常智紅

(山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)信息系，山西 太原 030031)

微型車銑復(fù)合機(jī)床設(shè)計(jì)

常智紅

(山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)信息系，山西 太原 030031)

針對(duì)復(fù)雜精密微細(xì)軸類零件，設(shè)計(jì)了一臺(tái)可實(shí)現(xiàn)多種軸類零件完整加工的微型車銑復(fù)合機(jī)床，并使用ANSYS分析軟件對(duì)機(jī)床進(jìn)行了模態(tài)分析，獲得了機(jī)床振動(dòng)特性，為機(jī)床的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

微型車銑復(fù)合機(jī)床；模態(tài)分析；設(shè)計(jì)

0 引言

隨著微機(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展，微型機(jī)電設(shè)備的優(yōu)勢(shì)越來越顯現(xiàn)出來，它被廣泛應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、國(guó)防、通信等領(lǐng)域。微機(jī)電設(shè)備在應(yīng)用領(lǐng)域快速發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)微型零件的精度提出了更高的要求。軸類零件作為傳動(dòng)系統(tǒng)核心零件，決定著系統(tǒng)的傳動(dòng)精度，因此微細(xì)軸的精密加工制造成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

1 精密微細(xì)軸的常用加工方法

精密微細(xì)軸類零件由于尺寸的特殊性，其工藝特點(diǎn)不同于常規(guī)尺寸軸類零件。由于微細(xì)軸徑向尺寸較小，當(dāng)加工產(chǎn)生的徑向切削力較大時(shí)，必然會(huì)使零件產(chǎn)生較大的徑向變形，無法保證加工精度，甚至出現(xiàn)無法加工的現(xiàn)象，因此微細(xì)軸的常用加工方式都是從降低徑向切削力為基礎(chǔ)產(chǎn)生的。目前微細(xì)軸常用的加工方法有特種加工、精密車削以及精密車銑加工等。

1.1 特種加工

微細(xì)軸的特種加工包括電解加工、電火花加工、超聲振動(dòng)磨削以及LIGA技術(shù)等。特種加工較常規(guī)的切削加工在降低切削力方面有突出優(yōu)勢(shì)，在微細(xì)軸加工方面有廣泛的應(yīng)用。但微細(xì)特種加工加工效率低，設(shè)備昂貴，對(duì)操作人員技術(shù)要求高，加工特征簡(jiǎn)單，對(duì)于一些復(fù)雜的微細(xì)軸無法加工，阻礙了微器件加工的發(fā)展。1.2 精密車削

精密車削技術(shù)較特種加工提高了加工效率，可以實(shí)現(xiàn)一些較復(fù)雜的微細(xì)軸類零件的加工，但是隨著微機(jī)械的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)軸的微小程度提出了更高的要求，由于軸徑的大幅減小，為了滿足切削速度等方面的加工要求，對(duì)主軸的轉(zhuǎn)速提出了更高的要求。但是高轉(zhuǎn)速下，微細(xì)軸彎曲的離心力會(huì)大幅度提高，將會(huì)導(dǎo)致軸的彎曲加劇[1]。

1.3 精密車銑

車銑加工是一種先進(jìn)的切削方式，它是利用銑刀高速旋轉(zhuǎn)來切削轉(zhuǎn)動(dòng)的工件，它不同于精密車削技術(shù)，大大降低了對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的要求，在微細(xì)軸類零件的加工方面顯示出了巨大優(yōu)勢(shì)。車銑加工包括4個(gè)基本運(yùn)動(dòng)，即銑刀的3個(gè)運(yùn)動(dòng)：旋轉(zhuǎn)、軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給；工件的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。切削速度由銑刀旋轉(zhuǎn)速度和工件旋轉(zhuǎn)速度共同決定，其中銑刀旋轉(zhuǎn)是主切削運(yùn)動(dòng)，因此車銑加工中的切削速度主要是由銑削速度決定，由于銑削的切削速度和軸徑無關(guān)，這樣就容易實(shí)現(xiàn)軸類工件的高速和超高速切削。車銑解決了由于微細(xì)軸直徑較小，車削難實(shí)現(xiàn)高速加工的難點(diǎn)，是一種微細(xì)軸加工的先進(jìn)的加工技術(shù)。

目前車銑加工技術(shù)在微細(xì)軸加工方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，它具有加工效率高、成本低、加工功能多樣，可以實(shí)現(xiàn)多種微細(xì)軸類零件的加工，尤其在復(fù)雜微細(xì)軸類零件加工方面具有巨大的潛力。為此，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)以車為主的微型車銑復(fù)合加工機(jī)床。

2 微型車銑復(fù)合加工機(jī)床設(shè)計(jì)與分析

本文設(shè)計(jì)的微型車銑復(fù)合加工機(jī)床使用多軸聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，可以一次完成復(fù)雜微細(xì)軸類零件切削成型、切斷以及工件分離。為了減小工件由于懸伸量較大而產(chǎn)生的切削變形，設(shè)計(jì)了支撐中心架，加工時(shí)采用小懸伸量的逐段加工，大大提高了零件的加工精度。該設(shè)備需要具備車、銑、鉆功能，可以實(shí)現(xiàn)車削加工、銑削加工、車銑加工、鉆削加工，實(shí)現(xiàn)了精密微細(xì)軸類零件的完整加工[2]。具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

外觀尺寸(mm)： 700×600×600；

整體重量(kg)： ≤150；

加工工件范圍(mm)： 直徑為Ф0.5～Ф6，長(zhǎng)度≤60；

主軸最高轉(zhuǎn)速(r/min)： 60 000 ；

表面粗糙度：Ra0.8 μm。

2.1 機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 主軸系統(tǒng)

由于微細(xì)軸切削需要的切削力較小，為了減小機(jī)床的整體尺寸，主軸系統(tǒng)選用電主軸直接驅(qū)動(dòng)的形式，這種結(jié)構(gòu)形式傳動(dòng)精度高，速度調(diào)節(jié)范圍大，同時(shí)可以提高主軸的剛度[3]。微細(xì)軸類零件直接裝夾在電主軸上，零件的徑向跳動(dòng)大幅減小，轉(zhuǎn)速大幅提高，以滿足切削速度要求，其中銑刀也由電主軸直接驅(qū)動(dòng)。

2.1.2 進(jìn)給系統(tǒng)

進(jìn)給系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)工件和刀具的移動(dòng)，且具有有良好的傳動(dòng)和定位精度、快速的響應(yīng)時(shí)間、優(yōu)良的抗振性能、安裝和調(diào)節(jié)方便等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)選用伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠滑臺(tái)。

2.1.3 刀具系統(tǒng)

直線運(yùn)動(dòng)具有響應(yīng)快的特點(diǎn)，滑臺(tái)的定位精度高，而且在微細(xì)軸的加工過程中使用的刀具數(shù)目也較少，為了滿足精度要求，本設(shè)計(jì)采用直線運(yùn)動(dòng)的排式刀架，這種刀架刀具安裝和拆卸方便。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)的微型車銑復(fù)合機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 微型車銑復(fù)合機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 機(jī)床模態(tài)分析

本加工系統(tǒng)加工零件為精密微細(xì)軸類零件，加工過程產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)加工精度會(huì)產(chǎn)生極大的影響。如果在加工中出現(xiàn)共振會(huì)直接影響零件的加工質(zhì)量，甚至導(dǎo)致無法加工出合格零件。同時(shí)共振也會(huì)破壞系統(tǒng)的一些機(jī)械結(jié)構(gòu)，造成機(jī)床的損壞[4]。因此，在對(duì)本機(jī)床進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)提高機(jī)床的可靠性具有重要的意義。

系統(tǒng)的模態(tài)分析需要根據(jù)要求對(duì)系統(tǒng)設(shè)置邊界條件。在對(duì)微型車銑復(fù)合機(jī)床進(jìn)行分析時(shí)，設(shè)置了位移約束，在機(jī)床底部施加固定約束。使用ANSYS軟件計(jì)算求解得到的機(jī)床前6階固有頻率及振型如表1和圖2所示。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在292.93 Hz～849.57 Hz的振動(dòng)頻率區(qū)間內(nèi)，發(fā)生振動(dòng)變形的主要部分是固定Y軸進(jìn)給平臺(tái)立柱、X軸進(jìn)給平臺(tái)的絲杠。由前3階和第6階振型圖可知，Y軸進(jìn)給平臺(tái)立柱的振動(dòng)變形主要為立柱的前后變形、左右擺動(dòng)變形以及扭轉(zhuǎn)變形；X軸進(jìn)給平臺(tái)的絲杠的振動(dòng)變形方式為上下振動(dòng)。通過分析可知，提高系統(tǒng)的低階固有頻率主要是優(yōu)化設(shè)計(jì)立柱和絲杠，立柱優(yōu)化可以通過設(shè)計(jì)抗彎和抗扭的筋板來完成，絲杠的優(yōu)化可以在滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上加粗直徑或者采用中空結(jié)構(gòu)。

表1 前6階固有頻率計(jì)算值

圖2 微型車銑復(fù)合機(jī)床振型圖

3 結(jié)語

本文對(duì)精密微細(xì)軸類零件的加工技術(shù)進(jìn)行分析，分析表明車銑加工技術(shù)在多特征的復(fù)雜微細(xì)軸類零件的加工有諸多優(yōu)勢(shì)。針對(duì)精密微細(xì)軸類零件的加工，設(shè)計(jì)了一臺(tái)微型車銑復(fù)合機(jī)床，它可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微細(xì)軸的多工藝切削加工和完整加工。該機(jī)床設(shè)計(jì)制造成本低，但加工精度高，是一種低成本高效率的加工機(jī)床。通過模態(tài)分析可知，該設(shè)備具有較高的低階頻率，

動(dòng)態(tài)性能較優(yōu)。

[1] 孫雅洲，梁迎春.微細(xì)切削與微小型化機(jī)床[J].現(xiàn)代制造工程，2005(2)：112-114.

[2] 馮辛安，黃玉美，杜君文，等.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[3] 李慶祥，王東生，李玉和.現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.

[4] 楊永亮.基于有限元的車床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].大連:大連理工大學(xué)，2006：7-40.

Design of Micro Turn-miller

CHANG Zhi-hong

(Department of Computer Information, Shanxi Vocational and Technical College of Coal, Taiyuan 030031, China)

To process various micro shaft parts, a micro turn-miller is designed. The modal analysis of the machine tool is carried out by use of ANSYS, and the dynamic characteristics of the machine tool are obtained, which may lay the fundation for the optimal design of the micro turn-miller.

micro turn-miller; modal analysis; design

1672- 6413(2015)06- 0098- 02

2015- 08- 08；

2015- 10- 20

常智紅(1985-)，男，山西懷仁人，助教，碩士，研究方向：微細(xì)切削加工。

TG65

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