引言

動(dòng)柱式型材加工中心是一種工作臺(tái)固定，XYZ 三個(gè)直線伺服驅(qū)動(dòng)軸疊軸移動(dòng)、移動(dòng)速度較快的長(zhǎng)條狀加工中心，國(guó)內(nèi)動(dòng)柱式型材加工中心大多仿制臺(tái)灣或歐美的機(jī)型，采用焊接床身或仿焊接床身的鑄件，這種設(shè)計(jì)適用于用于鋁合金門(mén)窗、建筑玻璃幕墻等等對(duì)精度和剛度要求不高的輕切削場(chǎng)合。隨著注塑機(jī)械手的手臂、滑臺(tái)模組的底座、激光機(jī)的橫梁等等有精度或剛度要求的長(zhǎng)條工件加工需求增加，越來(lái)越多的用戶希望用動(dòng)柱式型材加工中心加工方案替代高成本的龍門(mén)加工中心加工[1-2]。對(duì)于有直線導(dǎo)軌安裝基準(zhǔn)需要加工、大平面需要銑削的大塊鋁件或是鋼件，怎樣的動(dòng)柱式型材加工中心才能滿足到加工要求，是困擾用戶的問(wèn)題。要真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)柱式型材加工中心替代龍門(mén)加工中心、并滿足剛度、精度和精度壽命等方面的要求，在國(guó)內(nèi)鋼材供貨條件下，不能簡(jiǎn)單模仿國(guó)外焊接機(jī)型，需要利用國(guó)內(nèi)鑄件供應(yīng)優(yōu)勢(shì)，自主研發(fā)設(shè)計(jì)。

本文自主設(shè)計(jì)的一款動(dòng)柱式型材加工中心，適用于厚鋁件或是鋼件銑面、鉆孔和攻牙，可滿足直線導(dǎo)軌安裝面、大基準(zhǔn)平面的精密加工要求。本文設(shè)計(jì)定位為中切高效的精密型材加工中心，為此設(shè)計(jì)時(shí)避開(kāi)了市面上供應(yīng)的國(guó)產(chǎn)鋼材普遍雜質(zhì)含量高、焊接及熱處理后床身殘余應(yīng)力釋放時(shí)變形大的問(wèn)題，利用國(guó)內(nèi)技術(shù)日漸成熟的鑄造技術(shù)，采用優(yōu)質(zhì)鑄鐵床身底座、鞍座、立柱和主軸座，利用鑄件容易復(fù)雜成型的特點(diǎn)，利用有限元分析方法優(yōu)化設(shè)計(jì)了床身、鞍座等主要支撐件的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠、齒輪齒條、主軸和主軸電機(jī)等等的選型和安裝工藝改善，提高了機(jī)床剛性、精度和精度壽命。

1“中切”的概念提出

為方便客戶購(gòu)買機(jī)床時(shí)選型，本文將銑削類機(jī)床劃分為輕切削機(jī)床、中切削（簡(jiǎn)稱“中切”） 機(jī)床和重切削銑床三大類。三類機(jī)床特征對(duì)比如表1 （備注：主軸輸出最大扭矩依據(jù)伺服日本FANUC 主軸電機(jī)15 分鐘連續(xù)切削允許的最大扭矩計(jì)算）。

2   動(dòng)柱式型材加工中心的主要支撐結(jié)構(gòu)

動(dòng)柱式型材加工中心主要支撐機(jī)構(gòu)包括床身底座、床身底座上通過(guò)X 軸導(dǎo)軌支撐的鞍座、鞍座上通過(guò)Y 軸導(dǎo)軌支撐的立柱、立柱上通過(guò)Z 軸導(dǎo)軌支撐的主軸座等部分組成。如圖1 所示。

圖1     動(dòng)柱式型材加工中心結(jié)構(gòu)

2   床身底座的設(shè)計(jì)改進(jìn)

傳統(tǒng)動(dòng)柱式型材加工中心采用焊接床身底座，如圖2所示，焊接床身X 軸導(dǎo)軌安裝面由板型懸升梁支撐，由于國(guó)產(chǎn)鋼材雜質(zhì)含量較多且不均勻，床身底座殘余應(yīng)力釋放時(shí)，易引起不確定的變形，從而導(dǎo)致安裝在其上面的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副一組多個(gè)滑塊安裝應(yīng)力增加，降低壽命。

 圖2     傳統(tǒng)動(dòng)柱型材機(jī)的焊接床身底座

大部分鑄件床身簡(jiǎn)單參考焊接結(jié)構(gòu)床身的結(jié)構(gòu)制造， 也存在上述問(wèn)題。

本文自主設(shè)計(jì)的一款鑄件床身底座，除了通過(guò)二次加工時(shí)效降低殘余應(yīng)力，還將床身底座橫截面設(shè)計(jì)成了橋拱型的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，床身面設(shè)計(jì)為均勻?qū)ΨQ傾斜的封閉面（已經(jīng)獲得專利授權(quán)、專利號(hào)ZL2015  2  0956186.8），如圖3。

圖3     自主研發(fā)設(shè)計(jì)的全鑄件床身底座

這樣，床身應(yīng)力釋放時(shí)，床身長(zhǎng)度方向彎曲、扭曲變形很小，直線導(dǎo)軌貼近床身底座面安裝，大幅度降低了床身底座殘余應(yīng)力釋放對(duì)直線導(dǎo)軌安裝精度的影響。

2   鞍座有限元分析和優(yōu)化

采用ANSYS 軟件，對(duì)鞍座等進(jìn)行有限元分析[3-7]，材料特性為HT300 鑄鐵，鞍座受力為底面，X 軸滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的滑塊作為簡(jiǎn)支梁支撐，立柱、主軸座及刀庫(kù)的重量在 Y 軸方向變動(dòng)時(shí)，鞍座的變形對(duì)機(jī)床精度影響較大。

因此，固定X 軸滑塊安裝面，在Y 軸滑塊處施力合計(jì)為1 350 kg，當(dāng)Y 軸滑塊分別在鞍座前端、中間和后端移動(dòng)時(shí)，在ANSYS 軟件中求解計(jì)算鞍座的變形量，以及Y 軸滑塊在不同位置的變形差值。圖4 為傳統(tǒng)薄型鞍座有限元分析圖，鞍座按較厚的200   mm分析。

圖4     立柱在薄型鞍座尾部時(shí)，鞍座局部最大位移26 μm

通過(guò)分析，確定尾部是危險(xiǎn)處，經(jīng)過(guò)計(jì)算，薄型鞍座受力變形超過(guò)26 μm 。

本文對(duì)鞍座進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

（1）       尾部變大變形原因分析。一是自身剛性大小影響

變形的大小。二是立柱運(yùn)行到懸臂的尾部時(shí)容易形成翻轉(zhuǎn)力矩。

（1）       改善方案一，加強(qiáng)尾部支撐剛性。將圖4 所分析的傳統(tǒng)薄型鞍座尾部加厚。圖5 為本文2016 款尾部加厚鞍座有限元分析圖。

圖5     立柱在鞍座尾部，鞍座局部最大位移10.9 μm

采用尾部加厚鞍座后，受力時(shí)最大變形量已經(jīng)降低了60%。在立柱沿著鞍座前后移動(dòng)時(shí)的不同位置受力變形量的差值也減小了58%。

圖6     改善方案二示意圖

改善方案二， 支承后移，降低尾部翻轉(zhuǎn)力矩的影響。改變支承位置， 如圖 6 所示。在結(jié)構(gòu)不變的情況下， 減少變形的效果顯著。

結(jié)合2018 款鞍座方案一和方案二改進(jìn)結(jié)果， 尾部的變形降低到只有0.008      mm，在立柱沿著鞍座前后移動(dòng)時(shí)的不同位置受力變形量差值進(jìn)一步減小到0.003 mm，降幅達(dá)到75%。有限元分析如圖7。

圖7    2018 款鞍座有限元分析

4  主軸與主軸電機(jī)的設(shè)計(jì)選型

（1）       主軸與主軸電機(jī)連接方式確定。由于本文設(shè)計(jì)為中切削機(jī)床，主軸轉(zhuǎn)速都在12 000 r/min 以下，因此主軸與主軸電機(jī)設(shè)計(jì)采用皮帶式連接方式。皮帶式連接的優(yōu)點(diǎn)：①相比直連式，主軸可以借助皮帶減速可以實(shí)現(xiàn)主軸 電機(jī)1.5 倍的扭矩；②連接可靠；③主軸電機(jī)自重施加到支撐點(diǎn)的懸臂彎矩更小、Z 軸移動(dòng)響應(yīng)更優(yōu)。

（2）       主軸輸出扭矩的確定。

根據(jù) PC= （ap×ae×vf×kc） / （60 000 000× り）， MC=PC× 30 000/ （∏×n），式中：PC是切削功率，ap是切削深度，ae 是切削寬度，vf 是每分鐘進(jìn)給速度，kc 是切削力系數(shù)， η 是效率系數(shù)， MC 是切削扭矩， n 是刀具轉(zhuǎn)速。以配置FANUC 數(shù)控系統(tǒng)的型材加工中心為例，可參考表2 確定中切機(jī)床的主軸電機(jī)功率和主軸直徑、輸出扭矩/轉(zhuǎn)速（按最大輸出扭矩）。

5   直線導(dǎo)軌副的選型[8-9]

傳統(tǒng)中切型材加工中心選擇的是35 規(guī)格的滾珠式直線導(dǎo)軌副，本文選擇35     規(guī)格的滾柱式直線導(dǎo)軌副。

以采用德國(guó)力士樂(lè)35 標(biāo)準(zhǔn)滑塊直線導(dǎo)軌副為例，依據(jù)直線導(dǎo)軌副的額定壽命L （m） =(C/F)10/3×105 （其中，C= 導(dǎo)軌副額定動(dòng)載荷，F(xiàn)=導(dǎo)軌副所受當(dāng)量載荷，壽命和剛度對(duì)比如下：

（1）       滾珠式直線導(dǎo)軌副C （滾珠） =41900N， 滾柱式直線導(dǎo)軌副 C （滾柱） =56300N， 因此， L( 滾柱)/L （滾珠） = （56300/41900） 10/3≈2.5(倍) （備注，各品牌直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)不同，額定動(dòng)載荷有差別）

（2）       假設(shè)F=10 000 N 的受力，根據(jù)德國(guó)力士樂(lè)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，35 標(biāo)準(zhǔn)滑塊直線導(dǎo)軌副在0.08C 預(yù)緊力下的剛度曲線圖，35 標(biāo)準(zhǔn)滾珠直線導(dǎo)軌副的撓度≈0.018～0.20 mm，

35 標(biāo)準(zhǔn)滾柱滾柱滑塊的撓度≈0.004～0.006 mm，滾柱式剛性是滾珠式的3 倍以上。

圖8      XVB600-8500CNC動(dòng)柱式型材加工中心

6  各軸驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)

型材加工中心的Y、Z 軸一般采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，傳統(tǒng)的型材加工中心X 軸一般采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)方式。本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)方式在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式基礎(chǔ)上，通過(guò)提高驅(qū)動(dòng)元件的精度，來(lái)提升機(jī)床的精度壽命。表3 列舉了改進(jìn)前后的性能或參數(shù)對(duì)比。

7  其他保障機(jī)床精度壽命的措施

本文全部采用全自動(dòng)的稀油潤(rùn)滑，保障機(jī)床導(dǎo)軌絲杠的潤(rùn)滑狀態(tài)良好、導(dǎo)軌安裝面采用刮研配合工藝，提高直線導(dǎo)軌副的接觸剛度、降低直線導(dǎo)軌副組合的裝配應(yīng)力。圖 8 為銀特銀數(shù)控機(jī)床有限公司產(chǎn)品， 2018 款

XVB600-8500CNC，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。

8  結(jié)論

本文對(duì)加工中心改進(jìn)后，床身、鞍座、支撐導(dǎo)軌的剛度都得到了提高、主軸最高扭矩可增加50%，驅(qū)動(dòng)精度得到提升、直線導(dǎo)軌理論壽命得到提升，這些措施都有助于提高機(jī)床的精度壽命。