn)行相互運(yùn)動(dòng)。加工中心側(cè)銑頭的電機(jī)可選用交流伺服電機(jī)，此類電機(jī)占用面積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且符合經(jīng)濟(jì)性原則。從電機(jī)維護(hù)的角度來看，交流伺服電機(jī)沒有設(shè)置換向器及電刷、穩(wěn)定性較好，不需要技術(shù)人員頻繁的檢修，與直流伺服電機(jī)相比，交流伺服電機(jī)不會(huì)因火花而限制其運(yùn)行速度。想要提升側(cè)銑頭水平滑枕在X向的定位精確性，可以加裝直線光柵尺來對(duì)位置進(jìn)行檢測(cè)，這樣的閉環(huán)控制系統(tǒng)可以有效的降低系統(tǒng)的整體定位誤差，使得系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差可以控制在合理的范圍內(nèi)，并且動(dòng)態(tài)性能也會(huì)有所提升。缺點(diǎn)在于閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝工作和投入使用后的調(diào)試工作都較為苛刻，并且需要較多費(fèi)用投入。

4 總結(jié)

在對(duì)加工中心側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要同時(shí)考慮到其強(qiáng)度要求以及技術(shù)要求，在合理的范圍內(nèi)使得結(jié)構(gòu)尺寸最小化，可以節(jié)省原料，將側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，還可以大大減少安裝人員以及維修人員的工作量，對(duì)側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算可以使設(shè)備部件的選擇依據(jù)更具針對(duì)性，從而防止成本浪費(fèi)。另外，從定位精度上來說，推薦安裝直線光柵尺，這樣的閉環(huán)系統(tǒng)可以提升位置檢測(cè)結(jié)果的精確性。完善加工中心側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝可以有效提高數(shù)控龍門銑床的實(shí)用性，提升工件尺寸的加工精確度，推動(dòng)我國機(jī)械制造加工行業(yè)的發(fā)展。