李海安

（上海機(jī)床廠有限公司 上海200093）

隨著我國(guó)高端制造業(yè)中精密零件的精度要求不斷提高，對(duì)加工不斷提出新的要求，高精度數(shù)控臥式復(fù)合加工中心的需求也日益增加。由于復(fù)合加工具有高精、高效、環(huán)保的特點(diǎn)，復(fù)合加工機(jī)床通過(guò)單臺(tái)機(jī)床可實(shí)現(xiàn)多工序、多工種加工，減少了裝卸和調(diào)整時(shí)間，提高了加工效率和產(chǎn)品品質(zhì)，所以復(fù)合型機(jī)床成為了機(jī)床行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向，市場(chǎng)對(duì)高精度數(shù)控臥式復(fù)合加工中心的需求也日益增加。

1 工藝分析

用戶的加工對(duì)象為薄壁類零件，外圓加工成圓錐體，外圓有圓形和方形窗口，外圓小端面需鉆削并攻絲等分螺紋孔，窗口處尺寸一致性達(dá)到0.05 mm，粗糙度達(dá)到Ra3.2 μm。外圓和大小端面表面粗糙度達(dá)到Ra1.6 μm以上、徑向跳動(dòng)0.02 mm、尺寸精度IT6。加工零件如圖1所示。

圖1 零件示意圖

傳統(tǒng)加工工藝，其主要流程有：數(shù)控臥式車床粗精車外圓、內(nèi)圓、端面；立式龍門銑床，利用分度頭裝夾工件大端，鉆削外圓各圓形窗口和銑削方形窗口、鉆攻小端面螺紋孔至要求。

復(fù)合加工工藝將車、銑等加工工序集中到單臺(tái)機(jī)床，其主要流程有：兩端內(nèi)孔倒 60°角并精修，上特制頂尖，連續(xù)粗、精車錐度外圓及兩端面，轉(zhuǎn)換加工單元并利用主軸分度功能，鉆銑外圓處圓形和方形窗口至要求；利用特制中心架動(dòng)力刀架，鉆攻小端面螺紋口至要求。該方案有效地改變了以前工藝工序多、工件精度低，提高了加工效率。

2 立柱式復(fù)合加工裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)及特性

該立柱式復(fù)合加工裝置安裝在 X軸中拖板上，由伺服電機(jī)、傳動(dòng)裝置、底座、滾珠絲杠、平衡油缸、動(dòng)力刀架、滑板、導(dǎo)軌副、立柱、夾緊油缸組成。Y軸垂直運(yùn)動(dòng)由安裝在底座內(nèi)部的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置和滾珠絲杠帶動(dòng)滑板沿 Y軸垂直運(yùn)動(dòng)。裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 立柱式復(fù)合加工裝置結(jié)構(gòu)

當(dāng)需要車削時(shí)，立柱式復(fù)合加工裝置由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置和滾珠絲杠帶動(dòng)滑板至車削原點(diǎn)，再由夾緊油缸頂緊滑板，保證了車削時(shí)導(dǎo)軌副處于無(wú)側(cè)隙狀態(tài)，從而保證了車削精度。

當(dāng)需要銑削時(shí)，夾緊油缸通過(guò)液壓放松，再由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置和滾珠絲杠帶動(dòng)滑板沿Y軸做垂直銑削運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)安裝在底座內(nèi)的兩個(gè)平衡油缸，平衡掉了動(dòng)力刀架和滑板的自重，保證Y軸上下垂直運(yùn)動(dòng)的一致。

3 立柱式復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)

3.1 技術(shù)參數(shù)設(shè)定

確定Y軸快移速度600 mm/min、Y軸行程±70 mm、Y軸定位精度0.014 mm。車切削參數(shù)為切深5 mm、進(jìn)給量1 mm/r、工件最大直徑Φ1 250 mm、轉(zhuǎn)速400 r/min、刀具主偏角45°。銑削參數(shù)為切削速度40 mm/min、每齒進(jìn)給量0.1 mm/z、銑刀直徑Φ20 mm、切深5 mm、銑削寬度10 mm、刀具齒數(shù)10、刀具主偏角75°。計(jì)算切削力：車削主切削力為7780 N、進(jìn)給力2334 N、徑向力3 890 N。銑削主切削力為2 577 N、進(jìn)給力851 N、徑向力902 N。

3.2 滾珠絲杠選用

由于Y軸方向采用了平衡油缸結(jié)構(gòu)，滑板和動(dòng)力刀架自重通過(guò)平衡油缸將其自重抵消?，F(xiàn)滾珠絲桿主要承受的是銑削時(shí)的主切削力，根據(jù)技術(shù)參數(shù)銑削主切削力為2 577 N、Y軸快移速度600 mm/min、銑削切削速度40 mm/min、Y軸行程±70 mm、Y軸定位精度0.014 mm。

根據(jù)結(jié)構(gòu)需要初選 HIWIN FDI50-5T6 滾珠絲杠，精度等級(jí)C3，定位精度為 0.008/300 mm，該絲杠導(dǎo)程為5 mm、絲杠中徑Φ50 mm、珠徑Φ3.175 mm、額定動(dòng)載1 757 kgf、剛度177 kgf/μm。設(shè)運(yùn)作條件為正常轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)行壽命為25 000 h。

3.3 立柱受力分析

由于該立柱復(fù)合加工裝置具有車削和銑削兩種功能，通過(guò)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)中的參數(shù)可以看出車削時(shí)候的主切削力明顯大于銑削時(shí)的主切削力，故立柱的強(qiáng)度校核以車削時(shí)候的切削力為參數(shù)來(lái)進(jìn)行校核。

設(shè)車削時(shí)，車削受力點(diǎn)離動(dòng)力刀架中心距離X=270 mm、Y=0 mm、Z=332 mm, 主切削力為7 780 N、進(jìn)給力658 N、徑向力1 096 N。如圖3所示。

圖3 立柱受力分析圖

3.4 立柱靜力結(jié)構(gòu)分析

立柱材料采用QT600-3球墨鑄鐵，該材料物理性能參數(shù)有密度ρ為7 300 kg/m3、彈性模量E為173 GPa、泊松比u為0.3、強(qiáng)度極限δb為600 MPa、屈服強(qiáng)度極限δ0.2為370 MPa。

在模型導(dǎo)入有限元分析軟件之前，去除對(duì)分析結(jié)果影響不大的局部細(xì)節(jié)。再添加零件材料屬性，定義受力載荷、固定面，并適當(dāng)?shù)貙⒕W(wǎng)格劃分得比較小。設(shè)置求解項(xiàng)并求解，結(jié)果如圖4所示。

圖4 立柱分析結(jié)果

將分析結(jié)果匯總整理后，見(jiàn)表1。

表1 立柱分析數(shù)據(jù)

從分析結(jié)果可看，最大應(yīng)力為4.7 MPa，最大變形量為0.008 mm，遠(yuǎn)小于QT600-3球墨鑄鐵屈服強(qiáng)度370 MPa和車削工件跳動(dòng)要求0.02 mm。因此立柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)是安全的。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)高端制造業(yè)對(duì)中精密零件的精度和生產(chǎn)效率要求不斷提高，車銑復(fù)合加工這種高效率、高精度加工方式得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。針對(duì)用戶零件加工需求，本文設(shè)計(jì)出具有垂直銑削功能和車削功能的立柱式復(fù)合加工裝置，減少了工件多次裝夾造成的精度失準(zhǔn)、準(zhǔn)備工時(shí)長(zhǎng)、多工種反復(fù)加工等缺點(diǎn)，提高了加工效率，滿足了用戶對(duì)車銑復(fù)合加工的需求。

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