桌面式龍門銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計與動力學分析

陳 爽 李曉舟 王志超

（長春理工大學，吉林 長春 130022）

近年來，在航空航天，生物醫(yī)藥，電子通訊以及汽車工業(yè)等領(lǐng)域?qū)ξ⑿×慵木苤圃煨枨笠恢痹谠鲩L。在微制造過程中，制造公差、零件特征以及零件尺寸能達到毫米甚至微米級，微制造技術(shù)正在成為一種主流技術(shù)。盡管采用傳統(tǒng)的精密機床能已能夠滿足微小尺寸特征和零部件的制造，但是微型機床由于結(jié)構(gòu)尺寸小，在熱變形，材料消耗量，占用空間，能源消耗，振動幅值方面比傳統(tǒng)機床要明顯減少，所以桌面式機床技術(shù)在微機械電子系統(tǒng)（MEMS）領(lǐng)域仍然具有很大的潛力。

微機床利用了桌面工廠的微小尺寸一體化制造系統(tǒng)的概念。桌面工廠的制造模式是綠色制造的一種，是環(huán)保型的生產(chǎn)模式。日本是較早開始研究桌面工廠的國家，已經(jīng)研發(fā)出了包括超小型車床、銑床、沖壓機等組成的桌面工廠，重量為23kg。國內(nèi)，清華大學，哈爾濱工業(yè)大學等高校也已經(jīng)開展了微型工廠的研究。為了實現(xiàn)微小零部件的制造，本文結(jié)合桌面工廠的概念設(shè)計了桌面式龍門銑床。

2 桌面式龍門銑床設(shè)計方案

通過研發(fā)桌面式銑床可以解決微小零部件的制造，零件的尺寸范圍一般可達幾百微米到幾毫米，特征尺寸可達到亞微米到幾百微米。桌面式銑床的工作空間應與工件的尺寸匹配，避免整個制造系統(tǒng)過于擁擠。

圖2 橫梁優(yōu)化參數(shù)

本文所設(shè)計的桌面式龍門銑床的龍門框架尺寸為500mm×600mm×500mm，總質(zhì)量為154kg。主軸采用立式裝配，可實現(xiàn)微小零部件的高速精密微銑削加工。龍門框架的良好擴展性和結(jié)構(gòu)特性保證了機床具有優(yōu)良的加工范圍及良好升級改造空間，桌面式龍門銑床整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 機床床身與基座

桌面式銑床的床身與基座應具有較低的熱膨脹系數(shù)，保證機床在運行過程中能承受溫度變化，從而獲得良好的動態(tài)和靜態(tài)剛度，保持工件較高的幾何重復性。機床底座使用天然大理石材料，橫梁使用鑄鐵。機床整體采用龍門式結(jié)構(gòu)，具有更好的抗振性以及擴展性。

2.2 定位平臺

定位平臺是主要的運動部件，為了實現(xiàn)微小零部件的精密加工，平臺應具有高分辨率和重復定位精度。滾珠絲杠能達到97%的傳動效率；重復定位精度一般都能到1μm；壽命長，滾出絲杠的螺母、絲杠和滾珠的硬度都很大，所以疲勞壽命和精度壽命都很長；滾珠絲杠還具有高速特性及運動可逆性等特性。X、Y、Z三個方向均選用精密滾珠絲杠滑臺。

2.3 主軸系統(tǒng)

圖1 桌面式龍門銑床結(jié)構(gòu)

微制造工藝中一般使用的刀具半徑都較小，所以為了獲得合適的切削速度，要求主軸具有很高轉(zhuǎn)速。另外還要保證主軸的徑跳動較小，避免在高速切削中出現(xiàn)嚴重的振動影響加工精度和機床壽命。本文選用的電主軸最高轉(zhuǎn)速為60，000rpm，徑向跳動誤差優(yōu)于1μm，最大輸出功率350W。

2.4 輔助系統(tǒng)

2.4.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)

在線監(jiān)控對加工過程的優(yōu)化和刀具的在線監(jiān)測有著重要的意義。本文選用雙CCD相機方法對整個加工過程實時在線監(jiān)控，充分掌握整個加工過程中刀具以及工件的狀態(tài)，實時了解加工過程中的問題，對研究加工工藝等奠定基礎(chǔ)。

2.4.2 隔振系統(tǒng)

為了提高工件的加工質(zhì)量，保證加工過程平穩(wěn)精確，消除外部振動源帶來的不利影響，機床需要配置隔振系統(tǒng)作為固定平臺。我們選用精密隔振平臺，適合微型高速加工設(shè)備，能夠有效地隔離加工過程中的外界振動。

3 機床結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

為了驗證機床結(jié)構(gòu)的可靠性，減少結(jié)構(gòu)在切削力、重力以及電機轉(zhuǎn)矩等的作用下的變形，我們通過有限元軟件ANSYS分析機床的靜態(tài)和動態(tài)特性，并對機床的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

3.1 銑削力載荷計算

本文利用Afazov等人推導出數(shù)學模型計算微切削力，見公式（1，2，3）

其中，β是螺旋角，h是切削厚度，v是切削速度，r是刀尖圓角半徑，p1- p9是切削力常數(shù)。本文計算加工鋁2024材料時的銑削力，使用有效直徑為0.2mm的微細銑刀，螺旋角為30°，切削厚度為100μm，切削速度為113mm/s，刃圓半徑為15μm，計算得到：FX=0.327N，F(xiàn)Y=0.8319N，F(xiàn)Z=0.4815N。

3.2 靜力結(jié)構(gòu)分析

由于橫梁是機床的關(guān)鍵部位，橫梁的剛度和負載能力將影響主軸的運行，同時還要考慮對橫梁進行減重設(shè)計，這是機床桌面化的重要步驟之一，我們使用Workbench的優(yōu)化模塊對橫梁進行了多目標參數(shù)優(yōu)化。為了提高橫梁的裝配精度，采用精密鑄造成型。橫梁的建模使用Workbench的Design Modeler （DM）完成。圖2為橫梁的橫截面，在DM中將 B、H、b、h、Ls設(shè) 置 為 變 量， 在Static Structural中將質(zhì)量、總位移量以及等效應力最大值設(shè)置為優(yōu)化目標參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗和子部件的尺寸選定了初始值，在Design Exploration模塊中給定變量的變化域，優(yōu)化結(jié)算后的橫梁減重54%，而在總變形最大值和等效應力最大值上分別增加0.04μm和0.02749MPa，優(yōu)化效果明顯，見表1。

表2 銑床前六階模態(tài)頻率

完成橫梁的優(yōu)化設(shè)計后，對龍門床身的靜態(tài)特性進 行分析，從圖3最大位移量 為 0.39μm，馮·米塞斯等效應力最大值為0.2544MPa。在靜力分析中，機床表現(xiàn)出良好的靜態(tài)結(jié)構(gòu)特性。

表 1 橫梁優(yōu)化前后參數(shù)對比

圖3 銑床靜力分析結(jié)果

圖4 加工單元模態(tài)分析

圖5 銑床的諧響應分析結(jié)果

3.3 動力學結(jié)構(gòu)分析

通過模態(tài)分析可以對機床結(jié)構(gòu)特性進行檢驗根據(jù)分析結(jié)果設(shè)定合理的主軸轉(zhuǎn)速，保證機床穩(wěn)定運行。本文計算了機床的前六階模態(tài)，見表2和圖4。

根據(jù)加工單元的模態(tài)分析結(jié)果可知，桌面式銑床在39，000rpm～60，000rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可實現(xiàn)高速精密微加工。

為了檢驗機床的動態(tài)特性，對桌面式銑床進行了諧響應分析。載荷力大小依據(jù)公式1中得到的切削力數(shù)值結(jié)果。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果及預估最高載荷頻率（1000Hz），頻率范圍設(shè)置在 300-1100Hz，載荷步為100。圖5為主軸前端橫截面在三個方向上的變形情況。床身的頻響峰值點出現(xiàn)在一階模態(tài)554Hz處，最大位移不超過0.181μm。滿足微小零部件的銑削加工要求。

結(jié)語

本文設(shè)計了一種滿足三維精密微小零件加工的桌面式龍門銑床，并對機床結(jié)構(gòu)進行了動力學特性分析。首先，在機床設(shè)計及優(yōu)化過程中，通過分析微小零件加工需求、零件特征及工藝特點，結(jié)合桌面工廠的設(shè)計原則，提出了機床的主體結(jié)構(gòu)及各單元設(shè)計，并在此過程中采取初步設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化的步驟，以保證機床初始設(shè)計的合理性；其次，為提高機床加工精度等性能指標，應用有限元法分析了機床的靜態(tài)和動態(tài)結(jié)構(gòu)特性，并針對分析結(jié)果對機床設(shè)計參數(shù)及薄弱環(huán)節(jié)進行了優(yōu)化；優(yōu)化結(jié)果證明了該桌面式龍門高速銑床具有良好擴展性和結(jié)構(gòu)性能。為高速微切削理論與實驗研究提供了靈活可靠的研究平臺。

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