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龍門加工中心主傳動系統和滑枕結構優化設計
數控機床作爲現代裝備制造業的工作母機,已經成爲涉及國民經濟命脈、國家安全的重要裝備。龍門加工中心是航空航天、船舶、機車車輛、工程機械和紡織等行業不可缺少的主要加工設備之一,隨著數控機床技術的不斷發展進步,對機床結構的優化設計提出了更高的要求,即在滿足機床整體性能的條件下,要逐步提高機床加工、裝配的工藝性、可靠性。
本文在對XHT2420龍門加工中心的主傳動系統和滑枕結構分析的基礎上,將新型的複合碳纖維傳動軸應用到主傳動系統,從而優化了主傳動結構,簡化了滑枕內腔結構,提高了主傳動系統加工和裝配的工藝性、可靠性和經濟性。
XHT2420龍門加工中心總體結構爲由雙立柱和固定橫梁組成封閉框架、工作台移動的龍門式定梁結構,X、Y、Z三個進給軸聯動,工作台移動采用伺服電動機驅動消隙雙齒輪、精密齒條機構,在床身上沿直線滾動導軌做X向往複縱向運動,伺服電動機驅動滾珠絲杠副帶動拖板沿橫梁上的直線滾動導軌做Y向往複橫向運動;由伺服電動機驅動滾珠絲杠副帶動垂直滑枕上的镗銑頭做Z向往複運動。
机床主轴配置了五面加工头,采用了立卧组合主轴头,同时具有立式和卧式主轴,恒温冷却,主轴自动完成5°×72mm转位, 主轴立卧换刀由电气、液压和气动共同配合完成60把链条刀库的全自动换刀。零件经一次装夹,可以对工件进行五面加工,可完成除安装面外其余各面及孔系的加工,确保被加工零件的各面、孔之间的加工精度,适用于多种板类、箱体类和机架类零件的数控加工,一次装夹可以对工件进行镗、铣、钻、铰和攻螺纹等各项操作。
機床原滑枕主傳動設計及分析
滑枕主傳動部件是影響龍門五面加工中心整機切削性能、強度、剛性和熱平衡的關鍵部件。滑枕是主傳動部件的關鍵零件,其結構與工藝性將直接影響主傳動部件的性能,其作用是把主軸電機和主軸連接起來並作Z向進給運動,在機床加工過程中,滑枕既要承擔自身的質量,還要承受主電機及減速箱的質量,爲了實現機床快速平穩地運動,滑枕必須保持很好的動態特性。
1)原滑枕主傳動設計及工藝性分析。如圖2所示爲龍門加工中心原滑枕主傳動系統。主軸伺服電動機1與方滑枕镗銑頭主傳動ZF減速箱2組配,ZF減速箱與滑枕采用分離式設計結構,ZF減速箱置于滑枕頂端,通過兩根傳動軸5、9和中間花鍵軸套7及聯軸器3、11將ZF減速箱的動力傳遞給立臥镗銑頭主軸12,驅動刀具完成切削運動。
兩傳動軸5與9必須通過4、6、8、10共4組軸承支撐,滑枕零件傳動軸孔多爲深軸孔,加工精度特別是平行度、孔距和孔徑較難保證,易造成傳動鏈松垮,減弱傳動剛性,增大切削噪聲。此外,長軸孔不易裝配,裝配質量穩定性、可靠性不高,影響傳動剛性。
由此可見,滑枕精密深腔孔的加工和測量是滑枕制造和加工的關鍵。
2)原滑枕加工工艺性分析。如图3所示即为龙门加工中心原滑枕零件图,方滑枕尺寸为420mm×420mm×2 773mm,滑枕最大行程Z = 1 0 0 0 m m,腔内轴向共6 个加工孔, 主轴孔φ 360H7, 各孔同轴度要求φ 0.025mm。结构特点是内腔孔比较深,各孔同轴度要求高。尤其是中部的轴承孔,无论从左端还是右端加工,距端面距离分别深达1 426mm和1 411.3mm,加工、测量均很困难。
一般滑枕深腔孔有3種主要的加工方法:懸臂镗削法、吊牆導向法和固定式雙支撐法。
悬臂镗削法:当滑枕深腔孔孔深不大于1 000mm时,可采用主轴单臂悬深的方法进行加工。这种方法的加工刀具方便随时进行调整,而且在操作过程中方便测量和观察,滑枕深腔孔和滑枕两端孔的同轴度主要就是依靠刀杆的刚性和机床的回转精度来保证。
吊墙导向法: 当滑枕深腔孔孔深大于1 000mm时,由于孔深较深,采用单臂悬伸方法无法达到精度要求。通常采用吊墙导向法,这种方法利用滑枕上带有的方窗,窗口朝上,在深孔窗口处安装专用工装——吊墙,在滑枕端孔安装架套,形成双导向的加工方法。用这种加工方法生产的工件同轴度好,但因吊墙(作镗杆的支撑用)是悬挂在滑枕上方,其支承刚性差,切削过程易产生振动且测量不方便。
固定式双支撑法:当滑枕的深腔孔孔深大于1 500mm时,一般采取固定式双支撑的方法进行加工。利用滑枕上带有的方窗,窗口朝下,通过镗具将滑枕安装在机床上,前支撑设在工件的前端,后支撑借助工件上的方窗孔设置在工件需要加工的后轴承孔的后端,前后支撑形成双导向,以实现一次装卡分别满足前后孔的加工。在前后支撑之间增加辅助支撑,以克服镗杆的悬伸变形。这种方法加工出来的滑枕同轴度高、质量好,但需要专用镗具,且同样存在操作复杂、测量困难的问题。
由上述分析可知, 原滑枕由于单端孔深大于1 000mm,滑枕精密孔加工不能采用悬臂镗削法,只能采用吊墙导向法或固定式双支撑法。但采用吊墙导向法或固定式双支撑法必须设计制造专用镗具, 操作费时、测量困难。因此,应转换思路,另辟蹊径,从改变滑枕内腔传动结构入手,解决滑枕加工、装配的工艺性问题。
滑枕主傳動優化設計
1)滑枕主傳動結構優化改進。如前所述,主軸伺服電動機通過ZF減速箱連接到傳動軸,將動力傳遞給主軸頭,傳動軸主要是用來將動力源的動力傳遞給執行機構的,一般都是用鋼質材料制成,在中小型機床中能夠較好地運行。然而重型機床傳動軸的長度和直徑一般都比較大,且對扭矩傳遞能力、抗彎能力、旋轉精度以及所能承受的最高轉速均有較高要求。一般情況下,在傳動軸長度超過1m時,考慮到傳動軸因臨界轉速過低,可能在常用轉速區出現共振,常將其分成兩段,但兩段軸又會帶來結構複雜、質量增加、産生噪聲和振動並使滑枕內腔軸承孔增多而使得滑枕加工、裝配工藝性差等問題。主傳動系統設計要克服傳統設計中存在的問題,首當其沖的是將制約滑枕結構的傳動軸結構形式進行設計更改。
尋找高比強度、高比剛度、密度低、抗疲勞性能和減振性能好的材料來取代鋼材,一直是傳動軸類機械零件的發展趨勢。
目前, 碳纤维增强复合材料在传动轴中的使用日益广泛,它具有的各种优异性能也日益凸现。与传统的金属传动轴相比,具有轻质高效、低振动、低噪声、易维修及节约能源等特点。这给机床传动轴的设计提供了全新的契机,从而提出了碳纤维增强复合材料机床传动轴的设计思想。
碳纖維增強複合材料在傳動軸機械零件中具有廣泛的用途。如圖4所示即爲采用碳纖維複合材料傳動軸、使原來的傳動軸結構簡化後的滑枕主傳動設計。
主軸伺服電動機1與方滑枕镗銑頭主傳動ZF減速箱2組配,通過聯接軸3及碳纖維複合材料傳動軸5及其左、右兩端的聯軸器將ZF減速箱的動力傳遞給立臥镗銑頭主軸6。
改進後的滑枕主傳動結構與原傳動結構相比,極大地簡化了滑枕的內腔結構,由于碳纖維複合材料傳動軸可提高轉軸的振動固有頻率以及最低臨界轉速,降低系統能量損失,提高抗振性能,故使用碳纖維軸的優點主要體現在長的傳動軸系上。換言之,軸承之間的距離可設計的比較長,長軸系上通常不需要布置軸承,這樣就簡化了傳動結構,由原來滑枕內腔的4個軸承孔簡化爲左端的1個軸承孔,同時簡化了滑枕內腔的結構,並顯著減輕了傳動軸的質量。和原鋼質軸相比較,碳纖維軸的質量明顯減輕了約70%(包括複合管端部必要的金屬部件)。
2)碳纖維管傳動軸結構形式及扭矩校核。圖4中碳纖維管傳動軸5可以選用市場上成熟的商品化産品即碳纖維管傳動軸,其結構形式如圖5所示。中間管爲碳纖維複合材料制成,與兩端法蘭軸套件通過粘結工藝連接並在徑向用螺絲鎖緊,兩端加裝柔性連接裝置即特殊型鋼片式聯軸器。
滑枕是龙门加工中心的重要结构件,其结构设计优劣决定机床的工作稳定性和精度稳定性,尤其是其主要孔系的加工,是滑枕的主要加工部位, 加工难度大、加工精度要求较高,通过对滑枕主传动系统进行优化设计,采用新材料碳纤维复合材料管传动轴,去掉滑枕内腔的3个轴承孔,使原有深孔加工简化为一般孔系加工。使整个传动系统易于提高加工和安装精度,大大降低了加工难度和生产成本,提高了工艺性能。通过生产实践验证,加工效率与加工精度都完全满足生产需求,取得了良好的效益。
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