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龙门铣床结构设计案例

类别:案例展示   发布时间:2019-03-05 16:47   浏览:

  近年来,在航空航天,生物医药,电子通讯以及汽车工业等领域对微小零件的精密制造需求一直在增长。在微制造过程中,制造公差、零件特征以及零件尺寸能达到毫米甚至微米级,微制造技术正在成为一种主流技术。尽管采用传统的精密机床能已能够满足微小尺寸特征和零部件的制造,但是微型机床由于结构尺寸小,在热变形,材料消耗量,占用空间,能源消耗,振动幅值方面比传统机床要明显减少,所以桌面式机床技术在微机械电子系统(MEMS)领域仍然具有很大的。
 
  微机床利用了桌面工厂的微小尺寸一体化制造系统的概念。桌面工厂的制造模式是绿色制造的一种,是环保型的生产模式。日本是较早开始研究桌面工厂的国家,已经研发出了包括超小型车床、铣床、冲压机等组成的桌面工厂,重量为23kg。国内,清华大学,哈尔滨工业大学等高校也已经开展了微型工厂的研究。为了实现微小零部件的制造,本文结合桌面工厂的概念设计了桌面式龙门铣床。
 
龙门铣床
 
  2 桌面式龙门铣床设计方案
 
  通过研发桌面式铣床可以解决微小零部件的制造,零件的尺寸范围一般可达几百微米到几毫米,特征尺寸可达到亚微米到几百微米。桌面式铣床的工作空间应与工件的尺寸匹配,避免整个制造系统过于拥挤。
 
  本文所设计的桌面式龙门铣床的龙门框架尺寸为500mm×600mm×500mm,总质量为154kg。主轴采用立式装配,可实现微小零部件的高速精密微铣削加工。龙门框架的良好扩展性和结构特性了机床具有优良的加工范围及良好升级改造空间,桌面式龙门铣床整体结构如图1所示。
 
  龙门铣床由门式框架、床身工作台和电气控制系统构成。
 
  2.1 机床床身与基座
 
  桌面式铣床的床身与基座应具有较低的热膨胀系数,机床在运行过程中能承受温度变化,从而获得良好的动态和静态刚度,保持工件较高的几何重复性。机床底座使用天然大理石材料,横梁使用铸铁。机床整体采用龙门式结构,具有更好的抗振性以及扩展性。
 
  2.2 定位平台
 
  定位平台是主要的运动部件,为了实现微小零部件的精密加工,平台应具有高分辨率和重复定位精度。滚珠丝杠能达到97%的传动效率;重复定位精度一般都能到1?m;寿命长,滚出丝杠的螺母、丝杠和滚珠的硬度都很大,所以疲劳寿命和精度寿命都很长;滚珠丝杠还具有高速特性及运动可逆性等特性。X、Y、Z三个方向均选用精密滚珠丝杠滑台。
 
龙门铣床
 
  2.3 主轴系统
 
  微制造工艺中一般使用的刀具半径都较小,所以为了获得合适的切削速度,要求主轴具有很高转速。另外还要主轴的径跳动较小,避免在高速切削中出现严重的振动影响加工精度和机床寿命。本文选用的电主轴转速为60,000rpm,径向跳动误差优于1μm,输出功率350W。
 
  2.4 辅助系统
 
  2.4.1 在线监测系统
 
  在线监控对加工过程的优化和刀具的在线监测有着重要的意义。本文选用双CCD相机方法对整个加工过程实时在线监控,充分掌握整个加工过程中刀具以及工件的状态,实时了解加工过程中的问题,对研究加工工艺等奠定基础。
 
  2.4.2 隔振系统
 
  为了提高工件的加工质量,加工过程平稳精确,消除外部振动源带来的不利影响,机床需要配置隔振系统作为固定平台。我们选用精密隔振平台,适合微型高速加工设备,能够有效地隔离加工过程中的外界振动。
 
  3 机床结构分析与优化
 
  为了验证机床结构的可靠性,减少结构在切削力、重力以及电机转矩等的作用下的变形,我们通过有限元软件ANSYS分析机床的静态和动态特性,并对机床的结构进行优化。
 
  热变形
 
  原因:在内外热源的影响下,龙门铣床各部件将发生不同程度的热变形,使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破环,对于龙门铣床来说,因为全部加工过程是计算的指令控制的,热变形的影响就更为严重。
 
龙门铣床
 
  为了减少热变形,在龙门铣床结构中通常采用以下措施。
 
  1:控制温升在采取了一系列减少热源的措施后,热变形的情况将有所改善。但要完全消除龙门铣床的内外热源通常是十分困难的,甚至是不可能的。所以必须通过良好的散热和冷却来控制温升,以减少热源的影响。其中部较有效的方法是在龙门铣床的发热部位强制冷却,也可以在龙门铣床低温部分通过加热的方法,使龙门铣床各点的温度趋于一致,这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。
 
  2:减少发热龙门铣床内部发热时产生热变形的主要热源,应当尽可能地将热源从主机中分离出去。
 
  3:主轴箱的改进对于龙门铣床的主轴箱,应尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。这就可以使主轴热变形对加工直径的影响降低到最小限度。在结构上还应尽可能减小主轴中心与主轴向地面的距离,以减少热变形的总量,同时应使主轴箱的前后温升一致,避免主轴变形后出现倾斜。
 
  4:改善龙门铣床机构在同样发热条件下,龙门铣床机构对热变形也有很大影响。如龙门铣床过去采用的单立柱机构有可能被双柱机构所代替。由于左右对称,双立柱机构受热后的主轴线除产生垂直方向的平移外,其它方向的变形很小,而垂直方向的轴线移动可以方便地用一个坐标的修正量进行补偿。
 
  3.1 铣削力载荷计算
 
  3.2 静力结构分析
 
  由于横梁是机床的关键部位,横梁的刚度和负载能力将影响主轴的运行,同时还要考虑对横梁进行减重设计,这是机床桌面化的重要步骤之一,我们使用Workbench的优化模块对横梁进行了多目标参数优化。为了提高横梁的装配精度,采用精密铸造成型。横梁的建模使用Workbench的Design Modeler (DM) 完成。图2为横梁的横截面,在DM中将B、H、b、h、Ls设置为变量,在Static Structural中将质量、总位移量以及等效应力值设置为优化目标参数。根据经验和子部件的尺寸选定了初始值,在Design Exploration模块中给定变量的变化域,优化结算后的横梁减重54%,而在总变形值和等效应力值上分别增加0.04μm和0.02749MPa,优化效果明显。
 
龙门铣床
 
  完成横梁的优化设计后,对龙门床身的静态特性进 行分析,从图3位移量为0.39μm,冯米塞斯等效应力值为0.2544MPa。在静力分析中,机床表现出良好的静态结构特性。
 
  3.3 动力学结构分析
 
  根据加工单元的模态分析结果可知,桌面式铣床在39,000rpm~60,000rpm转速范围内可实现高速精密微加工。
 
  为了检验机床的动态特性,对桌面式铣床进行了谐响应分析。载荷力大小依据公式1中得到的切削力数值结果。根据模态分析结果及预估载荷频率(1000Hz),频率范围设置在 300-1100Hz,载荷步为100。图5为主轴前端横截面在三个方向上的变形情况。床身的频响峰值点出现在一阶模态554Hz处,位移不超过0.181μm。满足微小零部件的铣削加工要求。
 
  本文设计了一种满足三维精密微小零件加工的桌面式龙门铣床,并对机床结构进行了动力学特性分析。首先,在机床设计及优化过程中,通过分析微小零件加工需求、零件特征及工艺特点,结合桌面工厂的设计原则,提出了机床的主体结构及各单元设计,并在此过程中采取初步设计、结构分析及优化的步骤,以机床初始设计的合理性;其次,为提高机床加工精度等性能指标,应用有限元法分析了机床的静态和动态结构特性,并针对分析结果对机床设计参数及薄弱环节进行了优化;优化结果证明了该桌面式龙门高速铣床具有良好扩展性和结构性能。为高速微切削理论与实验研究提供了灵活可靠的研究平台。