戴 亞

(上海市第三機(jī)床廠 上海 201600)

為了應(yīng)對國內(nèi)機(jī)械加工行業(yè)對大規(guī)格立式加工中心的需求，在進(jìn)行深入市場調(diào)研和技術(shù)認(rèn)證的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了XH716/1型立式加工中心，以滿足汽車、航空航天、軍工、汽輪發(fā)電機(jī)等行業(yè)加工大型復(fù)雜零件的需要。

XH716/1型立式加工中心采用了十字型結(jié)構(gòu)布局，如圖1所示。機(jī)體結(jié)構(gòu)呈金字塔形，為重載荷及強(qiáng)力切削提供了穩(wěn)固的基礎(chǔ)；倒向Y形大跨距立柱，為主軸箱提供了穩(wěn)定的支撐。由工作臺的左右運(yùn)動(X向)、滑鞍的前后運(yùn)動(Y向)及主軸箱的上下移動(Z向)組成3個(gè)進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)。在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了機(jī)床剛性、熱變形、切削能力及精度穩(wěn)定性，其中Y向采用了“四導(dǎo)軌”布局（在主導(dǎo)軌的中間設(shè)置了輔助導(dǎo)軌），使床身的支承剛性得到了加強(qiáng)，顯著提高了機(jī)床的承載及抗振能力；該機(jī)床的床身、滑鞍、立柱、工作臺及主軸箱均經(jīng)過Cosmos Works有限元軟件分析并經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)的效率和水平。機(jī)床配備全封閉防護(hù)罩殼，造型美觀、時(shí)尚。

圖1 XH716/1型立式加工中心布局圖

1 支承件的設(shè)計(jì)

在機(jī)床設(shè)計(jì)中對支承件的基本要求是：

(1)應(yīng)具有足夠的靜剛度和較高的剛度—重量比。支承件所受的載荷，主要是拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)，其中彎曲和扭轉(zhuǎn)是主要的，因此，支承件的剛度，主要考慮彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度；

(2)應(yīng)具有較好的動態(tài)性能；

(3)應(yīng)具有較好的熱變形特性。

為達(dá)到以上性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)時(shí)使用三維軟件Solid works進(jìn)行物理建模。在保證計(jì)算精度前提下，根據(jù)圣維南原理，對部分局部特征如倒角、凸臺、油孔等進(jìn)行了簡化，并將模型導(dǎo)入Solid Works的Cosmos Works有限元插件，對受力和變形進(jìn)行定量分析。經(jīng)過網(wǎng)格劃分、添加約束、施加載荷步驟后進(jìn)行結(jié)構(gòu)和模態(tài)分析，以剛度—重量比作為指標(biāo)對模型進(jìn)行修改，以最小的成本獲得機(jī)床最大的整體剛性和運(yùn)行穩(wěn)定性。經(jīng)實(shí)際檢測，在受力及約束加載正確的前提下，Solid Works軟件有限元分析插件Cosmos Works對機(jī)械零件變形分析的理論結(jié)果與實(shí)測值偏差在30%以內(nèi)。由于支撐件均采用高性能灰鑄鐵材料（HT300），具有較高的抗彎、抗扭強(qiáng)度。因此即使在極限情況下，所受的最大應(yīng)力與材料的強(qiáng)度極限也相距甚遠(yuǎn)，安全性很高。其中床身和滑鞍的結(jié)構(gòu)分析處理較為典型。

該機(jī)床的床身采用閉式箱形結(jié)構(gòu)，床身橫截面如圖2所示，床身壁厚均勻，并在主要承載力處適當(dāng)進(jìn)行了加強(qiáng)。該結(jié)構(gòu)在保證足夠抗彎和抗扭剛度的前提下，最大程度地減輕了床身的重量；地腳采用爪座式結(jié)構(gòu)，降低了床身高度，使得機(jī)床跨距增大，有效地提高了運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。

圖2 床身橫截面圖

滑鞍的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如圖3所示，滑鞍內(nèi)部有縱橫交錯(cuò)的筋板，并且有相當(dāng)多的開口、凸臺等特征，在確保性能不變的情況下，建模時(shí)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?。使用有限元分析軟件，對初始方案進(jìn)行了優(yōu)化，得出其最優(yōu)橫截面為扁“M”型（對導(dǎo)軌部位進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募雍?，提高了該處的局部剛度），整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成封閉的箱形，內(nèi)部合理布置加強(qiáng)筋；該結(jié)構(gòu)可在較小的重量下得到較高的抗彎和抗扭剛度。實(shí)際測試和使用表明該結(jié)構(gòu)具有較優(yōu)異的各向抗彎、扭剛度。

圖3 滑鞍橫截面圖

為進(jìn)一步提高產(chǎn)品的性能，在設(shè)計(jì)時(shí)還采取了一些措施，如：為了增加鑲條柔度，選用了小的厚度和斜度（1:100），并在中部進(jìn)行銑低，可使斜鑲條兩端保持良好的接觸，減少了刮研面積。零件的聯(lián)接盡量使用數(shù)量較多的小直徑螺栓，避免了大直徑螺孔對基礎(chǔ)件強(qiáng)度的影響，也降低了聯(lián)接處的法向變形。

2 進(jìn)給系統(tǒng)

機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要由以下指標(biāo)進(jìn)行衡量：

1)穩(wěn)定性

穩(wěn)定的系統(tǒng)在輸入變量改變、啟動狀態(tài)或外界干擾作用下，其輸出量經(jīng)過幾次衰變振蕩后，能迅速地穩(wěn)定在新的或原有的平衡狀態(tài)下。穩(wěn)定性和系統(tǒng)的慣量、剛度、阻尼以及系統(tǒng)增益都有關(guān)系。

2)精度

精度是指系統(tǒng)的輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度，包括定位精度、重復(fù)定位精度和輪廓跟蹤精度。

3)快速響應(yīng)特性

指系統(tǒng)對指令輸入信號的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過程結(jié)束時(shí)的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和傳動裝置的加速能力等，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)均可以通過修改調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，以獲得最佳切削效果。

為滿足以上要求，設(shè)計(jì)進(jìn)給傳動裝置時(shí)應(yīng)滿足：

(1)轉(zhuǎn)矩（功率）匹配，即選擇伺服電機(jī)時(shí)，需要滿足：一、最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩不得超過電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；二、最大空載加速轉(zhuǎn)矩不得大于電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩。

(2)慣量匹配，即在轉(zhuǎn)矩一定的情況下，伺服電動機(jī)本身的慣量JM與外部慣量折算到電機(jī)軸上的慣量JL之和越小越有利于調(diào)速，瞬態(tài)響應(yīng)越好,電動機(jī)加、減速時(shí)所需的能量越少。伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量JM和負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量JL的匹配關(guān)系，一般為1＜JM/JL＜4。在此范圍內(nèi)，JM/JL值越小性能越佳，通過調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)的位置環(huán)增益、速度環(huán)增益的參數(shù)可以獲得較好的綜合性能。

為達(dá)到以上指標(biāo)，對于采用滑動導(dǎo)軌的機(jī)床而言，減小導(dǎo)軌副摩擦阻力、提高壽命的主要方法是采用注塑或貼塑導(dǎo)軌。該機(jī)床采用了貼塑導(dǎo)軌，結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，具有運(yùn)行摩擦阻力小、剛性及吸振性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。貼塑導(dǎo)軌與機(jī)床淬火導(dǎo)軌配磨后，得到了極佳的接觸剛度。在傳動機(jī)構(gòu)中，伺服電機(jī)和滾珠絲杠采用了高剛性、高精度的雙螺母預(yù)加載荷滾珠絲杠，通過高剛性的無齒隙聯(lián)軸器與伺服電機(jī)聯(lián)結(jié)，獲得了較變速機(jī)構(gòu)等其它聯(lián)結(jié)方式更大的聯(lián)結(jié)剛度；絲杠采用一端固定，一端自由的支撐方式，裝配時(shí)進(jìn)行了預(yù)拉伸，有效地提高了抵抗熱變形的能力，使機(jī)床更適合于在長時(shí)間重切削的工況下連續(xù)運(yùn)行。

3 主軸傳動系統(tǒng)

主軸傳動系統(tǒng)采用了兩種方案：

1)使用模塊化變速箱，如圖4所示。

圖4 模塊化變速箱

2)使用自行研發(fā)的變速箱，如圖5所示。

該變速箱主要通過撥叉帶動花鍵軸上的齒輪離合器實(shí)現(xiàn)檔位切換。如齒輪離合器處于如圖5右邊位置時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)兩級變速實(shí)現(xiàn)“速度降低，扭矩增大”，如離合器處于左邊位置時(shí)，電機(jī)軸與輸出軸直聯(lián)，兩級變速齒輪均空轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)“1:1傳動”。

圖5 自研變速箱結(jié)構(gòu)圖（已拆除安裝口蓋）

通過吸收國內(nèi)外同類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，該變速器采用了以下多項(xiàng)新技術(shù)：

(1)經(jīng)優(yōu)化的變速結(jié)構(gòu)，零件數(shù)量少，運(yùn)行可靠，變檔實(shí)現(xiàn)容易；

(2)軸承均采用高精度鎖緊螺母固定，免去了在軸上開鍵槽，簡化了加工工序，避免了鍵槽降低軸的強(qiáng)度或引起應(yīng)力集中，影響軸的疲勞壽命；

(3)軸支承采用了新的結(jié)構(gòu)，避免了軸高速運(yùn)行時(shí)熱伸長對軸承的影響；

(4)在電機(jī)與主軸箱體之間設(shè)置了減振元件（電機(jī)減振條），降低了電機(jī)振動對機(jī)床的影響，提高了主軸的加工精度；

(5)撥叉與滑移齒輪之間設(shè)置了一個(gè)深溝球軸承，撥叉在不脫離滑移齒輪電機(jī)也可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)；

(6)鍵槽采用對稱布局，減輕了對軸強(qiáng)度的影響，也便于齒輪的動平衡；

(7)內(nèi)部齒輪傳動采用油氣潤滑，避免了復(fù)雜的密封結(jié)構(gòu)，也一定程度的降低了成本。

由于采取以上措施，該變速箱的綜合性能有了較大幅度的提高。

4 潤滑系統(tǒng)

機(jī)床的潤滑使用了定時(shí)、定量自動集中潤滑系統(tǒng)，性能穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)自帶定時(shí)和排量調(diào)節(jié)裝置（不需機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制），用戶在使用時(shí)也可以方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)。特別是該系統(tǒng)采用了尼龍管輸油，在裝配時(shí)不需要鉆油孔，布管極其方便；而且尼龍管內(nèi)壁光滑，摩擦因數(shù)極低，油路的沿程壓力損失可忽略不計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，按照供貨商提供的資料并結(jié)合以往使用該系統(tǒng)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對機(jī)床所需的供油量進(jìn)行了預(yù)算，確定了供油排量和供油的間歇時(shí)間，保證了導(dǎo)軌和絲杠等運(yùn)動副之間的充分潤滑，并采用了國際標(biāo)準(zhǔn)潤滑元件，維修更換很方便。在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了相關(guān)的報(bào)警信息，潤滑狀況及報(bào)警可通過數(shù)控系統(tǒng)顯示。

5 冷卻系統(tǒng)

機(jī)床的冷卻系統(tǒng)設(shè)置了容積足夠的獨(dú)立冷卻水箱，采用了大流量、高揚(yáng)程的高壓水泵，性能可靠，輸出流量可以進(jìn)行調(diào)整；根據(jù)需要配備鏈?zhǔn)阶詣优判计骰蚣埓^濾裝置以及手動噴槍，每個(gè)冷卻管上均設(shè)置了調(diào)節(jié)開關(guān)，通過調(diào)節(jié)冷卻液的流量，能迅速清除工作區(qū)域內(nèi)的切屑，大幅提高了機(jī)床的加工效率及沖排屑能力；另外還設(shè)計(jì)了供選配的主軸內(nèi)冷卻裝置（通過渦流分離器進(jìn)行精密過濾，過濾精度為20～25 μm），由主軸中心出水；為便于輕合金高速加工時(shí)的除屑及冷卻，增加了風(fēng)冷管路，由電磁閥控制，在數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行定義，由手動控制或在零件加工程序中自動執(zhí)行。

6 安全及可維護(hù)性

在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，嚴(yán)格執(zhí)行了《GB 18568加工中心安全防護(hù)技術(shù)條件》，所有可能引起人身傷害的部位都設(shè)置了防護(hù)裝置且設(shè)置明顯的警示標(biāo)牌，在醒目位置貼有設(shè)備操作規(guī)程，把可能的事故隱患降低到了最低限度，人機(jī)環(huán)境良好。

此外還特別注意了機(jī)床的可維護(hù)性，為了便于拆卸及安裝，內(nèi)置配件處均設(shè)置了維修口蓋，盡可能地減少了整機(jī)緊固件的種類，對螺釘?shù)闹睆胶托阅艿燃夁M(jìn)行了最大限度的統(tǒng)一，減少了安裝或維修時(shí)所需的工具種類；主氣動管路與支路氣管采用了不同的顏色，以便區(qū)分等等。使機(jī)床的維修及保養(yǎng)做到更加簡便、快捷。

7 結(jié)語

在國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品中，適宜加工大型零件及高屈服強(qiáng)度特殊材料的中規(guī)格立式機(jī)床，目前尚處于品種規(guī)格較為短缺的狀態(tài)，造成了在許多情況下用戶不得不用高價(jià)從國外進(jìn)口。XH716/1型立式加工中心的研制成功，提供了一種具有高性價(jià)比、大規(guī)格及重載荷的立式加工中心的選擇途徑，發(fā)展前景十分可觀。

[1]戴曙.金屬切削機(jī)床[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[2]李洪.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊[M].沈陽: 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社, 1999.