隨著國民經濟飛速發展,制造業向著高、精、尖方向發展,特別是汽車、船舶、紡織、電子技術、航空航天的迅猛發展,對機床的精度和生產率要求也越來越高,急需一大批加工精度為“µ”級、主軸轉速12,000r/min以上、快移速度大于40m/min的高效高精機床。為了適應國內市場的需要,滿足用戶對高速、高精及強力切削的需求,北京機床研究所研制了新一代精密立式加工中心µ1000系列。

    全新結構和高性能的立式加工中心µ1000系列基型產品是在分析國內外立式加工中心主流產品規格參數,結合中國市場需求,同時按照高速、高精、高品質、高穩定性的技術發展方向和高性能價格比的目標進行開發的。

設計原則

新一代立式加工中心的設計原則如下:

在速度和精度方面達到國際同類型同規格產品的先進水平,同時兼顧強力切削,滿足用戶一機多用的目的;

高剛性結構設計,保證機床設計壽命長;

產品模塊化設計,降低設計成本,形成不同配置的系列產品;

高精度設計,滿足µ級加工精度的需要;

高效率設計,滿足現代高生產率的要求;

注重環保。

主要技術參數確定

    根據市場調研確定作為標準配置。µ1000系列的工作臺面尺寸為500mm×1200mm;坐標行程X、Y、Z分別為1000mm、560mm、550mm;主軸功率18.5/22KW,主軸轉速15,000r/min,BT40刀柄;換刀時間(刀到刀)1.5s,最大刀具重量7kg,刀庫容量24把;快速移動速度X、Y、Z分別為48m/min、48m/min、36m/min;全閉環情況下定位精度≤0.008mm,重復定位精度≤0.004mm(執行GB/T8771.4標準)。

    作為系列產品和選用配置,五軸聯動控制時配兩軸數控轉臺,工作臺面尺寸為Ø500mm,坐標行程X、Y、Z分別為500mm、500mm、415mm(五軸時);主軸轉速12,000r/min、20,000 r/min任選,刀柄可選擇HSKA63。

設計過程

    機床設計從常用的功能設計進一步發展為機床結構的剛度設計、精度設計、高速化設計、誤差補償技術、壽命設計和可靠性設計等現代先進機床設計技術。為了實現精密機床設計要求,在機床設計中對各方面進行了綜合考慮。

    為保證機床結構設計的合理性,對基礎件、傳動系統、主軸及整機都進行了有限元分析,找出設計的薄弱環節加以改進,對機床整體性能優化和高剛性設計起到很好的指導作用。

    在設計開發過程的初期,初步設計了外形尺寸和工作區范圍相同而結構不同的四套方案,即:定梁頂置滑枕式、定立柱十字工作臺式、橫梁滑座式和定立柱三坐標單元式四種結構。通過有限元剛度分析和加工誤差分析,得出方案1(即定梁頂置滑枕式)的剛度是最大的,且誤差分配也比較合理,所以在實際設計中選擇了方案1。

    按方案1的結構進行了機床整機和部件的設計,并且根據設計圖對機床整機和部件進行了有限元分析和結構參數改進,避免薄弱環節的出現。結論如下:與同類的立式加工中心相比,這臺機床在各個方向的剛度都具有較大的優勢,綜合當量剛度約提高40%至兩倍以上,并且三個方向的剛度值較均勻(見表1)。

表1 與類似規格加工中心的剛度計算值比較

機床名稱 X向剛度

Kx(N/µm) Y向剛度

Ky(N/µm) Z向剛度

Kz(N/µm) 三向綜合當量剛度

K(N/µm)

其它類似加工中心 A 46.6 46.8 53.7 48.7

B 32.3 50.0 95.9 45.2

C 20.4 37.2 59.1 29.7

D 32.3 65.1 118.2 48.7

E 31.2 34.2 39.7 34.5

µ1000 59.7 64.9 92.9 68.7

    由計算結果可知,機床整機的整體性能優良,機床靜態剛度顯著提高,可以滿足高速、高精、高效的要求。

    這種布局結構的優點是:床身、立柱分體,且主要構件均呈箱形結構,加工中不易變形,加工工藝性好;結合面較大,基礎穩固,主軸懸伸小,整體結構剛度高;左右完全對稱式設計,主軸X向熱平衡較好;Y向懸伸小,熱變形影響小;X、Y、Z軸移動部件輕,加速性好;構件結構穩固易于保證導軌運動精度,精度穩定性好。

    為保證機床的精度穩定,床身、立柱、滑座、主軸箱等都采用有限元分析,應用高阻尼性能的優質鑄鐵制造;合理的截面設計和筋格布置,盡量避免行程中出現不合理的懸臂狀態;導軌采用高剛性滾柱導軌,安裝基面精密刮研。

    µ1000系列機床打破通常機床結構形式,床身采用三點支撐,高剛性設計,使機床調整簡單,不依賴于地基,機床可不需特殊地基而直接安裝在水泥地坪上。床身用基于無彎矩的力流原理的特殊筋板設計,保證其上構件在運動過程中,負載重心和切削點始終不離開三點支撐的范圍<
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