含能材料加工專用數控機床設計

陳昌金，伍凌川，王新科，景富軍

(中國兵器工業第五八研究所，四川 綿陽 621000)

含能材料［1］制品的成型方式主要有熔鑄和壓制成型兩種方式，均需要設計專用的模具。其中熔鑄成型適合多種形狀產品的批量生產，而壓制成型只適合簡單形狀的批量生產線。隨著新型裝備的發展需要和精密裝藥技術的進步，含能材料制品的形狀越來越復雜，采用熔鑄和壓制成型的方式加工小批量產品具有成本高、周期長等諸多不足。本文討論的壓制成型(簡單形狀，如柱狀等)+切削加工的工藝路線可有效解決這些問題，并具有成品密度高的優點等。

為了加快新型裝備的研究和試制進度，降低科研過程的成本，我單位與某單位聯合開發了用于簡單成型含能材料復合加工的專用數控裝備。

1 技術路線

由于設計定位是用于含能材料的試制和小批量生產，機床必須具備多種加工功能:一次裝夾就要實現車、銑、鉆等加工。且含能材料自身具有能量，在特定條件下(如摩擦、沖擊、靜電等)能量就會被釋放出來，引起燃燒或爆炸［2］，必須在機床設計、電氣集成等方面充分考慮安全性措施。

2 機床設計

用于本設備加工的毛坯多為柱狀，多數加工方式為車削［3］，因此機床采用45°斜床身車床布局，如圖1所示，具有X、Y、Z三個直線進給軸，主軸采用伺服主軸，并配有一臺動力刀塔，可以通過一次裝夾完成對工件的車、銑、鉆等加工，也方便加工過程三廢回收。

機床床身采用整體鑄造成型，采用45°斜床身布局方式，確保機床具有良好的強度和剛度，并方便廢液、廢渣［4］的回收［5］。

機床進給軸均采用防爆伺服電機+彈性聯軸器+滾珠絲杠副的傳動方式，絲杠專用角接觸軸承支撐;為防止在斷電后X、Y機構由于重力的作用自動下滑，這兩個進給軸都裝有單向超越離合器。機床主軸采用防爆伺服電機+圓弧齒同步帶+主軸單元的傳動方式，并在主軸單元的末端裝有制動器。

圖1 機床(不含機床護罩)三維示意圖

在完成機床設計后使用Ansys軟件對機床關重件及整機進行有限元分析，如圖2所示，通過分析改進設計，確保機床足夠的強度和剛度。

圖2 機床整機有限元分析結果

3 數控系統集成設計

機床數控系統采用西門子828D，使用位置半閉環控制方式。整個電控部分由操作臺、控制柜、外圍控制等組成。

操作臺由顯示控制模塊、MMC483機床控制模塊、I/O接口模塊、視頻監控系統等組成;控制柜由機床強電回路、各電機驅動回路、中間繼電器回路等組成;整機外圍配套由信號轉接箱、刀塔回路、液壓站回路、機床軸零點及限位開關、機床防爆照明燈、機床加工區間門控信號、冷卻回路、手動潤滑回路、對刀Mini電子手輪、防爆轉接箱等組成。數控系統配置如圖3所示。

4 機床安全性設計

含能材料加工的關注重點第一條就是安全，為此，采取了多重措施以提高加工過程的安全性。為了確保加工過程中操作人員的安全性，采用操作人員在中控室控制防爆間內的機床的遠程操作模式［3］，如圖4所示;增加監控系統，操作人員可以及時了解加工過程中出現的任何情況。

圖3 數控系統配置框圖

圖4 布局示意圖

冷卻系統采用冗余雙管路系統，確保加工過程的溫升在安全范圍內。機床所有進給伺服電機均采用防爆電機，進入防爆間的電氣信號均進行了安全隔離處理，確保防爆間的電氣系統符合安全要求。防爆間的防爆門開關與加工啟停采取互鎖控制，確保操作人員的安全。機床設有特殊的廢渣清理和冷卻液回收系統，確保不會產生含能材料的堆積。機床進行特殊的安全處理措施，保證機床相關靜電要求符合含能材料加工要求。切削刀具采用專用材料，保證加工過程的安全性。

5 機床實施效果

通過上述種種技術措施制造的含能材料加工專用機床在使用激光干涉儀進行檢測后得到圖5、圖6、圖7，證明其具有良好的幾何精度、定位精度和工作精度;并且通過實際加工測試，其在含能材料加工時具有良好的安全性。

圖5 機床X軸定位精度誤差曲線

圖6 機床Y軸定位精度誤差曲線

圖7 機床Z軸定位精度誤差曲線

6 結束語

本文設計的機床加工含能材料具有良好的安全性和可操作性，可為含能材料的機械加工提供良好的技術支撐。

［1］泰皮.含能材料［M］.北京:國防工業出版社，2009.

［2］黃尚誠，張國文.含能材料切削加工自動化技術［J］.兵工自動化，2000(3):27-30.

［3］陳道君，李彥，米玉華，等.數控車床用于含能材料加工的改造設計［J］.機械設計與制造，2008(3):94-95.

［4］郝晏，李巧玲，李建強，等.火炸藥廢水處理技術的研究進展［J］.化工技術與開發，2010，39(11):50-54.

［5］王昕.綠色火炸藥及相關技術的發展與應用［J］.火炸藥學報，2006，29(5):67-71