高速化臥式加工中心X向防護(hù)罩的研制*

楊　冰　郭文杰　張　璐　周　潔　孫俊淵

(寧夏共享機(jī)床輔機(jī)有限公司，寧夏 銀川　750021)

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高速化臥式加工中心X向防護(hù)罩的研制*

楊冰郭文杰張璐周潔孫俊淵

(寧夏共享機(jī)床輔機(jī)有限公司，寧夏 銀川750021)

該項目是基于“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項課題而提出的，主要針對“高速化臥式加工中心機(jī)床X向防護(hù)罩”為研究方向。研究通過構(gòu)建理論模型、靜力學(xué)、動力學(xué)仿真分析并通過實驗驗證了方案的可行性，最終得出高速化臥式加工中心X向防護(hù)罩的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。

高速化臥式加工中心機(jī)床X向防護(hù)罩；理論模型；靜力學(xué)分析；動力學(xué)仿真分析

高速導(dǎo)軌防護(hù)罩是高速機(jī)床不可缺少的組成部分，在保證數(shù)控機(jī)床高精度、高速度、低噪音方面起到重要作用。數(shù)控機(jī)床的高移動速度是機(jī)床發(fā)展的趨勢，國外機(jī)床的快移速度一般都在40～60 m/min，加速度0.6～1g，高的已達(dá)到90 m/min，加速度2g。普通導(dǎo)軌防護(hù)罩已不能滿足機(jī)床高移動速度，高加、減速能力的要求，機(jī)床廠家對可滿足機(jī)床高移動速度，高加、減速能力的導(dǎo)軌防護(hù)罩部件的需求也越來越大。國際市場上只有中國臺灣、日本、德國等廠家生產(chǎn)高速自動伸縮式導(dǎo)軌防護(hù)罩，國內(nèi)現(xiàn)在多為進(jìn)口。機(jī)床的發(fā)展方向是高速、精密、復(fù)合、智能、環(huán)保，防護(hù)罩作為機(jī)床重要的功能部件之一，其發(fā)展也是向著高速度、低噪聲、長壽命、節(jié)省空間和能源，適應(yīng)環(huán)境要求等以適應(yīng)主機(jī)的發(fā)展需要，在技術(shù)層面上主要表現(xiàn)在：高速化、組合化、節(jié)約化、環(huán)保化。

防護(hù)罩作為機(jī)床重要的功能部件，是阻礙我國數(shù)控機(jī)床向中高檔次發(fā)展的瓶頸之一，據(jù)了解，國內(nèi)機(jī)床配套防護(hù)罩廠家水平層次不齊，雖然能制作高速自動伸縮式導(dǎo)軌防護(hù)罩，但是大多做工質(zhì)量差、技術(shù)含量低，不能滿足數(shù)控機(jī)床廠家的使用要求，傳統(tǒng)的臥式加工中心X向防護(hù)罩是由左右兩組護(hù)罩組成，與主軸連接。安裝時因兩組護(hù)罩相互獨立使安裝誤差累積，從而導(dǎo)致護(hù)罩運行時不平行而造成結(jié)構(gòu)損壞，機(jī)床在高速運行下甚至可能被瞬間撞損而造成機(jī)械受損、工件受損、人員受傷。低速運行時，因護(hù)罩不平行而產(chǎn)生抖動，機(jī)床的精加工往往在低速狀態(tài)下完成，護(hù)罩的抖動會帶動主軸振動，從而導(dǎo)致主軸在精加工時使工件加工面產(chǎn)生花紋，從而影響工件的精度。漢川機(jī)床集團(tuán)有限公司電控公司目前能設(shè)計動柱型臥式加工中心組合防護(hù)罩，將左右兩組護(hù)罩采用一體式設(shè)計，提高了安裝精度，但是運行速度不高，快移速度僅40 m/min，不能滿足高速化的要求。國內(nèi)現(xiàn)在還沒有專業(yè)廠家生產(chǎn)這種為臥式加工中心配套的高速化X向防護(hù)罩，國內(nèi)機(jī)床廠多依賴進(jìn)口，中外合資機(jī)床廠的外方也多將此防護(hù)罩作為較關(guān)鍵的技術(shù)和部件，由外方直接提供。我們正是從這點出發(fā)，為替代進(jìn)口，在傳統(tǒng)組合式防護(hù)罩的基礎(chǔ)上著眼于降低安裝裝配難度，滿足更高速更高精度的機(jī)床需求。

1　設(shè)計關(guān)鍵點控制

臥式加工中心換刀機(jī)構(gòu)空間限制，X、Y軸防護(hù)裝置Z軸方向的有效空間小，而受保護(hù)的面積較大接近8 m2，防護(hù)罩板型尺寸較大，長2.5 m，高3.2 m，在高速高加速狀態(tài)下運行，所承受的沖擊力較大，防護(hù)罩需要高剛性、高強度，才不會導(dǎo)致主體變形，而產(chǎn)生不平行、干涉等問題，才不會影響機(jī)床微小移動時的精度。在如此條件下采用何種方式的設(shè)計，才能夠解決防護(hù)問題。

在開發(fā)方案、技術(shù)路線、采用現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)方法，進(jìn)行高速防護(hù)裝置的設(shè)計，研究高速移動中特定桿及防護(hù)件結(jié)構(gòu)、材料性能等因素對防護(hù)裝置的運動性、防護(hù)性及環(huán)保的影響，建立實驗測試研究平臺，選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計，提高高速防護(hù)裝置的設(shè)計質(zhì)量，保證工件的加工精度，采用的總體技術(shù)路線，見圖1。

1.1材料選擇

防護(hù)罩在高速高加速度引起的強度、共振下運行，要求防護(hù)罩主體材料剛性、強度足夠好，不易變形，保證運行的平穩(wěn)性。機(jī)床在高速移動下，啟動和剎車都需要較大的動力，這就要求護(hù)罩質(zhì)量輕，減小主軸運行時所承擔(dān)的負(fù)荷和護(hù)罩在啟動及剎車時所產(chǎn)生的慣性，從而避免共振的產(chǎn)生，保證機(jī)床的加工精度。431不銹鋼板材除具有良好的剛性、硬度、防銹性，還具有良好的加工性能：①薄板構(gòu)件重量輕；②形狀規(guī)范，易于裁剪、焊接，可制造大而復(fù)雜的構(gòu)件；③加工量小，由于薄板表面質(zhì)量高，厚度尺寸均勻誤差小，板面不需加工；④易成型，可實現(xiàn)彎曲、折疊、卷邊和深拉結(jié)構(gòu)。

1.2護(hù)罩主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

將左右兩組防護(hù)罩結(jié)合為一體，采用裝框架式的門型對稱結(jié)構(gòu)，見圖2。左右兩組護(hù)罩結(jié)合為一體，減小組裝誤差使其在左右運動時能夠更平穩(wěn)更順暢地往復(fù)運動，一體式結(jié)構(gòu)防屑性及防水性較佳與鈑金外罩搭配容易。裝框架式結(jié)構(gòu)將每片護(hù)罩包裹住，保證防護(hù)罩主體剛性，確保運行平行無脫開現(xiàn)象產(chǎn)生。機(jī)床X軸加工行程1 100 mm，防護(hù)罩拉伸壓縮比達(dá)4:1，屬大行程護(hù)罩。護(hù)罩采用裝框架式的門型對稱結(jié)構(gòu)，板型大，中間空，強度和剛性弱。所以單節(jié)護(hù)罩設(shè)計時，在空間范圍內(nèi)允許的尺寸下結(jié)合折彎的工藝，多采用折彎來增強強度和剛性。

1.3直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計

X向護(hù)罩外形尺寸大，質(zhì)量相應(yīng)較大，從而摩擦力和扭矩相應(yīng)也大。設(shè)計時采用上下兩組精密板式直線導(dǎo)軌組合運用，上板式直線導(dǎo)軌承擔(dān)扭矩，下板式直線導(dǎo)軌直線導(dǎo)向，使X向護(hù)罩可在高負(fù)載的情況下實現(xiàn)高精度的直線運動。與在精密機(jī)械等使用的傳統(tǒng)微型滾珠軸承相比，精密板式直線導(dǎo)軌還具有如下特點：

(1)精密板式直線導(dǎo)軌的設(shè)計成本較低、裝配工時較省，能實現(xiàn)高精度的直線導(dǎo)向。

(2)摩擦系數(shù)極小的鋼球循環(huán)型滑動裝置，可在長期間內(nèi)維持穩(wěn)定性能。

(3)外側(cè)軌道和內(nèi)滑塊均由最薄的不銹鋼板制造。

(4)由于精密板式直線導(dǎo)軌重量較輕，因此慣性力矩小并具有優(yōu)異的高速應(yīng)答性。

1.4同步鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前常用的剪刀狀同步鉸鏈機(jī)構(gòu)裝置采用45號鋼作為鉸鏈片，將兩層鉸鏈片與鉸鏈定位銷和鉸鏈轉(zhuǎn)軸銷組合而成。這種方式的弊端在于鉸鏈片剛性和穩(wěn)定性不好，在高速運動狀態(tài)下易出現(xiàn)抖動，從而影響機(jī)床的加工精度。采用特殊結(jié)構(gòu)鋼作為鉸鏈片的原材料，保證鉸鏈片的強度和剛度，使剪刀狀同步鉸鏈機(jī)構(gòu)在往復(fù)運動50萬次后仍能保持原有功能，從而增加剪刀狀同步鉸鏈機(jī)構(gòu)的使用壽命。設(shè)計上鉸鏈片與鉸鏈銷軸肩有適當(dāng)間隙，保證剪刀狀同步鉸鏈機(jī)構(gòu)不壓死，運行靈活，軸向不竄動，使導(dǎo)軌防護(hù)罩在高速高加速度運行中穩(wěn)定不抖動。

1.5刮刷機(jī)構(gòu)設(shè)計

(1)需要有足夠的刮屑能力、良好的密封性、耐磨且摩擦系數(shù)小，防護(hù)罩使用過程中噪聲值不得高于70 dB。

(2)對于酸、堿、油性、水性、常用溶劑等切削液均適用。

(3)使用后刮刷機(jī)構(gòu)的彈性要保持在原來的95%以上，使其能充分與護(hù)罩主體貼合，保證密封性能。

(4)在使用壽命上，需能承受100 m/min的高速移動下往復(fù)100 km，且能承受高速移動下摩擦產(chǎn)生的高溫。

(5)刮刷機(jī)構(gòu)拆卸方便，便于更換。

1.6工藝展開設(shè)計

每節(jié)護(hù)板采用門型對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，見圖3。板型大，中間空，強度和剛性弱。在工藝展開時需要充分考慮其結(jié)構(gòu)，利用能折邊不焊接的原則進(jìn)行板材展開，展開時還需要充分考慮焊接的變形量，合理分布焊點，設(shè)計合理的焊接工裝進(jìn)行定位焊接，保證焊接精度。

1.7靜力學(xué)分析、動力學(xué)仿真分析

運用相關(guān)軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析與動力學(xué)仿真分析，獲得防護(hù)罩在靜態(tài)和動態(tài)下的力學(xué)分布規(guī)律，結(jié)合二者的規(guī)律，得出適合二者的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，并對護(hù)罩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。見圖4，圖5。

1.8試驗檢測

(1)刮刷結(jié)構(gòu)間隙檢測：①油檢，當(dāng)防護(hù)罩運行到最大限度時，在護(hù)板表面涂滿油使護(hù)罩來回運動一次，確認(rèn)沒有漏油的地方。②鋼板尺檢測，每段順著行程方向，每100 mm間隔一次，與軸垂直的方向間隔100 mm，用塞尺確認(rèn)護(hù)板與刮刷結(jié)構(gòu)間的間隙不超過0.8 mm。

(2)振動檢測：以1 m/min的移動速度安全行程運行中，目視確認(rèn)蓋板與軸的方向前后不超過1 mm的振動。

(3)噪聲檢測：防護(hù)罩在試驗臺中通過速度變化由1～60 m/min連續(xù)運行24 h，速度在每間隔5個單位時用噪聲分貝測試儀測試噪聲值，在測試過程中，噪聲值均低于70 dB。

(4)穩(wěn)定性試驗：試驗臺編入程序，速度為60 m/min，加速度1g，來回運動100 h，無異常狀況。

(5)可靠性試驗：將防護(hù)罩裝入機(jī)床中進(jìn)行500 h實際切削試驗，500 h切削后防護(hù)罩無異常狀況，拆開防護(hù)罩進(jìn)行檢查，護(hù)罩內(nèi)部無切屑進(jìn)入。

2　結(jié)語

高速化臥式加工中心X向防護(hù)罩從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計、同步鉸鏈機(jī)構(gòu)設(shè)計、刮刷機(jī)構(gòu)設(shè)計、工藝展開設(shè)計構(gòu)建理論模型，運用靜力學(xué)分析與動力學(xué)仿真分析，進(jìn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)和工藝展開的優(yōu)化，制作樣機(jī)進(jìn)行驗證，得出高速化臥式加工中心機(jī)床X向防護(hù)罩的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。滿足高速化、高精度化、高可靠性、復(fù)合化、智能化的臥式加工中心X向防護(hù)罩要求。

[1]王慶華. 高速導(dǎo)軌防護(hù)罩之研究與發(fā)展[C]. 數(shù)控機(jī)床主要功能部件創(chuàng)新發(fā)展國際論壇論文集 (二), 2004.

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[3]楊沛湛, 王瑾. 動柱型臥式加工中心組合式防護(hù)罩[J]. 機(jī)械工人: 冷加工, 2006 (5): 31-32.

[4]張家駟. 導(dǎo)軌防護(hù)罩點焊式唇形密封裝置的設(shè)計與壽命計算[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2008 (11): 132-133.

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(編輯孫德茂)

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Manufacturing X-shield used in high speed horizontal machining center

YANG Bing, GUO Wenjie, ZHANG Lu, ZHOU Jie, SUN Junyuan

(Kocel Machine Tool Accessories Limited, Yinchuan 750021, CHN)

This project is based on the "high-end CNC machine tools and basic manufacturing equipment," which is put forward for major science and technology subject, the main symptoms of the "high-speed horizontal machining centerX-shield" for the research. Study is to construct theoretical models, statics, dynamics simulation analysis and experimental verification of the program through the feasibility, and ultimately produce the optimal design parameters of "high-speed horizontal machining centerX-shield".

X-shield of high-speed horizontal machining center; theoretical model; statics analysis; dynamics simulation

TH16；TG502.39

A

楊冰，男，1985年生，從事機(jī)床內(nèi)防護(hù)罩的設(shè)計及研發(fā)工作。

2015-06-23)

160134

*國家科技重大專項課題項目(2014ZX04011021)