一種用于大型板材加工的龍門鉆床研究與設(shè)計

張燕紅

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253000）

0 引言

近年來，我國對風(fēng)電、核電等新能源行業(yè)越來越重視，這些行業(yè)中的一些大型零件加工，對機床提出了一些特殊要求。特別是一些大面積板材或大直徑法蘭盤鉆孔，因孔布局規(guī)律，數(shù)量較多，而且孔徑較大，需要一款剛性好、精度高、加工效率高的大型龍門鉆銑床，所以對此類機床的開發(fā)勢在必行。

對核電設(shè)備制造行業(yè)、蠕墨鑄鐵制造行業(yè)等進行了技術(shù)調(diào)研。調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，用戶對大型龍門鉆銑床的加工精度和加工效率提出了更高的要求，尤其對面積比較大的板類零件加工的要求更高。

目前，國內(nèi)甚至多數(shù)龍門鉆銑床存在工作臺面積小、機床基本件采用鋼板焊接、存在鉆銑頭小、無法進行重切削，加工效率低等問題，很多用戶要求設(shè)計一款高剛性、高效率的專用機床，所以開發(fā)數(shù)控定梁龍門移動鉆銑床已勢在必行，并且具有很大的市場潛力。

1 研發(fā)歷程

首先確定機床的整體設(shè)計方案，并出設(shè)計相應(yīng)的總體裝配圖。機床由工作臺、床身、拖板、立柱、橫梁、鉆銑刀架、集中潤滑裝置、氣動系統(tǒng)、冷卻排屑裝置、機床防護、工裝夾具等主要部件組成。為達到最佳的穩(wěn)定狀態(tài)，鑄件進行兩次時效處理以消除應(yīng)力。床身、立柱、橫梁截面積尺寸足夠大，機床具有強大的剛性和抗振性，具有足夠的抗彎剛度和抗扭剛度。

其次研發(fā)的主要工作就是：①合理設(shè)計加工工藝流程和物流路線，確定物流設(shè)備及加工方案；②根據(jù)工藝過程：上料、鉆削底孔、鉆銑擴孔、在線檢測、下料的過程設(shè)計整套設(shè)備布局，機床結(jié)構(gòu)性能滿足生產(chǎn)線技術(shù)要求；③確保所有加工零件合格。

根據(jù)本機床的工藝方案，關(guān)鍵件工藝放在重要位置，充分利用公司現(xiàn)有的韓國HANKOOK五面體加工中心，德國產(chǎn)臥式加工中心及坐標鏜，德國產(chǎn)三坐標測量儀等具有國際先進水平的加工、檢測設(shè)備，確保產(chǎn)品的整體質(zhì)量。

2 產(chǎn)品研發(fā)的主要工藝介紹

產(chǎn)品研發(fā)主要工藝流程如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品研發(fā)工藝流程

3 機床主要結(jié)構(gòu)

本機床為工作臺固定，操縱平臺和龍門框架在兩側(cè)床身上同步移動（X1、X2）的結(jié)構(gòu)，橫梁上雙主軸箱、雙絲杠分離式驅(qū)動。工作臺兩側(cè)配有兩套鏈式排屑機，工作區(qū)域半防護的結(jié)構(gòu)。機床總占地面積約（25×9）m2。機床工作臺面與車間地面在同一水平面。

3.1 進給軸驅(qū)動

X軸驅(qū)動——由交流伺服電機通過精密減速箱降速后經(jīng)消隙齒輪齒條，帶動滑座、立柱、橫梁、滑鞍及主軸箱在床身上同步移動，實現(xiàn)X軸進給運動，X軸采用雙邊驅(qū)動結(jié)構(gòu)，可有效地提高機床定位精度和重復(fù)定位精度。

Y軸驅(qū)動——由交流伺服電機通過精密行星減速機降速后驅(qū)動預(yù)應(yīng)力滾珠絲杠副，帶動滑板在橫梁上左右水平移動，從而實現(xiàn)Y軸進給運動。

Z軸驅(qū)動——由交流伺服電機通過精密行星減速機降速后驅(qū)動預(yù)應(yīng)力滾珠絲杠副，帶動主軸箱上下移動，實現(xiàn)Z軸進給。Z軸交流伺服電機帶有自動抱閘，在機床突然斷電的情況下，防止滑枕銑頭掉刀。

3.2 進給軸導(dǎo)軌形式

X軸、Y軸、Z軸均采用矩形滑動導(dǎo)軌，導(dǎo)軌高剛性、低速運動平穩(wěn)、無爬行、抗振性能優(yōu)良。

三軸導(dǎo)軌均采用中頻淬火工藝，淬火層深度為3～5 mm，淬火硬度可達48 HRC，導(dǎo)軌經(jīng)高精度導(dǎo)軌磨床磨削處理，保證機床導(dǎo)軌的精度和精度穩(wěn)定性及機床的使用壽命。

3.3 機床基礎(chǔ)件

全部鑄件為達到最佳的穩(wěn)定狀態(tài)，進行兩次時效處理以消除應(yīng)力。床身、立柱、橫梁截面積尺寸足夠大，機床具有強大的剛性和抗振性，具有足夠的抗彎剛度和抗扭剛度。

床身材料為HT300，床身導(dǎo)軌采用雙矩形滑動導(dǎo)軌副，導(dǎo)軌寬度為755 mm，床身由4節(jié)組成，單節(jié)床身長度3000～6000 mm，可根據(jù)實際情況組合接長，毛坯粗加工完成，需經(jīng)二次熱時效后儲備，經(jīng)過儲備期的自然時效，鑄件內(nèi)應(yīng)力充分釋放，以確保鑄件性能更加穩(wěn)定，精度保持性更好。

工作臺材料為HT300，工作臺寬度為4500 mm，由8節(jié)拼接而成，單節(jié)長度為2250 mm，工作臺需預(yù)留接長接口，方便后期機床的接長改造。

3.4 橫梁

橫梁材料為HT300，橫梁導(dǎo)軌用于鉆銑刀架的左右移動，橫梁固定把合在兩個立柱上保證銑削加工時橫梁牢固可靠。橫梁上下雙導(dǎo)軌跨距大，布局應(yīng)合理，確保靜態(tài)特性良好，抗切削能力強。

為了防止切削時發(fā)生較大的振刀現(xiàn)象，橫梁下部設(shè)置預(yù)壓裝置，即在鉆削時，橫梁移動到位，預(yù)壓裝置頂緊工件后，主軸再進行切削。

3.5 滑枕式鉆銑頭

鉆銑頭主軸帶有刀具自動拉緊機構(gòu)，采用瓣爪拉緊形式，此結(jié)構(gòu)為碟簧拉緊、氣壓通過增壓缸液壓松開，可將刀具自動拉緊在主軸上，松刀增壓油缸在主軸后端，并有位置檢測裝置。銑頭附近位置上安裝松刀拉刀開關(guān)，方便換刀操作。

鉆銑頭主軸需整體外購專業(yè)主軸生產(chǎn)廠家產(chǎn)品，以確保精度高，穩(wěn)定性好，且具有高剛度和高承載力。主軸軸承采用進口鋰基潤滑脂潤滑。

銑頭主軸配置大功率油冷機，對銑頭進行循環(huán)冷卻，確保主軸精度的穩(wěn)定并避免滑枕受溫度影響產(chǎn)生彎曲變形。

3.6 氣動系統(tǒng)

機床氣動系統(tǒng)包括：主軸松刀系統(tǒng)、主軸中心吹氣系統(tǒng)、工件頂緊系統(tǒng)。氣動元件選用國際知名品牌產(chǎn)品，保證氣動系統(tǒng)的質(zhì)量和機床的可靠性。

3.7 潤滑系統(tǒng)

機床配置定量自動潤滑系統(tǒng)，對滾珠絲杠副、齒輪齒條副及導(dǎo)軌副進行集中間歇潤滑，潤滑量適當、充分，既要節(jié)約潤滑油，又能保證傳動系統(tǒng)的動靜響應(yīng)特性。

3.8 冷卻及排屑裝置

機床配置刀具內(nèi)冷和外冷兩種冷卻方式，采用高壓水泵供應(yīng)內(nèi)冷需要的冷卻液，內(nèi)冷最高壓力達4 MPa。機床配置大容量（5000 L）冷卻液箱，以滿足切削冷卻液的自然回流。冷卻液箱安裝自循環(huán)加熱裝置一套，在極冷環(huán)境下停機時保證冷卻液的循環(huán)，防止冷卻液的凝固。

工作臺兩側(cè)設(shè)有兩套鏈板式排屑機，將鐵屑輸送至排屑車內(nèi)，以減小勞動強度，改善工作環(huán)境。

3.9 防護裝置及操作站臺

機床床身導(dǎo)軌采用不銹鋼伸縮防護罩，橫梁導(dǎo)軌采用風(fēng)琴式防護罩。操縱平臺和龍門框架在兩側(cè)床身上同步移動，便于操作和觀察零件加工情況，安全性高。

工作臺四周設(shè)置鈑金防護罩（高度達到橫梁底部），主軸端部設(shè)置塑料防護簾，防止切屑的飛濺和切削液的噴濺，保證工作環(huán)境的清潔。

機床操作站布置于獨立操作間內(nèi)，與機床工作區(qū)完全隔離，在保證操作方便前提下，保證操作者的安全。

3.10 電氣系統(tǒng)

機床電氣控制柜采用獨立的控制柜，其內(nèi)部將機床的伺服驅(qū)動控制器、PLC控制器、斷路器、繼電器等電氣控制元器件集中布置，電氣柜布線整齊、結(jié)構(gòu)合理，電氣柜配裝防塵除濕空調(diào)裝置，使得電氣元件在良好的工作環(huán)境下運行，保證電氣系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。電氣系統(tǒng)具有3層過載保護功能（系統(tǒng)程序控制、驅(qū)動器保護控制、PLC編程控制）。

3.11 數(shù)控系統(tǒng)

機床配置SIEMENS公司的SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)，進給伺服電機和驅(qū)動器均采用SIEMENS公司產(chǎn)品。主軸伺服電機和驅(qū)動器采用北京超同步公司產(chǎn)品，保證性能先進、穩(wěn)定可靠。

感知機算法在線性可分情況下具有較快的訓(xùn)練速度和較高的正確率.其通過尋找超平面區(qū)分散射參數(shù)曲線.經(jīng)過多組實驗和測試，散射參數(shù)曲線經(jīng)過預(yù)處理后具有線性可分的特點，適合作為使用感知機進行二分類.

可通過西門子編輯軟件DXF-Reader將DXF圖紙中需要加工的孔位排布轉(zhuǎn)換為指定編程格式的矩陣定義程序。

4 國內(nèi)外同類產(chǎn)品的對比及效果評價

為了分析評價數(shù)控龍門移動雙主軸銑鉆床的技術(shù)水平，收集了國內(nèi)著名機床制造廠的同類產(chǎn)品性能指標和技術(shù)參數(shù)進行比較（表1）。

表1 機床性能指標和技術(shù)參數(shù)

本機床在機床基體材料、導(dǎo)軌形式、鉆銑刀架的切削力等方面大大優(yōu)于國內(nèi)機床，而且在工件切削穩(wěn)定性、工件裝夾的高效性等方面有自身獨特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。經(jīng)綜合比較，該數(shù)控龍門移動雙主軸銑鉆床機床結(jié)構(gòu)合理，功能部件配置合理，具有很好的性能價格比優(yōu)勢。

5 結(jié)語

該機床是面向新能源行業(yè)的，隨著全球不可再生能源的消耗，我國對新能源的重視程度增加，對新能源的投入也不斷加大，該機床的市場需求前景廣闊。該項目的試制成功會帶來相當不錯的經(jīng)濟效益，單臺機床的利潤均在100萬元左右。

本項目產(chǎn)品與國外生產(chǎn)廠商的同類產(chǎn)品對比，產(chǎn)品本身價格遠低于國外同類產(chǎn)品價格，生產(chǎn)加工效率是其他機床加工效率的2倍左右，使用壽命長，因此成本、使用及維修費用較低。

該機床的試制成功，在數(shù)控龍門鉆銑床方面打開一片廣闊的市場，可帶來較高的經(jīng)濟效益和社會效益。