一種電機軸螺桿加工專用的數控銑床機械結構系統優化設計
2023-8-22 來源：- 作者：-
摘要：【目的】針對螺桿加工專用銑床存在自動化程度低、功能集成度不高、生產工藝周期長、機床結構形式陳舊、機械結構穩定性差等不足?！痉椒ā空n題組以數控銑床系統結構穩定性設計的研究為出發點，根據機床設計目標和各項性能指標要求，研究與加工工藝相適應的功能機構布局，設計機床總體結構方案，重點研究上下料機構、旋銑系統、傳動系統、床身的設計?！窘Y果】設計出具有性能優良、功能完備的高端電機軸螺桿旋銑設備，實現電機軸螺桿的自動加工，降低企業勞動生產成
本，提高生產效率，增加企業經濟效益。【結論】該數控銑床整機結構設計穩定緊湊，占地面積小，集成度高。
關鍵詞：數控銑床；機械結構；優化設計；螺桿加工
0、 引言
近年來，我國電機軸螺桿旋銑設備的各項性能有了明顯提升，但與國外高端旋銑設備相比，仍處于低水平重復狀態，具體表現如下：1）設備集成化程度低。現有機床功能結構無法滿足最優的生產工藝策略，工件流轉周期長，生產效率低，占地面積大。2）機床結構陳舊?，F有電機軸螺桿旋風銑床多以平床身為主，較國外斜導軌型、階梯型導軌機床切削剛性弱，且裸露的導軌表面易因大量的切屑沖擊而發生磨損和熱變形。3）旋風銑頭穩定性不足。
國內旋風銑頭動力布置多為后置型，帶型為聯組窄V 帶，傳動效率較低，易發生扭振，且動力后置使刀軸前后端軸承受力不均，后軸承磨損加劇，穩定性欠佳。銑頭的刀軸較長，內孔多為直柱面，嚴重制約了螺桿螺旋升角的加工范圍。為防屑防液，銑頭多為密封形，工作時軸承摩擦溫升易引發刀軸熱變形。影響旋銑設備性能優劣的原因有許多，除材料性能、制造工藝、安裝技術等影響因素外，機械結構的穩定性設計也是重要因素之一。為研制結構穩定、安全可靠的旋銑設備，研究人員從旋銑成型機理著手，探究了工藝路徑、切削參數、刀具數量、刀具材料、工件屬性等因素對切屑形貌、切屑分布、成型精度、裝備加工效能的影響，構建了時變切削力模型、時變熱源模型，優化了刀具數量和布局方式，為旋銑系統動力學分析、裝備結構設計和優化、裝備性能提升提供了重要的技術支持 。
旋銑系統的熱特性和動靜態性能是旋銑系統穩定性研究的重點。Son等從螺桿旋風銑關鍵執行部件熱特性、動靜態特性等多方面對旋銑頭的穩定性進行了評估 。研究結果表明：銑頭軸承的摩擦溫升是旋銑部件熱變形和振動的主要影響因素，是旋風銑床設計制造的重要研究內容之一。此外，研究人員還分別針對螺桿旋風銑床和葉輪旋風銑床的床身和銑頭進行了動力學性能分析，并完成了模態試驗，為數控旋銑設備的設計提供了指導。譚立新研究了多軸旋銑裝置不同轉速下工件的變形與振動誤差，提出了控制轉速修調振動誤差值的方法。張春建等對大型螺紋旋風銑床主傳動系統和銑削工件系統進行了動力學仿真分析，提出以多點支撐和硅油減震器抑制旋銑系統振動。尹輝俊等針對旋風銑床加工大型錨具外螺紋時的振動進行了測試分析，采取增厚銑頭基座的方法降低振動。雖然研究人員在旋銑機理和系統結構穩定性設計方面進行了深入研究，但上述研究對象主要集中在絲杠、螺紋、螺桿、大模數螺桿、葉輪等方面，針對電機軸螺桿旋銑裝備的結構優化設計鮮有報道。因此，需在已有研究基礎上制定電機軸螺桿的全自動加工工藝方案，合理規劃機床結構布局，開展電機軸螺桿零件的銑削機理研究，明確刀具數量和布局方式，并在此基礎上利用先進的設計方法合理構建與加工工藝方案相匹配的系統結構，優化并完善。
綜上所述，本文以數控銑床系統結構穩定性設計的研究為出發點，根據機床設計目標和各項性能指標要求，研究與加工工藝相適應的功能機構布局，設計機床總體結構方案，重點研究上下料機構、旋銑系統、傳動系統、床身的設計。綜合提高工藝系統剛度，實現對螺桿加工系統的減振、抑振，保證零件的加工精度。
1、設計方法
1.1 上下料機構的優化設計分析
根據送料機構末端毛坯的形狀、重量和位置，綜合考慮機床主軸與工件液壓筒夾的尺寸參數，明確送料機構安裝位置及行程范圍。設計與毛坯外形相適應的夾緊機構，計算所需夾緊力大小并匹配相關力源機構。針對送料機構的功能目標（夾持毛坯并直線送入工件夾持機構）、傳動效率和執行速度，合理選擇運動副類型，明確構件參數。根據負載大小，計算并確定送料機構的原動機性能指標參數。分析成型零件的形狀、重量、工位情況以及旋風銑頭的布局和行程范圍等影響因素，研究并確定回料機構的功能（收料、物料夾持、落料）。擬采用疊加式機構設計法，解析各功能機構，明確運動副類型、數量和性能參數，完成構件尺寸和結構設計，以滿足功能需求。針對機構執行速度、額定負載、轉動慣量等技術參數，確定動力類型，計算并選擇合適的原動機規格。以多體動力學為基礎，仿真分析回料機構的執行速度、受力狀態以及運動干涉等情況，優化設計方案。
1.2 旋風銑床傳動系統的動態設計分析
為滿足集成型旋風銑床的工藝流程，實現緊湊型一體化制造單元的構建，綜合考慮機床調速范圍、傳動效率、傳動精度、傳動穩定性、服役壽命等功能需求，擬針對傳動系統進行動態設計。依據集成型旋銑機床的執行功能和技術要求，提出各傳動系統的設計目標，優化選取各傳動系統的配置方式。1）工件主軸傳動系統設計。由旋銑加工負載特性、轉速變化范圍、傳動裝置效率等條件，計算工件主軸電機的輸出功率并選型。在滿足零件加工范圍、不削弱剛度的條件下，根據電機輸出功率和主軸設計原則，初步確定主軸的懸伸量、支承跨距大小以及孔徑尺寸。研究系統所受載荷分布特征，合理選擇軸承類型并進行軸承壽命校核。根據傳動配置方式，傳動比值要求，查閱相關設計手冊，確定各類工況系數，綜合考慮安裝空間限制，合理設計傳動部件尺寸并完成校核。利用ANSYS有限元分析軟件，對主軸傳動系統進行靜態、動態特性分析，主要研究主軸的強度、剛度、振型和主軸結構參數之間的規律變化，優化主軸傳動系統的設計方案。2）軸向和徑向傳動系統設計。根據旋風銑床加工精度、加工行程、進給速度、負載大小等技術要求，確定滾珠絲杠副的工作參數，初步計算確定絲杠導程、精度、額定動載荷，估算最大允許軸向變形量、螺紋底徑，確定滾珠絲杠副規格代號，并進行各項性能校核。計算分析絲杠總轉動慣量、絲杠總負載轉矩、空載加減速轉矩等，合理選擇電機型號并校核。根據系統的最大負載力和絲杠預拉伸軸向力總和的大小來確定軸承副的最大軸向載荷，基于該值進一步計算軸承副的預緊力大小、軸承副的額定動載荷、軸承的當量載荷等基本信息，確定軸承型號并校核。根據滾動導軌的選用準則以及導軌副的實際工作情況，確定軌寬、軌長、滑塊類型、精度等級、組合高度類型、預壓等級等。分別對軸向和徑向傳動系統進行動態分析，優化傳動系統的設計。
1.3 基于靈敏度分析的床身優化設計
床身是旋風銑床最重要的支撐元件，其結構的合理性和性能好壞將直接影響機床的加工精度和裝備的制造成本。從布局形式、載荷分布、剛性、整體穩定性等方面對現有旋風銑床的床身結構進行分析，項目擬采用減振抑振效果較好的局部瓦楞型筋板及肋骨強化的高剛性階梯型床身結構?；谄鋵嶋H工況進行靜態、動態特性分析，綜合考慮各階模態重要程度，初定設計變量的尺寸變化范圍，采用 Box?Behnken 試驗法和靈敏度分析確定各設計變量對輸出參數（質量、位移、固有頻率）的影響程度，選出靈敏度較高的設計參數，建立響應曲面模型。以質量最小、位移最小、固有頻率最高為目標函數，采用篩選法進行多目標參數優化，獲得最優結構參數。機床床身結構優化分析圖如圖1示。
圖1 床身結構優化分析圖
2、結語
課題組提出了螺桿專用的數控銑床機械結構系統優化設計理論及其配套系統結構的設計是實現集成型旋銑機床全自動加工的決定因素，其設計的合理性將直接影響旋銑裝備的加工性能、生產效率和加工精度，是解決現有電機軸螺桿旋銑設 備生產工藝周期長、加工穩定性差、集成度低等問題的關鍵。課題組開發了一種新的連續送料自動加工工藝，設計并優化了與工藝策略高度匹配的關鍵功能結構。設計實現電機軸螺桿的全自動化加工，有望縮短工藝生產周期，提升生產效率，且整機結構設計穩定緊湊、占地面積小、集成度高。
來源：
作者：陳聰1 ，王貽誠3 ，鄭雪飛1 ，邵思程2 ，陳建新1 ，王勝2 ，朱勤1
（1. 浙江赫科智能裝備有限公司2. 衢州職業技術學院 3. 衢州賦騰科技有限公司）
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