馬曉君， 張自鵬， 羅 閣， 馬 巖

(1．東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江哈爾濱150040;2．佳木斯大學(xué)，黑龍江佳木斯154007)

0 引言

門五金件孔槽加工是木門生產(chǎn)加工、裝配的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，也是木門生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化的一個(gè)難點(diǎn)．傳統(tǒng)木門五金件孔槽數(shù)控加工基本以鏤銑機(jī)與鉆銑機(jī)等加工設(shè)備，通過仿形和靠模進(jìn)行加工，多工序、多次安裝夾緊加工，操作復(fù)雜，加工效率低、精度低、質(zhì)量差，不能滿足高檔木門和大批量互換性的木門安裝的生產(chǎn)要求．因此，高質(zhì)量的木門要用數(shù)控加工方法生產(chǎn)．在我國還沒有通過一次裝夾能夠完成門五金件孔槽數(shù)控加工的集多工序、多工位一次加工的門五金件孔槽數(shù)控加工設(shè)備，近年來，德國、意大利、日本等國家先后開發(fā)出數(shù)控門鉸鏈槽和門鎖孔、鎖槽的加工專機(jī)．這些機(jī)床實(shí)現(xiàn)了木門鉸鏈槽和鎖槽、鎖孔的加工高速化、高精度化、集成化、柔性化和智能化．但是，單件設(shè)備價(jià)格高達(dá)百萬元，鉸鏈槽和鎖槽、鎖孔必須分兩道工序，在兩臺(tái)機(jī)器上分別加工或在同一臺(tái)機(jī)器上分兩次裝夾加工[1]．為了實(shí)現(xiàn)門五金件孔槽在一臺(tái)設(shè)備一次裝夾完成全部自動(dòng)加工，提高門五金件孔槽數(shù)控加工的自動(dòng)化水平，針對(duì)多內(nèi)外門五金件孔槽數(shù)控加工現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種新的用于門五金件孔槽數(shù)控加工的機(jī)床．

1 門五金件孔槽數(shù)控加工原理

門五金件孔槽采用數(shù)控加工時(shí)，機(jī)床工作臺(tái)走向?yàn)閄軸方向，水平垂直工作臺(tái)走向?yàn)閅方向，在立柱上有一垂直方向垂直于工作臺(tái)面的刀具機(jī)構(gòu)進(jìn)給方向?yàn)閆軸方向．合頁槽刀具機(jī)構(gòu)垂直方向垂直于工作臺(tái)面的進(jìn)給方向?yàn)閃方向．由于門五金件孔槽數(shù)控加工機(jī)床要實(shí)現(xiàn)木門鎖具孔槽、合頁槽在木門兩邊同時(shí)進(jìn)行數(shù)控加工，至少要有六個(gè)數(shù)控軸，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)位置同時(shí)進(jìn)行加工．為了減少機(jī)床軸數(shù)，簡(jiǎn)化機(jī)床主機(jī)結(jié)構(gòu)，降低編程難度，提高機(jī)床工業(yè)化推廣的性價(jià)比，采用氣動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)鎖孔Z向、合頁槽Y向兩個(gè)位置的加工進(jìn)給．合頁槽、鎖槽、鎖孔三個(gè)刀具機(jī)構(gòu)通過數(shù)控裝置控制、機(jī)床氣動(dòng)控制裝置同時(shí)完成合頁槽、鎖槽、鎖孔及異型槽的開制[2]．

2 門五金件孔槽數(shù)控機(jī)床總體設(shè)計(jì)

門五金件孔槽數(shù)控加工機(jī)床的二維總裝圖如圖1所示．機(jī)床主要由圖注中的15個(gè)部件組成．

被加工木門通過進(jìn)、出料傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上料，定位預(yù)緊后由旋轉(zhuǎn)油缸組件夾具固定在工作臺(tái)上．鎖孔以及異型孔的主軸切削加工過程通過鎖孔刀具機(jī)構(gòu)主軸總成15實(shí)現(xiàn)，15上安裝有鉆頭(銑刀)．鎖槽、蓋片槽的主軸切削加工過程通過鎖槽刀具機(jī)構(gòu)主軸總成14實(shí)現(xiàn)，14上安裝銑刀．合頁槽的主軸切削加工過程通過橫梁上的三個(gè)合頁槽刀具機(jī)構(gòu)主軸總成10實(shí)現(xiàn)，10上安裝銑刀．鎖孔、鎖槽、合頁槽刀具機(jī)構(gòu)分別由相應(yīng)的刀具進(jìn)給驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)加工進(jìn)給．每個(gè)主軸均為單獨(dú)加工，在木門兩側(cè)同時(shí)加工進(jìn)給，整個(gè)過程由PC進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)門五金件孔槽的位置加工．加工后通過進(jìn)、出料傳動(dòng)機(jī)構(gòu)下料，進(jìn)入下一工作循環(huán)．

圖2 鎖孔、把手孔、鎖槽X向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)總成

圖3 鎖孔、把手孔、鎖槽Y向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)總成

門五金件孔槽數(shù)控機(jī)床主要技術(shù)參數(shù):

外形尺寸(長×寬×高)(mm) 2580×1970×1850

加工木門的最大尺寸(高×厚×寬)(mm)2400×60×1100

鎖槽、階槽電主軸型號(hào) HSP46C－12－3．7－F

鎖槽、階槽電主功率(kW) 3．7(1臺(tái))

鎖孔電主軸型號(hào) HSP46C－12－1．5－F

鎖孔電主軸功率(kW)1．5(1臺(tái))

把手孔電主軸型號(hào) HSP46C－12－0．4－F

把手電主軸功率(kW) 0．4(1臺(tái))

合頁槽電主軸型號(hào) HSP46C－12－0．4－F

合頁槽電主軸功率(kW)0．4(3臺(tái))

鎖孔槽X向行程(mm) ±300

鎖孔槽Y向行程(mm) 240

鎖槽Z向行程(mm) 60

鎖孔、把手孔Z向主軸氣缸行程(mm) 125

合頁槽X向行程(mm) ±300

合頁槽Y向主軸氣缸行程(mm) 125

合頁槽W向行程(mm) 60

定位、預(yù)緊氣缸行程(mm) 300

圖4 鎖槽Z向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)總成

圖5 門鎖孔、把手孔Z向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)總成

3 門五金件孔槽數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

門五金件槽孔加工機(jī)床包括主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)兩部分．鎖槽主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是由一個(gè)電主軸帶動(dòng)銑刀實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)，鎖孔、把手孔主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是由兩個(gè)電主軸帶動(dòng)鉆頭(銑刀)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)，合頁槽主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是由三個(gè)電主軸帶動(dòng)銑刀實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)．

圖6 合頁槽X向驅(qū)動(dòng)進(jìn)給總成

圖7 合頁槽Y向驅(qū)動(dòng)進(jìn)給總成

4 門五金件孔槽數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4．1 鎖槽數(shù)控進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

門五金件鎖槽數(shù)控進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由X，Y，Z三個(gè)方向的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)組成，分別由X，Y，Z三個(gè)方向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)總成帶動(dòng)鎖槽刀具機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如圖2、圖3和圖4所示．同時(shí)對(duì)兩部分運(yùn)動(dòng)要有簡(jiǎn)單的控制包括啟?？刂坪驼{(diào)速控制．

4．2 鎖孔、把手孔數(shù)控進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

門五金件鎖孔、把手孔數(shù)控進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由X，Y，Z三個(gè)方向的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)組成，X，Y向通過與鎖槽刀具共用進(jìn)給驅(qū)動(dòng)如圖2、3所示，實(shí)現(xiàn)在X，Y方向運(yùn)動(dòng)找到孔的加工位置，再由Z方向的氣缸帶動(dòng)主軸進(jìn)行進(jìn)給加工，鎖孔、把手孔主軸均為單獨(dú)加工，門鎖孔、把手孔Z方向由固定在主軸系統(tǒng)上的氣缸通過氣動(dòng)控制閥控制活塞桿的伸縮，從而驅(qū)動(dòng)帶有刀具旋轉(zhuǎn)切削的主軸沿主軸架上的直線導(dǎo)軌作Z方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)．工件定位夾緊完成后，主軸系統(tǒng)開始工作，通過步進(jìn)電機(jī)控制單個(gè)主軸在加工順序依次為鎖孔、把手孔．門鎖孔、把手孔Z向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)總成如圖5所示．

圖8 合頁槽W向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)總成

圖9 鎖具孔槽機(jī)架位移云圖

圖10 鎖具孔槽機(jī)架應(yīng)力圖

4．3 合頁槽數(shù)控進(jìn)給驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

合頁槽數(shù)控進(jìn)給驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)分布在鎖具孔槽加工機(jī)構(gòu)的另一側(cè)，包括主軸系統(tǒng)的X向移動(dòng)、Y向氣缸帶動(dòng)主軸進(jìn)給．X向、W向伺服進(jìn)給的傳動(dòng)方式采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，即步進(jìn)電機(jī)通過蝸輪蝸桿減速器帶動(dòng)齒輪齒條運(yùn)動(dòng)，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，分別控制三個(gè)合頁槽刀具機(jī)構(gòu)主軸系統(tǒng)的X向移動(dòng)和W向橫梁的垂向移動(dòng)，圖6為X驅(qū)動(dòng)進(jìn)給總成，X方向進(jìn)給是由步進(jìn)電機(jī)通過蝸輪蝸桿減速器傳動(dòng)到齒輪齒條副，蝸輪蝸桿減速器固定在主軸架上，從而帶動(dòng)主軸系統(tǒng)沿安裝在橫梁總成上的直線滑動(dòng)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)X方向的進(jìn)給，其最大行程為±40mm．圖7為Y向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)總成．Y縱向進(jìn)給系統(tǒng)是通過氣動(dòng)控制閥控制氣缸活塞桿的伸縮運(yùn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)主軸刀具的進(jìn)給加工．圖8為合頁槽加工機(jī)構(gòu)W向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)總成．

5 門五金件孔槽數(shù)控機(jī)床床身設(shè)計(jì)與機(jī)架有限元分析

門五金件孔槽數(shù)控機(jī)床床身由兩部分構(gòu)成，一是鎖具孔槽機(jī)架，二是合頁槽橫梁架，為了實(shí)現(xiàn)木門兩個(gè)位置加工，鎖具孔槽機(jī)架分布在工作臺(tái)機(jī)架的一側(cè)，合頁槽合頁槽橫梁架及可傾斜式刀具機(jī)構(gòu)固定在工作臺(tái)機(jī)架上．鎖具孔槽機(jī)架、合頁槽橫梁采用可拆分式結(jié)構(gòu)，由冷彎空心方鋼焊接而成．機(jī)架采用優(yōu)點(diǎn)是重量輕、成本低、生產(chǎn)周期短、改進(jìn)容易，出現(xiàn)缺陷可采取補(bǔ)救措施．機(jī)架結(jié)構(gòu)可見圖1．

由于合頁槽加工機(jī)構(gòu)及可傾斜式刀具機(jī)構(gòu)固定在工作臺(tái)機(jī)架上，加上合頁槽加工機(jī)構(gòu)采用橫梁，加工進(jìn)給力不大可不進(jìn)行校核．但鎖具孔槽加工機(jī)構(gòu)的機(jī)架除了承受驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重力還有鎖孔、把手孔進(jìn)給Z向加工力．使得機(jī)架與鎖具孔槽X向接觸面成為危險(xiǎn)受力面．為了保證工作的安全，必須對(duì)鎖具孔槽機(jī)架進(jìn)行校核．

采用Femap with NX Nastran對(duì)鎖具孔槽機(jī)架裝配模型進(jìn)行校核，方鋼的截面尺寸為80 mm×80 mm×4 mm，材料使用Q235，主要參數(shù)楊氏彈性模量E=2．06 ×105MPa、泊松比 μ =0．29、屈服極限 σb=235MPa、密度ρ=7800kg/m3各向同性．滿載工況下，當(dāng)安全系數(shù)n=1．5時(shí)，許用應(yīng)力[σ]=σb/n=156．7MPa．對(duì)機(jī)架裝配模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并施加載荷，求解后得到鎖具孔槽機(jī)架位移云、機(jī)架應(yīng)力圖，分別如圖9、10所示．由圖10可知，機(jī)架最大變形出現(xiàn)在上圈梁中間位置兩側(cè)，最大位移為5．446e－003mm，最大應(yīng)力為1．024MPa．通過求解分析結(jié)果可知，當(dāng)鎖具孔槽刀具機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)處于上圈梁中間位置兩側(cè)之一時(shí)，σmax=1．024MPa，σmax＜[σ]，故滿足設(shè)計(jì)要求．

6 結(jié)論

本文通過對(duì)木門五金件槽孔生產(chǎn)加工的現(xiàn)狀分析，研究設(shè)計(jì)了多軸門五金件孔槽數(shù)控加工專用機(jī)床，該設(shè)計(jì)具備如下優(yōu)點(diǎn):

(1)該機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾完成門五金件孔槽全自動(dòng)加工，提高了加工精度、生產(chǎn)效率，滿足了互換性，對(duì)實(shí)現(xiàn)門五金件孔槽數(shù)控加工的數(shù)字化、規(guī)模化具有重要意義．

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理、能加工一定范圍內(nèi)的木門，具有一定的柔性．加工過程數(shù)字化控制、加工產(chǎn)品精度高、尺寸形狀準(zhǔn)確．

(3)該專用數(shù)控加工機(jī)床已由東北林業(yè)大學(xué)的林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心設(shè)計(jì)完成，正在試生產(chǎn)加工．該機(jī)床的設(shè)計(jì)研發(fā)為木門五金件孔槽的加工中提供一種新工藝路線，對(duì)提升我國木工機(jī)械的數(shù)控化程度與木工機(jī)械的發(fā)展提供一種新思路．

[1] 姚永和．創(chuàng)新帶來發(fā)展力[N]．中國綠色時(shí)報(bào)，2006－1－12．

[2] 孟令聯(lián)，張兆好，徐楊．現(xiàn)代木門生產(chǎn)工藝與設(shè)備[M]．北京:中國林業(yè)出版社，2009．