一种电机轴螺杆加工专用的数控铣床机械结构系统优化设计

    摘要：【目的】针对螺杆加工专用铣床存在自动化程度低、功能集成度不高、生产工艺周期长、机床结构形式陈旧、机械结构稳定性差等不足。【方法】课题组以数控铣床系统结构稳定性设计的研究为出发点，根据机床设计目标和各项性能指标要求，研究与加工工艺相适应的功能机构布局，设计机床总体结构方案，重点研究上下料机构、旋铣系统、传动系统、床身的设计。【结果】设计出具有性能优良、功能完备的高端电机轴螺杆旋铣设备，实现电机轴螺杆的自动加工，降低企业劳动生产成

本，提高生产效率，增加企业经济效益。【结论】该数控铣床整机结构设计稳定紧凑，占地面积小，集成度高。

    关键词：数控铣床；机械结构；优化设计；螺杆加工

    0、 引言

    近年来，我国电机轴螺杆旋铣设备的各项性能有了明显提升，但与国外高端旋铣设备相比，仍处于低水平重复状态，具体表现如下：1）设备集成化程度低。现有机床功能结构无法满足最优的生产工艺策略，工件流转周期长，生产效率低，占地面积大。2）机床结构陈旧。现有电机轴螺杆旋风铣床多以平床身为主，较国外斜导轨型、阶梯型导轨机床切削刚性弱，且裸露的导轨表面易因大量的切屑冲击而发生磨损和热变形。3）旋风铣头稳定性不足。  

    国内旋风铣头动力布置多为后置型，带型为联组窄V 带，传动效率较低，易发生扭振，且动力后置使刀轴前后端轴承受力不均，后轴承磨损加剧，稳定性欠佳。铣头的刀轴较长，内孔多为直柱面，严重制约了螺杆螺旋升角的加工范围。为防屑防液，铣头多为密封形，工作时轴承摩擦温升易引发刀轴热变形。影响旋铣设备性能优劣的原因有许多，除材料性能、制造工艺、安装技术等影响因素外，机械结构的稳定性设计也是重要因素之一。为研制结构稳定、安全可靠的旋铣设备，研究人员从旋铣成型机理着手，探究了工艺路径、切削参数、刀具数量、刀具材料、工件属性等因素对切屑形貌、切屑分布、成型精度、装备加工效能的影响，构建了时变切削力模型、时变热源模型，优化了刀具数量和布局方式，为旋铣系统动力学分析、装备结构设计和优化、装备性能提升提供了重要的技术支持 。  

    旋铣系统的热特性和动静态性能是旋铣系统稳定性研究的重点。Son等从螺杆旋风铣关键执行部件热特性、动静态特性等多方面对旋铣头的稳定性进行了评估 。研究结果表明：铣头轴承的摩擦温升是旋铣部件热变形和振动的主要影响因素，是旋风铣床设计制造的重要研究内容之一。此外，研究人员还分别针对螺杆旋风铣床和叶轮旋风铣床的床身和铣头进行了动力学性能分析，并完成了模态试验，为数控旋铣设备的设计提供了指导。谭立新研究了多轴旋铣装置不同转速下工件的变形与振动误差，提出了控制转速修调振动误差值的方法。张春建等对大型螺纹旋风铣床主传动系统和铣削工件系统进行了动力学仿真分析，提出以多点支撑和硅油减震器抑制旋铣系统振动。尹辉俊等针对旋风铣床加工大型锚具外螺纹时的振动进行了测试分析，采取增厚铣头基座的方法降低振动。虽然研究人员在旋铣机理和系统结构稳定性设计方面进行了深入研究，但上述研究对象主要集中在丝杠、螺纹、螺杆、大模数螺杆、叶轮等方面，针对电机轴螺杆旋铣装备的结构优化设计鲜有报道。因此，需在已有研究基础上制定电机轴螺杆的全自动加工工艺方案，合理规划机床结构布局，开展电机轴螺杆零件的铣削机理研究，明确刀具数量和布局方式，并在此基础上利用先进的设计方法合理构建与加工工艺方案相匹配的系统结构，优化并完善。  

    综上所述，本文以数控铣床系统结构稳定性设计的研究为出发点，根据机床设计目标和各项性能指标要求，研究与加工工艺相适应的功能机构布局，设计机床总体结构方案，重点研究上下料机构、旋铣系统、传动系统、床身的设计。综合提高工艺系统刚度，实现对螺杆加工系统的减振、抑振，保证零件的加工精度。  

    1、设计方法

    1.1 上下料机构的优化设计分析  

    根据送料机构末端毛坯的形状、重量和位置，综合考虑机床主轴与工件液压筒夹的尺寸参数，明确送料机构安装位置及行程范围。设计与毛坯外形相适应的夹紧机构，计算所需夹紧力大小并匹配相关力源机构。针对送料机构的功能目标（夹持毛坯并直线送入工件夹持机构）、传动效率和执行速度，合理选择运动副类型，明确构件参数。根据负载大小，计算并确定送料机构的原动机性能指标参数。分析成型零件的形状、重量、工位情况以及旋风铣头的布局和行程范围等影响因素，研究并确定回料机构的功能（收料、物料夹持、落料）。拟采用叠加式机构设计法，解析各功能机构，明确运动副类型、数量和性能参数，完成构件尺寸和结构设计，以满足功能需求。针对机构执行速度、额定负载、转动惯量等技术参数，确定动力类型，计算并选择合适的原动机规格。以多体动力学为基础，仿真分析回料机构的执行速度、受力状态以及运动干涉等情况，优化设计方案。  

    1.2 旋风铣床传动系统的动态设计分析  

    为满足集成型旋风铣床的工艺流程，实现紧凑型一体化制造单元的构建，综合考虑机床调速范围、传动效率、传动精度、传动稳定性、服役寿命等功能需求，拟针对传动系统进行动态设计。依据集成型旋铣机床的执行功能和技术要求，提出各传动系统的设计目标，优化选取各传动系统的配置方式。1）工件主轴传动系统设计。由旋铣加工负载特性、转速变化范围、传动装置效率等条件，计算工件主轴电机的输出功率并选型。在满足零件加工范围、不削弱刚度的条件下，根据电机输出功率和主轴设计原则，初步确定主轴的悬伸量、支承跨距大小以及孔径尺寸。研究系统所受载荷分布特征，合理选择轴承类型并进行轴承寿命校核。根据传动配置方式，传动比值要求，查阅相关设计手册，确定各类工况系数，综合考虑安装空间限制，合理设计传动部件尺寸并完成校核。利用ANSYS有限元分析软件，对主轴传动系统进行静态、动态特性分析，主要研究主轴的强度、刚度、振型和主轴结构参数之间的规律变化，优化主轴传动系统的设计方案。2）轴向和径向传动系统设计。根据旋风铣床加工精度、加工行程、进给速度、负载大小等技术要求，确定滚珠丝杠副的工作参数，初步计算确定丝杠导程、精度、额定动载荷，估算最大允许轴向变形量、螺纹底径，确定滚珠丝杠副规格代号，并进行各项性能校核。计算分析丝杠总转动惯量、丝杠总负载转矩、空载加减速转矩等，合理选择电机型号并校核。根据系统的最大负载力和丝杠预拉伸轴向力总和的大小来确定轴承副的最大轴向载荷，基于该值进一步计算轴承副的预紧力大小、轴承副的额定动载荷、轴承的当量载荷等基本信息，确定轴承型号并校核。根据滚动导轨的选用准则以及导轨副的实际工作情况，确定轨宽、轨长、滑块类型、精度等级、组合高度类型、预压等级等。分别对轴向和径向传动系统进行动态分析，优化传动系统的设计。  

    1.3 基于灵敏度分析的床身优化设计  

    床身是旋风铣床最重要的支撑元件，其结构的合理性和性能好坏将直接影响机床的加工精度和装备的制造成本。从布局形式、载荷分布、刚性、整体稳定性等方面对现有旋风铣床的床身结构进行分析，项目拟采用减振抑振效果较好的局部瓦楞型筋板及肋骨强化的高刚性阶梯型床身结构。基于其实际工况进行静态、动态特性分析，综合考虑各阶模态重要程度，初定设计变量的尺寸变化范围，采用 Box￾Behnken 试验法和灵敏度分析确定各设计变量对输出参数（质量、位移、固有频率）的影响程度，选出灵敏度较高的设计参数，建立响应曲面模型。以质量最小、位移最小、固有频率最高为目标函数，采用筛选法进行多目标参数优化，获得最优结构参数。机床床身结构优化分析图如图1示。 

 

图1　床身结构优化分析图

    2、结语   

    课题组提出了螺杆专用的数控铣床机械结构系统优化设计理论及其配套系统结构的设计是实现集成型旋铣机床全自动加工的决定因素，其设计的合理性将直接影响旋铣装备的加工性能、生产效率和加工精度，是解决现有电机轴螺杆旋铣设 备生产工艺周期长、加工稳定性差、集成度低等问题的关键。课题组开发了一种新的连续送料自动加工工艺，设计并优化了与工艺策略高度匹配的关键功能结构。设计实现电机轴螺杆的全自动化加工，有望缩短工艺生产周期，提升生产效率，且整机结构设计稳定紧凑、占地面积小、集成度高。 

     来源：

    作者：陈聪1 ，王贻诚3 ，郑雪飞1 ，邵思程2 ，陈建新1 ，王胜2 ，朱勤1

   （1. 浙江赫科智能装备有限公司2. 衢州职业技术学院 3. 衢州赋腾科技有限公司）