龍門(mén)式微銑削機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析*

李曉舟，鄭 艷，許金凱

(長(zhǎng)春理工大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

微小零部件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在航空航天，生物醫(yī)學(xué)以及高科技電子產(chǎn)品等方面也有廣闊的應(yīng)用前景，因此微細(xì)加工備受關(guān)注。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)機(jī)床的加工性能和加工效率的要求更高。自從1970 年Dutta［1］等人提出了微型機(jī)床的概念以來(lái)，各國(guó)科研人員以及院校相繼展開(kāi)了對(duì)微加工工藝及微機(jī)床的研究，并且取得了顯著的成績(jī)。在微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域中，微銑受到研究人員的青睞，進(jìn)而微銑削機(jī)床的研發(fā)及微銑削工藝的研究也格外受到重視。本文自主設(shè)計(jì)一臺(tái)龍門(mén)式微銑削機(jī)床，并且進(jìn)行有限元分析。

1 機(jī)床的總體設(shè)計(jì)

微銑削機(jī)床的設(shè)計(jì)要求:整體尺寸為600mm ×600mm × 550mm，X軸、Y軸和Z軸的進(jìn)給行程為±30mm，定位精度小于5μm，重復(fù)定位精度小于1μm，主軸回轉(zhuǎn)精度小于1μm，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)，整個(gè)機(jī)床分為龍門(mén)結(jié)構(gòu)、進(jìn)給工作滑臺(tái)、主軸系統(tǒng)、切削力測(cè)試系統(tǒng)、激光式對(duì)刀儀、CCD 攝像、切削液供給系統(tǒng)以及軟件控制部分，整體機(jī)床布置圖如圖1 所示。

龍門(mén)結(jié)構(gòu):橫梁和立柱之間由KK 模組聯(lián)接，立柱固定，橫梁在KK 模組的帶動(dòng)下往復(fù)移動(dòng)。加工范圍增大、空間較開(kāi)闊、降低生產(chǎn)中產(chǎn)生的震動(dòng)，保證了加工的尺寸精度。并且整個(gè)龍門(mén)結(jié)構(gòu)的材料選擇大理石材料，阻尼特性是鑄鐵的10 倍，減振效果、熱穩(wěn)定性比鑄鐵明顯提高，所以確保了表面質(zhì)量最佳和切削效率最大化。

進(jìn)給工作臺(tái):包括X、Y、Z軸直線進(jìn)給滑臺(tái)和360°旋轉(zhuǎn)進(jìn)給滑臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的三維加工。直線滑臺(tái)的行程為±30mm，定位精度5μm;旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)的定位精度0.025°。XY滑臺(tái)水平布置，旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)布置在XY滑臺(tái)之上;Z軸滑臺(tái)固定在龍門(mén)結(jié)構(gòu)的橫梁處，垂直于XY水平滑臺(tái)，并且可以沿著X方向移動(dòng)，增加了加工范圍。每個(gè)進(jìn)給滑臺(tái)配有一個(gè)分辨率為0.1μm光柵，作為檢測(cè)和反饋裝置，達(dá)到設(shè)計(jì)要求精度和實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

主軸系統(tǒng):主軸通過(guò)夾具固定在Z軸滑臺(tái)上，外徑30mm、最高旋轉(zhuǎn)速度60000r/min、回轉(zhuǎn)精度1μm 以?xún)?nèi)。

切削力測(cè)試系統(tǒng):放置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)之上，切削力采集系統(tǒng)利用Kistler 測(cè)力儀對(duì)微細(xì)銑削切削力進(jìn)行檢測(cè)，作為控制切削力的依據(jù)。

CCD 攝像:實(shí)時(shí)觀測(cè)加工情況以及輔助對(duì)刀，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工中出現(xiàn)的問(wèn)題。

激光式對(duì)刀儀:高端性刀具測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)刀具進(jìn)行非接觸式的精密自動(dòng)測(cè)量，輕松實(shí)現(xiàn)刀具長(zhǎng)度、直徑、磨損、破損等的實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量。測(cè)量精度可達(dá)0.2μm。

圖1 龍門(mén)式微銑削機(jī)床

總體的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多軸多功能的全閉環(huán)微銑削系統(tǒng)，集加工和檢測(cè)于一體。精密滑臺(tái)與光柵的配合使用，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)精度的要求;龍門(mén)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，使加工空間開(kāi)闊，抗震性好;激光式對(duì)刀儀和CCD 攝像頭的加入，能夠精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)對(duì)刀和切削過(guò)程的實(shí)時(shí)觀測(cè)，便于及時(shí)處理問(wèn)題，提高加工效率。本文只是介紹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分，而軟件控制部分由以后試制、裝配完成之后決定。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 載荷計(jì)算

整體的載荷包括床身、模塊的重力以及加工過(guò)程中的切削力。

微銑削機(jī)床的切削力為銑削力，刀具材料以硬質(zhì)合金為例，銑削力的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為［2-3］:

式中:Fc—圓周切削分力、CF—刀具磨損系數(shù)、ap—銑削深度、Z—銑刀齒數(shù)、fz—每齒進(jìn)給量、ae—銑削寬度、d0—銑刀直徑、n—轉(zhuǎn)速。

各銑削參數(shù):CF= 825、ap= 0.1mm、Z= 2、fz=0.1mm、ae=0.05mm、d0=4mm、n=10000r/min，將以上參數(shù)代入銑削力的計(jì)算公式，可求圓周切向力Fc=1.937N，將銑削力分解為進(jìn)給力Ff= 0.9Fc=1.7433N，徑向力Fe=0.35Fc=0.678N，垂直進(jìn)給力Fv=0.55Fc=1.065N。

2.2 靜力學(xué)分析

龍門(mén)結(jié)構(gòu)是龍門(mén)式機(jī)床的主要支撐結(jié)構(gòu)，龍門(mén)的剛度也是設(shè)計(jì)中主要考慮的問(wèn)題。為了使建立的分析模型更加接近實(shí)際情況，所以對(duì)龍門(mén)結(jié)構(gòu)和主軸系統(tǒng)進(jìn)行整體的靜力學(xué)分析。分析結(jié)果如圖2 所示，整體床身的變形達(dá)到5μm，而等效的最大應(yīng)力為0.444MPa。顯然最大變形過(guò)大，不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 龍門(mén)的靜力學(xué)分析圖

由分析可知，橫梁與工字型立柱是薄弱環(huán)節(jié)。在保證剛度的前提下，提高承載能力，也盡量減小質(zhì)量。應(yīng)用ANSYS 中的曲面響應(yīng)模塊對(duì)橫梁和工字型立柱進(jìn)行優(yōu)化，尋求響應(yīng)點(diǎn)。圖3a 為橫梁的三維簡(jiǎn)化模型圖，以H、D為輸入變量，以總變形量、最大等效應(yīng)力和質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)。根據(jù)整體的設(shè)計(jì)指標(biāo)，取80mm≤H≤140mm，70mm≤D≤100mm。圖3b 為工字型立柱的三維簡(jiǎn)化模型圖，以h、b、d為輸入變量，以總變形量、等效應(yīng)力和質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)，取50mm≤h≤80mm，100mm≤b≤140mm，165mm≤d≤205mm。優(yōu)化前后的參數(shù)對(duì)比如表1 所示。

圖3 三維簡(jiǎn)化圖

表1 橫梁和立柱優(yōu)化的參數(shù)對(duì)照表

橫梁的優(yōu)化結(jié)果:質(zhì)量增加了27%，總變形量增加0.007μm，等效應(yīng)力減少了0.014MPa;立柱的優(yōu)化結(jié)果:質(zhì)量減少4.4%，總變形增加了0.265μm，等效應(yīng)力減少了0.045MPa。橫梁的質(zhì)量增加與立柱的質(zhì)量減少進(jìn)行互補(bǔ)。完成橫梁和工字型立柱的優(yōu)化之后，對(duì)龍門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，分析結(jié)果如圖4 所示?？傋冃螠p少到0.6μm，最大等效應(yīng)力也減少到0.271MPa。雖然整體質(zhì)量有所增加，但是在靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析中，整體龍門(mén)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)特性良好。

圖4 優(yōu)化后龍門(mén)的靜力結(jié)構(gòu)學(xué)分析圖

2.3 動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)分析

振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過(guò)模態(tài)分析能夠得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，進(jìn)而合理的設(shè)定主軸的轉(zhuǎn)速，避免共振。這里只介紹前六階頻率，模態(tài)分析結(jié)果如圖5、表2 所示。

圖5 龍門(mén)模態(tài)分析圖

表2 龍門(mén)結(jié)構(gòu)前六階的頻率/Hz

根據(jù)模態(tài)分析可知，前五階振型均為龍門(mén)結(jié)構(gòu)的立柱出現(xiàn)擺動(dòng)現(xiàn)象，而第六階振型出現(xiàn)在Z軸滑臺(tái)。但是實(shí)際加工時(shí)橫梁處于立柱中間部分，立柱中間的承載能力較大，會(huì)減少立柱的變形量。由于分析軟件的局限性只得到前六階的頻率，而根據(jù)主軸的轉(zhuǎn)速預(yù)估的最高載荷頻率是1000Hz，所以進(jìn)一步對(duì)龍門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，更加準(zhǔn)確的分析機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性。載荷的加載如2.1 小節(jié)所介紹的銑削力經(jīng)驗(yàn)公式，設(shè)置頻率區(qū)間為300～1100Hz，載荷步為50 步。圖6 所示為橫梁上端面在三個(gè)方向的變形情況。峰值出現(xiàn)在460Hz 附近，X方向的位移量為0.069μm，Z方向的位移為0.023μm。所以整個(gè)系統(tǒng)在36000rpm～60000rpm可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高速切削，總的來(lái)說(shuō)優(yōu)化后龍門(mén)的動(dòng)靜態(tài)特性顯著提高。

圖6 龍門(mén)諧響應(yīng)分析圖

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)一臺(tái)龍門(mén)式微銑削機(jī)床，銑削單元采用立式結(jié)構(gòu)，集加工和檢測(cè)于一體。運(yùn)用ANSYS 對(duì)龍門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析，并且優(yōu)化薄弱的環(huán)節(jié)，提高龍門(mén)整體的結(jié)構(gòu)特性和動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)高速微銑削加工;通過(guò)模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，得到龍門(mén)結(jié)構(gòu)的前六階頻率和振型，并且確定共振點(diǎn)，在實(shí)際加工中可以合理的設(shè)置轉(zhuǎn)速。從設(shè)計(jì)、分析到優(yōu)化，完成了整體機(jī)床的設(shè)計(jì)過(guò)程，為以后的切削理論分析和加工提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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