立式加工

2024-07-18

立式加工（精选8篇）

立式加工篇1

近年来, 汽车安装铝合金轮毂逐年增量, 新车销售时, 铝合金轮毂几乎已成为顾客选用的标准配置。本文主要针对铝合金轮毂从金属成形到加工完成的整个生产过程及立式车床在铝轮毂加工上的技术及应用, 做一简要介绍。

由于环保要求, 汽车轻量化已为世界趋势。铝轮毂较钢轮毂重量大为减轻, 除对汽车燃料和废气排放量的减少外, 铝轮毂较轻的重量可以减少汽车行驶时出现的作用力, 并提升汽车的动态性能, 获得较佳的舒适性和安全性。而铝轮毂具有质量轻、散热快、精度高及外表亮丽等优点, 在价格日趋下降的情况下, 铝轮毂将逐渐取代目前的钢轮毂成为汽车车轮发展的一大趋势。除汽车外, 从卡车、乘用车、两轮车及飞机应用等, 铝轮毂大小从12"～24.5"种类繁多。面对庞大的铝轮毂市场, 国内多数加工行业早期即已投入铝轮毂生产加工, 除提供国内汽车业需求外, 因质量及价格优势, 亦持续维持大量外销订单, 为国内主要的出口汽车零部件之一。而随着国内外竞争的激烈, 不仅加工行业考虑如何维持竞争力, 机床制造业亦配合开发符合铝轮毂加工生产的重点装备。如何提升生产效率, 降低研制周期, 不仅是铝轮毂生产厂努力的目标, 亦是机床制造厂开发方向。

铝轮毂生产过程

铝轮毂生产制造从成形到成品一般都在铝轮毂制造厂内完成, 生产流程主要为铸造、加工、涂装及检测。铝轮毂制造由铸造或锻造成轮毂毛坯开始, 然后进行车床加工, 切削出需要的外形尺寸。由于需车削铝轮毂两面, 车削工序分为第一、第二工步, 接下来进行螺栓孔及打气孔的钻孔工序。至于细致的倒角工序则由人工或者倒角设备完成, 所以铝轮毂的金属切削加工主要是车床加工及钻铣床加工。图1为加工完成后的铝轮毂。近年来, 汽车铝轮毂有追求时髦亮丽的高质量外形趋势, 针对此种铝轮毂则需要添加一道工序, 即在轮毂端面施以镜面车削。通常, 镜面车削是在轮毂完成全部加工及喷漆后进行, 使用金钢石刀具车削铝轮毂端面, 加工完成后涂上清漆, 防护加工表面。

1.轮毂成形

汽车铝轮毂生产首先是加工成为具有轮毂外形的毛坯, 成形方法主要是铸造及锻造两种, 欧美及日本等国则已开发出半凝固成形技术 (Thixoforming) 。半凝固成形是利用材料在固-液态的黏稠状态下成形的一种技术, 兼有铸造 (使用熔液为材料) 及锻造 (使用固态为材料) 两种制式特性, 因此, 性能亦介于两者之间。事实上, 铸造、锻造及半凝固成形三种成形技术, 在特性上是可以区分的。使用铸造技术的设计, 对于轮毂几何形状几乎是不受限制的, 因此铸造出来的铝轮毂可具有复杂外形, 亦具有不同的变化和弹性, 然而铸造的铝轮毂与锻造相比, 其重量高约15%, 材料成本及切削成本也相对较高;半凝固成形技术的轮毂, 由于成形材料的特性, 较锻件成形精密, 比锻件更能接近成品尺寸, 但在承载性能上虽优于铸件, 但却未能完全达到锻件的承载性能。目前国内主要为一般重力铸造及低压铸造, 也有使用挤压铸造或锻造。由低压铸造的铝轮毂一般比重力铸造更能接近成品尺寸, 内、外加工余量约为2.5m m。然而, 重力铸造铝轮毂加工余量达5m m以上, 国内考虑加工设备成本, 仍以重力铸造为主要生产设备。

2.车削加工过程

一直以来, 铝轮毂每条生产线是由两台C N C卧式车床组成, 每台车床均有一机器人为其上、下料, 由输送带在两台车床间传送工件。生产线第一台车床的主要工序如图2所示, 包括:加工轮毂外缘、加工中心孔、安装面及轮胎座, 加工完后由机器人卸下半成品轮毂, 换上新的轮毂毛坯, 重复同样的过程, 而半成品轮毂将由输送带送至第二台车床, 同样由机器人装卸轮毂, 第二台车床精车轮胎座和前轮缘半径, 并加工盖的装配处如图3所示。根据工艺规划及加工节拍的安排, 将2～3条生产线经车削完成的铝轮毂, 送至钻孔中心进行孔加工。国内由于自动化设备成本的高昂, 由人工取代了机器人, 生产状况是把铸坯先整批送到第一台车床加工, 之后再整批送到第二台车床加工, 这样可以简化运送程序。轮毂规格的变化主要是以外径尺寸区分, 换规格时须进行夹具的更换, 因此换线时整体一次处理, 可有效缩短整批的完成时间。这种安排在订单变化大, 每次数量不多但交货前置期短的要求下十分有效, 而且人员的训练也比较简单, 针对某种机台的操作经验可以迅速累积, 专业技能易于培养。

3.轮毂钻孔

在整个铝轮毂加工过程中, 钻孔为车削加工后重要一环, 铝轮毂钻孔一般使用立式加工中心配置N C回转工作台夹具, 在铝轮毂上加工紧固孔及倾斜的气门孔 (见图4) , 某些形式的轮毂还要钻灌孔 (Spurlocher) 。因此, 钻孔机床一般要求具备快速钻孔功能, 对于加工含五个紧固孔的15"轮毂而言, 在无自动上、下工件情况下, 加工循环时间约为65s, 其中上、下工件循环时间约为20s。近来, 机床制造商也开发专为铝轮毂钻孔用的卧式钻孔机, 降低铝轮毂上、下料时间, 使钻孔循环时间更短。

铝轮毂加工生产应用技术

铝轮毂加工首先考虑的是产量、精度和自动化, 面对国际及国内厂商激烈竞争, 在现有成本下, 如何提升产量创造最大利润是铝轮毂制造商最关心的问题, 而产量提升取决于生产的合理化及安排。铝轮毂加工主要是由车削及钻铣加工来完成, 如何缩短每个铝轮毂生产的加工周期, 提升单位时间产量及机器使用率, 为业界不断追求努力的目标。

在铝轮毂加工生产流程中, 车削过程为关键之一, 生产线的设置将因铝轮毂车削的加工节拍而有所改变, 因此, 制造商不断降低车削加工时间发挥最大产能。随着铝轮毂制造商不断提出的要求, 机床制造厂也不断提升着车削中心性能, 包括提升生产线自动化程度, 使用工业机器人上下料, 缩短工件安装时间, 提高进给速度, 缩短非切削时间, 针对铝轮毂加工要求条件从过去使用两轴卧式车床, 进而使用四轴卧式车床。四轴卧式车床因具备上、下刀塔, 两刀塔可同时对铝轮毂进行车削, 重叠加工工序, 缩短生产节拍。上述改善大幅缩短了铝轮毂加工周期, 为应付现今市场多变的需求, 铝轮毂加工目前按照两轴卧式车床→四轴卧式车床→四轴立式车床的趋势演变, 车削加工机床扮演着越来越重要的角色。

1.立式车床应用于铝轮毂加工

面对越来越严苛的要求, 包括工厂用地取得不易、人力成本提高及铝轮毂产量需求的迅速提升等, 轮毂制造商对铝轮毂车削中心机床的精度、自动化程度、生产效率、性价比、切屑处理能力等方面有了更高的要求。随着铝轮毂尺寸有越来越大的趋势, 大形铝轮毂重量高达20 30kg, 如以卧式车床加工对于操作者来说成为一大负担, 立式车床对操作者则更符合人体力学, 见图5。中国及东南亚等, 人力成本较欧美低廉, 仍以人力来取代机器人自动化上下料生产。对生产安排弹性高, 相对卧式车床而言, 立式车床铝轮毂加工的应用已逐渐被接受。

针对铝轮毂加工需求:高生产性、高适应性, 机床制造业开发了适合铝轮毂加工的对应机床——四轴立式车床 (见图6) 。机床本身设有双刀塔及双位置工件交换装置, 可在机床前装卸工件, 同时在后面设有安全护罩的加工区对工件进行加工, 适用于中、大批量生产。加工同时可对工件进行装卸程序, 因此, 可在同一部机床上设置一、二工序加工, 图7为使用立车车床对一、二工序分别加工。第一加工工序为车斜边、精镗中孔及精加工斜边、粗车轮毂底部、精车轮毂底部;第二加工工序为粗、精车轮毂底部, 大幅缩短非切削时间, 工件进行两次装夹即实现全部加工。车削加工程序:第一工序加工→夹头自动更换→第二工序加工→夹头自动更换, 因配置自动夹头交换系统, 使车削中心同时具有一、二工序夹具。在轮毂车削同时, 可上、下毛坯及车削半成品铝轮毂, 完全不占用车削循环时间, 利用伺服驱动的自动夹头交换系统, 速度快、可靠性高, 刀对刀铝轮毂交换可在15s以内甚至更短时间完成, 单位时间产量提升至最高。

由于四轴立式车床加工铝轮毂的高效率, 两台四轴立车搭配一台钻孔中心机床, 大大缩小了一般卧式车床生产线所占据的大片生产面积。生产线也可根据不同铝轮毂流程适当进行调整, 也可安排由立车生产第一加工工序, 再送至另一立车生产第二加工工序, 也可搭配卧式车床, 做生产线的调配。

针对铝轮毂加工市场需求, 国内机床制造业开发适合铝轮毂加工使用的四轴立式C N C车削中心见图8所示, 其功能、特性为:

(1) 加工能力高, 可加工14″～24.5″铝轮毂。

(2) 高精度、高刚性, 床身采用箱型蜂巢式设计及热对称结构设计。

(3) 主轴高功率, 转速2500r/m i n, 主轴电动机输出功率37～45kW。

(4) 双刀塔配置, 左右各六V D I (德式快换刀架即车削中心用动力刀座) 刀具。

(5) 自动夹头交换系统 (A C C) , 伺服电动机驱动, 速度快、稳定性佳。

(6) 切屑处理能力强, 大容量切削水箱500L, 采用双层过滤装置。

针对铝轮毂有越来愈大的趋势, 该机床可加工达24.5″铝轮毂, 加工范围广, 可适应各种形式的铝轮毂加工, 更换夹具快, 生产安排弹性大, 因具有左右刀塔 (见图9) 且互不干涉, 可同时切削, 降低切削时间, 自动夹头交换系统为标准配制, 采用伺服控制, 工件交换不需手动, 对大量铝合金加工产生的铝屑, 采用大容量切削水箱及双层过滤装置, 增加滚筒滤网过滤, 达到切削水循环目的。

2.铝轮毂夹头系统

四轴立式C N C车削中心关键技术为夹头系统及自动夹头交换系统 (ACC) 。

铝轮毂夹紧装置在铝轮毂车削生产中具有决定性作用, 不同尺寸轮毂能够精确定位并紧固夹紧。一般轮毂夹头具有三个径向经过热处理硬化及研磨的定位组件, 如图10所示。第二加工工序夹头还包含一弹性筒状定位器如图11所示, 可对轮毂进行中心定位。当定位后, 各夹爪以靠紧或旋转方式紧固铝轮毂轮缘, 而夹爪一般约以32kg/cm2夹紧力在加工中紧固轮毂。此外, 根据生产需求, 铝轮毂加工常需更换不同类形及不同尺寸轮毂, 因此, 快速更换不同类形及尺寸的轮毂夹紧装置, 把机床停机所需更换夹具的非切削时间减至最低。

配合四轴立式车床应用于铝轮毂加工及搭配夹头自动交换系统, 国内机床制造商开发模块化专用夹头系统, 立式车床主轴与夹头设计为快速夹紧及分离机构, 使用程控无须手动更换, 相较卧式车床夹具更换, 大幅缩短了安装时间。针对不同铝轮毂尺寸, 铝轮毂夹紧装置已开发了三种规格, 可加工尺寸为13″～18″、18″～20″及20″～24″的铝轮毂, 涵盖市场上现有铝轮毂尺寸, 并且其对单一机床结合是完全兼容的。对相同直径不同类形的铝轮毂加工, 只需进行部分调整, 即便对直径不同的铝轮毂, 在单一夹头规格内尺寸, 完全不用更换整组夹具。在立式车床及夹头自动交换系统下, 欲更替不同规格的夹头, 一、二工序夹头可在5min内快速完成, 迅速变更生产流程, 使生产更具弹性。

3.夹头自动交换系统

四轴立式车床另一核心技术是单主轴双夹爪自动交换系统, 突破传统卧式C N C车床加工难点, 四轴立式车床具备工件取放容易、加工效率高、表面粗糙度值低及占地面积小等优点。

双夹爪夹头自动交换模块主要分为两部分:一部分为夹头组合, 包含精密动力夹头, 夹头与主轴结合的夹紧接口及旋转缸, 另一部分为自动交换旋转机构。配合铝轮毂加工高效要求, 夹头自动交换主要动作分为旋转交换及工件上下脱离、定位, 使用伺服电动机驱动控制, 交换时间快、可靠度高, 大幅降低人工夹具安装及更换时间, 缩短工件上下料时间, 减少机床闲置时间, 提高了生产效率。

结语

铝轮毂制造商一方面不仅面对国内外价格的竞争, 需不断缩短生产周期, 提升产能;另一方面, 越来越快的市场需求变化, 也迫使他们不断寻求新技术、新工艺来应对市场竞争, 为迎合使用者对时髦亮丽铝轮毂追求, 生产多样、少量及高质量的铝轮毂已成为趋势, 国内铝轮毂生产者在寻求创新技术, 维持竞争力的同时, 如何与汽车行业相结合, 提升质量, 创造满足顾客需求的先进技术, 是广大机床研发人员思考努力的方向。

关键词：铝轮毂,立式车床,夹具系统

立式加工篇2

二、蓝牙数控铣车复合加工机床设计有C、B两个伺服旋转轴——车削和铣削两个即可高速旋转又可定位分度的主轴和X、Y、Z三个直线伺服进给轴，铣削轴后端设有回转台和升降台，可以根据加工需要任意调整刀具的加工角度和高度。通过C、B两个伺服主轴的相对旋转运动和X、Y、Z三个伺服进给轴相互插补运动实现多种复杂零部件的加工。

（1）铣削主轴与车削主轴垂直，铣削主轴镶嵌硬质合金刀片的刀杆，双主轴定比旋转（电子挂轮），可实现用展成法完成直齿轮、端面齿、花键等工件的加工；

（2）铣削主轴与车削主轴垂直，铣削主轴装立铣刀，车削主轴静止（分度），可完成铣槽、铣面等铣削加工；

（3）铣削主轴与车削主轴垂直，铣削主轴镶嵌硬质合金刀片的刀杆，双主轴定比旋转（电子挂轮），X、Y、Z、B、C五轴联动，可实现用展成法完成各类直、锥齿轮等工件的加工；

（4）铣削主轴与车削主轴成一定角度，铣削主轴镶嵌硬质合金刀片的刀杆，双主轴定比旋转（电子挂轮），可实现用展成法完成锥齿轮空间角度曲面的加工。

三、主要创新点

（1）单硬质合金刀片旋风铣制齿加工工艺；

（2）单硬质合金(陶瓷)刀片硬齿面硬切削(以铣代磨)加工工艺；

（3）数控电子挂轮技术的展成法加工多边形轴类件加工工艺；

（4）具有双主轴定比（同步）技术、三个直线伺服轴、三个旋转伺服轴、铣车齿三种工艺复合、以制齿为主的六轴五联动复合机床。

推广应用前景与措施

该产品广泛应用于中小型高精度零部件加工，内齿轮、外齿轮和内外同心齿轮等复杂齿轮类零件加工（包括轿车用齿轮，加工精度高达到5-6级）；高精度轴类多边形加工；高精度花型联轴器的加工；高精度端齿盘的加工；高精度异形工具的加工以及其它一些要求高、形状复杂的工件加工。

本项目研究含有数控电子挂轮技术的展成法轴类件多边形加工技术、硬质合金刀片旋风铣齿加工技术、硬质合金(陶瓷)刀片硬齿面加工技术等专用先进技术，最终研制以铣齿为主的五轴五联动铣车多功能复合机床。目前，国内还未检索到系统开展上述研究的报道，国外有这方面的相关研究,但关键技术对外秘而不宣。通过本项目研究，将填补我国在该领域的研究空白，并达到国际先进技术水平。

该项目的实施将使我公司具备数控铣车多功能复合机床及其系列化产品，填补国内空白的研发和产业化能力，达到国际领先水平，从而打破西方发达国家的技术封锁，进一步提高我国齿轮行业的技术装备水平，推动我国机床制造业产业升级换代。同时，工艺装备水平的提高也有助提高产品质量，从而缩短与国外先进设备在制造水平上的差距。

立式加工中心横梁结构优化设计篇3

本论文的目标是对FW系列一款数控加工中心的横梁和工作台进行有限元分析和结构优化, 依据立式车床立柱的Solid Works模型, 使用有限元分析软件ANSYS建立有限元模型, 并对其进行有限元分析, 根据有限元计算结果, 对该类立柱提出新的结构优化设计方案。立柱由于原始设计过于保守, 可以适当地减薄壁板厚度, 或者去掉部分筋板, 减轻车床立柱的重量, 降低产品成本, 各项性能指标也能满足实际工作的需要, 为同类型机床的设计生产提供了更多的理论依据。

2 横梁的选型优化设计

2.1 横梁的板厚及筋板的厚度进行设计

根据分析结果, 我们了解到横梁原先的设计是较为保守的, 为此通过Solid Works平台对横梁的三维模型进行修改, 以达到在保证刚度和强度的情况下尽可能多地降低横梁的重量。图1和图2所示即为原先横梁筋板的相关尺寸。对横梁的板厚和筋板的厚度进行局部修改后的尺寸如图3和图4所示。

修改横梁筋板厚度尺寸后建立新的三维模型, 建立有限元模型, 在横梁的工况一处对其进行有限元静力分析, 得到的节点等效应力Von Mises分布云图和总变形Translation USUM云图如图5和图6所示。

由图5和图6可得, 改进后横梁的总形变最大值为0.0427mm, 形变较小, 满足了机械加工的精度要求, 而等效应力的最大值为21MPa, 仍旧具有较高的安全系数。由Solid Works软件自带的模块, 可知改进后的横梁质量下降了2122.16-1853.77=268.39kg, 质量的减少量占原来质量的比率为:268.39/2122.16=12.65%。

经过模态分析得到的前五阶的固有频率如表1所示, 可知固有频率基本不变。

2.2 对横梁导轨的结构进行设计

仍旧在Solid Works平台上对横梁导轨的结构进行修改, 原横梁导轨的结构尺寸如图7所示, 横梁的导轨受力较为集中, 对其结构的合理调整非常必要, 调整后的导轨尺寸如图8所示。

通过有限元分析可得节点等效应力Von Mises分布云图和总变形Translation USUM云图如图9和图10所示, 由图可知改进后横梁的总形变最大值为0.0360mm, 形变还是较小, 满足机械加工的精度要求, 而等效应力的最大值为13.1MPa, 仍旧具有较高的安全系数。由Solid Works软件自带的模块, 可知改进后的横梁质量下降了2122.16-1917.85=204.31kg, 质量的减少量占原来质量的比率为:204.31/2122.16=9.63%。

3 对横梁的改进方案

综合前两种情况, 同时改进横梁筋板的厚度和导轨的结构, 建立新的三维模型, 对其进行有限元分析, 得到节点等效应力Von Mises分布云图和总变形Translation USUM云图如图11和图12所示。

由图11和图12, 可得改进后横梁的总形变最大值为0.0425mm, 形变较小, 满足机械加工的精度要求, 而等效应力的最大值为21MPa, 仍旧具有较高的安全系数。由Solid Works软件自带的模块, 可知改进后的横梁质量下降了2122.16-1819.69=302.47kg, 质量的减少量占原来质量的比率为:302.47/2122.16=14.25%。

4 结论

运用选型优化法对FWL-8型数控加工中心的横梁结构进行了以减重为目标的结构优化设计。对于横梁的优化主要通过改进横梁的板厚和筋板的厚度, 再次建立其三维实体模型, 利用ANSYS软件进行有限元分析, 分析其形变和应变的特点, 并与原模型进行比较, 最终确定优化方案;改变其结构尺寸对其应变低的部位进行了材料剔除, 重新建立三维模型并进行有限元分析, 得出优化方案的可行性

摘要：在SolidWorks2009中建立立柱的三维模型。利用ANSYS10.0将模型导入进来, 建立有限元模型。然后对立柱进行受力分析, 建立起立柱的力学模型。分别利用有限元分析软件ANSYS10.0中的应力/应变分析模块和模态分析模块, 对FWL-8立式车床的立柱进行了有限元应力/应变分析和模态分析。针对FWL-8立式车床立柱提出了3个减重方案。

关键词：加工中心,工作台,横梁,优化设计

参考文献

[1]李开复.机床工业综述[M].北京:机械工业出版社, 1993:8-9.

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[6]曾攀.有限元分析及应用[M].北京:清华大学出版社, 2004:3-4.

立式加工篇4

1. 开机显示PMC断电数据丢失, 机床无法运动与操作报警。

经请教华中系统专家后, 得知在机床使用中, 出现非正常关机和断电时, 系统内部往往出现临时文件, 造成系统出错。可分四步解决此故障。

(1) 在系统面板上安插好标准计算机键盘, 同时按下【ALT】和【X】两键, 系统切换为DOS版本下;

(2) 从其根目录下找到“TMP”文件夹并进入;

(3) 执行DEL*.*指令, 删除此文件夹内全部文件;

(4) 执行CD, 退回DOS根目录下, 然后敲入字母N并回车, 重新返回到华中系统界面窗口即可。

2. 加工直径40mm的整圆时出现椭圆现象, 实测X轴尺寸正常, Y轴尺寸为32mm。

机床Y轴曾维修过, 当时报警为:Y轴电机过热。经厂家调整镶条并手动润滑后, 故障排除。故初步判断仍为Y轴摩擦过大, 出现位移问题, 从而使X、Y轴圆弧插补不等距, 产生椭圆。但经多次运行试验, Y轴电机未报警, 且检测装置也未发现有“跟踪误差过大”报警, 故此问题应排除。

怀疑Y方向伺服电机与Y轴丝杠联轴器松动, 产生丢转。维修人员打开Y向防护板检查, 电机轴与丝杠联结良好, 此种可能也可排除。

排除机械故障的可能后, 则认为XY两轴伺服电机传动比不等或系统参数设置有问题。打表测量Y轴移动误差情况, 计算分析后发现, 理论移动量差值/实际移动量差值=5/4, 即传动比为5/4。打开机床Y轴参数项核对, 机床轴参数中的“外部脉冲当量分子 (μm) ”为5, “外部脉冲当量分母 (μm) ”为5, 而X、Z轴的“外部脉冲当量分子 (μm) ”却均为4。再查看其他正常机床的Y轴, “外部脉冲当量分子 (μm) ”同样为4, 这个值正好与打表分析判断的传动比不相吻合。修改此项参数后, 加工中心椭圆现象消除。

3. 主轴上卸不下刀。

手动模式下, 按面板上【换刀允许】键后, 操作者手握刀柄, 另一只手按【松刀松/紧】按钮, 刀柄卸不下来。操作者必须用力下拽或用铜棒敲打刀柄才可卸刀。

解决此类问题, 一般先用扳手向下调节打刀气缸活塞杆上的螺母, 使其有效地顶压拉杆, 使主轴内部起拉紧刀柄作用的碟簧压缩, 便于操作者轻松装卸刀具。若使用一段时间后, 再次出现卸刀困难现象, 此前螺母已向下调节到了极限位置时, 多是由于主轴内的拉杆细长, 运动副间缺乏润滑, 摩擦力增大, 再加上碟簧的弹力 (一般10000N) , 使打刀缸活塞杆向下动作阻力加大, 运动行程变短, 拉杆下端也就无法顶到位;另外拉杆虽已完全压缩碟簧, 但卡拉钉的钢珠未移动到套筒喇叭口空位内, 也会松不开刀。此情况解决办法很简单, 但效果明显。只需往主轴上部的拉杆顶部喷注适量润滑油即可, 通过其间的缝隙, 润滑油就会深入各运动副部件, 从而减少摩擦力, 卸刀即变得轻松自如。

W11.09-37

作者通联:北京金隅科技学校机电系数控中心北京市房山区琉璃河车站东街22号102403

E-mail:dongzhedz@sohu.com[编辑利文]

立式加工篇5

产品虚拟技术主要包括实体建模和仿真两方面,是利用计算机来完成整个产品的开发过程,以数字化形式虚拟地、可视地、并行地开发产品,并在制造实物之前对产品结构和性能进行分析和仿真,实现制造过程的早期反馈,及早地发现和解决问题。与传统设计方法相比,其减少甚至取消了物理样机的研制次数,降低了开发周期和成本,提高了设计质量[1]。本文以JCS-018立式加工中心为对象,基于UG NX8.0平台,详细介绍了三维建模、虚拟装配在机床机械结构设计中的应用。

1 JCS-018立式加工中心虚拟设计

加工中心主要由底座、床身、主轴箱、滑座、工作台、立柱、刀库、机械手、进给伺服系统、数控柜、驱动电柜、冷却系统等组成。本虚拟设计主要是针对JCS-018立式加工中心的机械部分进行,部分细节忽略。

床身用螺栓固定在底座上用以安装与支撑机床各部件,在床身的后部装有固定式立柱,主轴箱在立柱导轨上做升降运动(Z轴),滑座在床身前部做横向(前后)运动(Y轴),工作台在滑座上做纵向(左右)运动(X轴),自动换刀装置(刀库和机械手)装在立柱左侧前部,立柱后部是数控柜,立柱的右侧面装驱动电柜(电源、伺服装置)。操纵台上有CRT显示器,显示器上有机床操作按钮和各种开关和指示灯。工作台表面有便于安装夹具、工件及附件的T形槽,还有回收冷却液的回水槽。机床的底座就是冷却箱,冷却泵用螺钉固定在底座上,既可用于传输切削油,又可用于传输乳化液,冷却液经塑料管流至喷嘴,喷嘴置于立铣头上。

2 主轴前端盖三维建模

由于端盖类零件主要为圆柱形零件,故可不必绘制二维草图,直接利用UG NX设计特征中的圆柱及圆锥操作,确定圆心定位直接生成端盖的初步模型,如图1所示;利用设计特征中的打孔操作,生成如图2 所示模型;利用特征功能中开槽操作及细节功能中的倒圆角操作,可直接生成主轴前端盖零件的最终模型,如图3所示。

由此可以看出,针对所设计零件的形状,合理利用UG NX的功能模块操作,可大大提高三维建模的效率,对轴类、法兰等零件的建模不必再进行二维草图的绘制、旋转或拉伸等操作。

3 JCS-018立式加工中心的虚拟装配

UG装配中主要装配约束有面贴合(Mate)、对齐(Align)、角度(Angle)、平行(Parallel)、垂直(Perpendicular)、居中(Center)、距离(Distance)、相切(Tangent)[2]。在JCS-018立式加工中心的装配过程中,利用上述装配功能完成了床身、主轴箱、刀库、X-Y工作台等虚拟装配,如图4～图7所示。

在完成各主要机械结构装配的基础上,利用UG NX中的相关装配干涉分析功能对各部件的装配模型进行装配干涉检查,并进行相关零部件的修改工作,然后利用装配功能完成最终JCS-018立式加工中心的虚拟总装模型,如图8所示。

4 结语

通过JCS-018立式加工中心的虚拟设计实例,全面地展示了UG NX在虚拟设计技术中的运用情况,显示了其在虚拟技术方面的强大功能。在此虚拟设计基础上,对样机进行机构运动仿真分析,可全面展示和模拟机床实际加工动作,对实际工程设计制造有着重要的参考意义。

摘要：以JCS-018立式加工中心为对象,基于UG NX8.0平台,详细介绍了三维建模和虚拟装配技术在机床设计中的应用情况。同时,将此虚拟技术应用于机床结构教学中,实践证明效果很好。

关键词：立式加工中心,UG NX8.0,三维建模,虚拟装配

参考文献

[1]李伟.先进制造技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

直线电机在立式加工中心上的应用篇6

随着世界机床业的不断发展, 对机床的速度、加速度、精度的要求也不断提升, 直线电机以其无冲击、无磨损、噪声低、效率高、精度高等特点为高速高精机床所青睐。1993年首台采用直线电机的数控加工中心研制成功, 如今用直线电机取代丝杠传动已成为机床行业发展的新方向。国内外各大知名机床企业、科研院校都积极参与到直线电机的研制和其在机床行业应用的研究中去, 投入了大量的人力和物力, 并取得了一定的成果。

2 直线电机的特点

与传统的伺服电机带动丝杠的进给驱动方式相比, 直线电机驱动具有以下特点[1]:

(1) 直线驱动技术的原理是将原始的电机回转运动转变为直线运动, 因此机床的速度、加速度、动静刚度、定位精度以及动态性能都将得到大幅改观。数字控制技术和闭环反馈系统的使用, 又使得直线电机获得高质量的控制效果, 进而获得高的定位精度。

(2) 直线电机驱动无需使用机械传动部件, 真正实现了零传动, 无冲击、无磨损、噪声低, 同时具有较高的刚度、精度和装配维修简单等优点。采用直线驱动技术的机床在快移、加速及回程等性能方面较传统的驱动方式有了大幅的提升, 从而提高了生产率。

(3) 与传统的进给驱动相比, 直线驱动进给方式在进给方向上的动态特性与传动路线无关, 而只受机床结构的制约。在机床设计时为了完全发挥直线电机的特点, 必须对相关的部件进行匹配设计, 并且对由直线电机的缺点而带来的问题要给予充分考虑。

3 直线电机应用中遇到的问题和解决办法

3.1 直线电机的选择

交流直线同步电动机按照工作原理不同可分为电磁式、永磁式、混合式等几个种类[2], 其中永磁式直线同步电动机以其高效、低损耗、尺寸小、维修保养方便等优点广泛应用于机床行业。

本机床在直线电机选型时根据用户需求、机床结构和直线电机特点等方面综合考虑, 最终选择了ETEL公司生产的永磁式直线同步电动机 (下简称直线电机) 。

3.2 设计中遇到的问题

(1) 法向磁吸力

永磁式直线电机除了会在进给方向上产生推力之外, 还会在初级与次级之间产生一个与进给方向垂直的法向磁吸力。因为电机的次级是由永磁材料组成的, 电机的初级又为磁性材料, 所以无论电机是否通电, 法向磁吸力都存在[3]。在设计中选用的这款直线电机的法向磁吸力约为30kN。

如图1所示, 如果将左右立柱上的直线电机水平放置, 法向磁吸力会使承受垂向力的直线导轨产生较大的变形, 容易影响数控机床的加工精度。为了改善直线导轨的受力情况, 考虑将直线电机竖直放置, 如图2所示。这样的设计带来的问题就是零件A在30kN的磁吸力作用下极易变形, 造成初级和次级的间隙减小或不均匀, 电机推力的波动性大。

综合考虑这两种设计方案最终选取图1的设计方法。为了减小直线导轨的受力变形量, 一方面, 增加了导轨的数量, 做到单侧立柱两根导轨, 如图3所示;另一方面, 将图1的“7”字型立柱结构优化为图4的“Y”字型结构, 在立柱筋板设计时将竖直筋板设计在两根导轨下方, 这样就提高了导轨和立柱的刚性;最后再选取承载能力较强的滑块为支撑。

(2) 隔磁与防护问题

永磁式直线电机的次级主要是由永磁材料构成, 而加工零件、零件切屑和安装工具等磁性材料很容易被次级上的永磁材料吸住, 这样就使得加工和装配很难进行。应用于本项目机床上的直线电机初级和次级之间的间隙约为1mm, 当磁性切屑和空气中的磁性粉尘被吸入直线电机初级与次级之间的间隙中, 就会造成间隙间距变小甚至堵塞, 所以必须采取有效的隔磁防护措施。

在设计过程中一方面机床结构采用龙门式结构, 这样就使得加工区和直线电机在位置上相距较远;另一方面, 在加工区和直线电机间设计了两层防护措施, 分别是机床加工区的内防护和直线电机的风琴式防护罩。通过这两个方面和两层防护措施达到隔磁与防护的目的。

3.3 装配中遇到的问题

直线电机在装配的过程中遇到的最大问题就是克服法向磁吸力将初级和次级分别安装到滑板和立柱上, 一般可采用辅助导轨法或分段安装法[4]。根据设计的行程长度和初级长度确定采用分段安装法进行直线电机的安装 (如图5所示) , 安装工序是: (1) 将直线电机的初级安装到移动部件 (如工作台、滑板) 上; (2) 将装有初级的移动部件安装到导轨滑块上, 并将其推到导轨的一侧; (3) 按照直线电机的安装要求, 装好左侧各段次级; (4) 将移动部件推到左侧; (5) 按照 (3) 的方法安装右侧各段次级。

4 直线电机在立式加工中心上应用的前景

目前从国内市场来看, 应用直线电机的立式加工中心还为数不多, 同时在设计水平上也与国外同行存在着一定差距。但是数控机床的高速、高精化的发展方向已经明确, 相信随着机床产业结构调整步伐的加快, 直线驱动机床产品必将系列化和规模化, 逐步成为市场的主流产品。

参考文献

[1]毛丽青.直线电机在机床领域的应用及发展[J].机械工程师, 2006 (10) :22-23.

[2]阎熠.基于FOC的高精度直线电机运动平台的控制系统研究与应用[D].上海:东华大学, 2008.

[3]尹宜勇, 等.高档数控机床中永磁直线同步电机驱动系统关键技术分析[J].制造业自动化, 2011 (7) :89-90.

高速立式加工中心主轴箱热态分析篇7

关键词：主轴箱,粗糙度,热效应

0引言

高速立式加工中心(XH714B)在稳态时主轴端面向前下方漂移,产生所谓的“闷头”现象,为了克服这一问题,企业界在机床装配中,一般采用修配床身与立柱的装配面,使主轴轴线产生原始偏转量,用于补偿稳态工况下热变形的方法。这种方法劳动量大,生产效率低。为提供一种经济有效的解决途径,必须要找到“闷头”的主要原因,因此对立式加工中心的主轴箱展开热态分析。

根据传热学基本原理,借助有限单元法,建立了XH714B高速立式加工中心主轴箱热态特性分析模型;分析计算了主轴箱在额定转速下的热态特性,从而确定主轴电动机的热损耗是导致机床主轴轴线在y-z平面内发生偏转的主要原因。

1主轴箱传热模型的建立

1.1主轴箱模型的建立

XH714B立式加工中心主轴箱的主要热源有主轴电动机、主轴轴承、带传动和金属切削过程。其中金属切削过程中产生的热量大部分被切削液带走,经切削液流道进行收集循环,且切削液流道与机床结构进行了隔离,不对机床产生影响。而主轴箱的热源通过热传导、热对流和热辐射等方式将热量传递到机床结构,产生非均匀温度场,使机床的热膨胀量随位置发生变化,而导致机床产生热变形,影响零件加工的尺寸精度和加工表面品质。

图1所示为立式加工中心主轴箱的有限元模型,主轴箱模型中包含许多对网格划分不利的小特征,如倒角、圆角等,但它们对主轴箱热态特性的影响却很小,因此建模时略去了这些特征。

1.2热源发热量

1.2.1轴承发热量计算

轴承发热量主要受工作转速、预紧力和润滑方式影响,其大小可以根据如下经验公式进行计算[1]:

Hb=1.047×10-4nMb(W) (1)

对合理预紧力作用下的球轴承的总摩擦力矩Mb,合理估算应该是轴承载荷力矩、流体摩擦力矩和高速项三者之和:

Mb=Ml+Mh+Mv (2)

其中Ml为负荷项,因载荷作用于轴承而产生,其决定了起动摩擦力矩和低速运转时摩擦力矩的大小,根据式(3)进行计算:

Ml=f1p1dm(N·mm) (3)

上式中f1为与轴承类型及相对载荷有关的系数,P1则取决于当量载荷以及外加载荷的方向。对于角接触球轴承,f1和P1分别根据式(4)和式(5)进行计算:

f1=0.001(p0/c0)0.33 (4)

p1=1.4Fa-0.1Fr (5)

其中p0=XsFr+YsFa,对于单列角接触球轴承Xs,Ys的值随着接触角变化,如表1所示。

式(2)中的Mv为流体摩擦力矩,可根据下列经验公式进行计算[1]:

If v0n>2000 cSt·r/min

Mv=10-7f0(v0n)2/3dundefined(N·mm) (6)

If v0n<2000 cSt·r/min

Mv=160×10-7f0dundefined(N·mm) (7)

式中:

ν0——润滑介质的运动黏度;

dm ——滚动轴承中径;

f0 ——与轴承类型与润滑方式有关的系数;

n ——滚动轴承内圈转速。

式(2)中的Mh为轴承的自旋力矩(高速旋转的轴承须考虑此项),则根据下式计算

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式中:

α——滚道赫兹接触椭圆的长半轴;

Q ——单个滚珠载荷;

ξ ——第二类椭圆积分;

μ ——滚动体与滚道接触区摩擦系数;

摩擦系数μ在0.01与0.06间变化。

1.2.2电动机发热计算

电动机在能量转换过程中的各种损耗是发热的原因,损耗主要包括绕组铜损耗、铁心损耗和机械损耗。其中铜损主要表现线圈发热,磁损主要表现为转子发热,机械损耗则为电动机轴承消耗。根据电磁分析理论和滚动轴承分析理论,XH714B立式加工中心所采用的主轴电动机的线圈、转子和单个电动机轴承产生的热量分别为809W,100W和100W[2,3]。

1.2.3同步带发热量计算

XH714B立式加工中心的主轴由主轴电动机经同步带驱动,同步带在传递能量的同时也消耗一部分能量,主要表现为皮带发热,发热量的大小可以根据下式进行计算:

Hbe=P(1-η) (9)

其中,P为主轴电动机的输出功率,η为同步带传动的效率,取0.91。

1.2.4主轴轴承发热量算例

为了便于分析各个轴承的受力情况,对主轴支承结构进行简化,如图2所示。将一边的两个轴承简化作一个角接触轴承(轴承采用顺装),得到的发热量除以2则为单个轴承的发热量[4]。图中编号1,2分别代表下、上轴承,轴承型号为7014C。

l1=0.3m,l2=0.1075m,查表同步带的工况系数为d=1.9,电动机的额定功率为P=7.5kW,转速η=8000r/min,v=7.3m/s,轴承的预紧力Fp=700N。

经计算,可以得到下、上轴承的发热量分别为:113.6W,119.4W,换算成单个轴承的发热率为1×106W/m3,1.1×106W/m3。

1.3与环境空气热量交换

1.3.1旋转表面换热计算

主轴等旋转表面,与周围空气发生强迫对流而交换热量,对流换热系数可根据下式进行计算[5]:

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式中:

α——对流换热系数,单位为W/(m2·K);

Nu——努谢尔特数,无量纲;

λfluid——流体(空气)的导热系数,单位为W/(m·K);

d——研究对象的特征尺寸,单位为m。

此时努谢尔特数的表达式为[6]:

Nu=0.133Re2/3Pr1/3 (11)

上式的应用条件为:

Re<4.3×105

0.7

式中:

Re——雷诺数,无量纲;

Pr——普朗特常数,对于常温下的空气取值0.707。

雷诺数的表达式则为:

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式中:

U——圆柱体表面流体流动速度,单位为m/s;

d——特征尺寸,对于丝杠表面取其公称直径,单位为m;

νfluid——流体的运动黏度,单位为m2/s。

1.3.2电动机表面的换热计算

根据Min-Soo Kim等人的工作,当没有对电动机进行额外强制冷却时冷却槽表面的换热系数取40W/(m2·K)[7];有强制冷却时则取50W/(m2·K)。考虑到电动机定子壳体温度较高,不能忽略辐射换热,所以其外表面换热系数则根据有无冷却风分别取9.7W/(m2·K) [8]和50W/(m2·K)。

1.3.3无限大空间自然对流表面换热计算

主轴箱表面温度高于车间空气温度时,主轴箱壁面附近的空气受热之后密度变小而向上升,其附近的冷空气则向壁面流动,这样一个周而复始的过程在物体表面和流体之间就形成环流,构成所谓的自然对流。当机床停止运转,其壁面温度低于车间空气温度时,环流方向相反。这里所指的无限大空间自然对流是指自然对流所涉及的空间相对很大,边界层的发展不受限制和干扰的情形。

机床安装在车间里,主轴箱外壁面空气的对流情况与无限空间的情况符合。空气的流动状态——层流和紊流,可根据格拉晓夫数与普朗特常数的乘积判断。对于横放或竖放的平壁面,努谢尔特数可由式(13)计算得到

Num=c(Gr·Pr) (13)

其中c,n为常数,可根据文献[9]选取;Pr普朗特常数,对于空气,取0.707;格拉晓夫数Gr根据下式计算:

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其中:

g ——重力加速度,数值9.8m/s2;

l ——特征尺寸,单位为m;

Δt ——温升,单位K;

αv ——流体体胀系数,单位为1/K;

v ——流体运动粘度,单位为m2/s。

当流体温度变化不大时,以上诸式中定性温度采用平均温度tm=(tw+tf)/2

其中:

tw——壁面温度,单位为℃;

tf——流体(空气)的温度,单位为℃;

对于主轴的自由换热表面,由于其温升较高,辐射不可忽略,综合换热系数取9.7W/(m2·K)[8];对于主轴箱其他自然对流表面换热系数取5W/(m2·K)。

2主轴箱热态特性分析

主轴箱的热态特性包括主轴箱在特定热载荷下的温度分布与位移分布——将所得到的温度场作为热载荷施加到结构中,对模型进行分析计算得到相应的位移分布(由于同步带材料构成复杂,其力学性能难以模拟,所以在进行位移分析时,去掉了同步带)。环境参考温度取26.5℃;主轴转速为8000r/min。XH714B立式加工中心主轴箱体的材料为HT300, 主轴材料为40Cr,主轴结构则如图3所示。同步带基体为氯丁胶带。

2.1主轴箱温度场分析

图3给出主轴箱内外温度分布情况,从图3中可以看出同步带温升均匀,这是由于同步带在循运转过程中,不断与带轮循环接触,同步带上产生的热量能够均匀向环境和带轮传递。

主轴部件整体温升较高,尤其上、下轴承处。上轴承温升为23.6℃,下轴承温升为26℃,都在轴承运行的许可温升范围之内。上、下轴承发热功率基本相等,但是上轴承周围结构多,能吸收较多的热量,而下轴承则传导出去的热量相对上轴承少,所以下轴承温升高。轴承因摩擦产生的热量导致主轴部件整体温升较高,向周围结构传导的热量也随之增加,所以主轴周围结构的温度也较高。

主轴电动机安装端面的平均温度为50℃,虽然低于同步带的温度,但是同步带与主轴箱体间存在点接触,而主轴电动机与主轴箱体为面接触,因此同步带与主轴箱体间的接触热阻比后者的接触热阻大7个数量级[10,11],所以带传动向主轴箱导热的热阻较主轴电动机大,因而主轴电动机成为立式加工中心主轴箱最主要的热源。

从图4中看出主轴箱侧面1#面和2#面的温升从顶部至底部逐渐降低,在主轴箱侧面形成非均匀的温度场,将导致主轴箱体顶部到底部产生不均匀的热膨胀,主轴箱体产生变形,进而影响主轴轴线的位置。

2.2主轴箱位移场分析

根据工厂实际测得温度数据可知,本研究所建立的热态分析模型能够正确预测机床的温升,所以将上节得到的温度场作为结构分析的载荷施加到机床静力模型中,通过计算得出的热位移可认为是立式加工中心在这种工况下的热漂移。

由于不清楚同步带材料整体的热力学性能,所以在进行位移分析时,去除了同步带,取而代之的是在大小带轮包角范围内施加均布载荷,以模拟同步带对主轴位移的影响。

由于主轴箱结构关于y-z平面基本对称,所以主轴轴线沿x方向的位移很小,可以忽略不计。图5给出了立式加工中心主轴转速为8000r/min时主轴箱在y-z平面总的位移分布情况。图中黑线框代表主轴箱结构初始轮廓位置。从图中可以看出,最大位移发生在主轴端面——沿y轴正方向和z轴负方向漂移,且主轴端面发生倾斜,即形成“闷头”现象,与立式加工中心在实际使用中出现的情况吻合。

箱体整体呈现低头状——主轴顶部较底部位移大,侧面由上至下变形逐渐减小,主轴箱体的最大位移发生在顶面最前端,这与图4中主轴箱体顶热底冷的温度场分布相对应。主轴箱的变形导致主轴轴线位置发生变化,这是因为主轴通过主轴轴承安装在主轴箱体内,主轴箱体在上下支承位置的变化必然会对主轴轴线位置产生影响。主轴上支承较下支承沿y方向位移大,主轴轴线发生偏转,带来加工误差。从图5左边图中可以看出主轴上下支承均沿y轴正方向和z轴负方向发生热漂移,说明主轴轴线在图5所示平面内沿逆时针方向旋转,同时端面向前下方发生漂移,最终产生“闷头”现象。

3结论

本文建立了高速立式加工中心主轴箱的CAD模型,

结合传热学相关准则确定机床主轴箱的热边界条件,借助有限单元法对主轴箱进行了热态分析,得到了XH714B高速立式加工中心主轴箱的热态特性,并得到以下结论:

1) 该立式加工中心在实际使用中,主轴箱热变形较大,导致主轴端面向前下方发生热漂移;

2) 主轴端面的热漂移产生原因主要来自两方面:主轴箱体不均匀的温度分布导致的热变形和主轴自由端(主轴端面到主轴下支承处)的热膨胀量。

3) 造成主轴轴线在y-z平面内偏转的主要原因为主轴电动机的热损耗。

参考文献

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立式加工篇8

关键词：立式加工中心,换刀系统,故障,处理,方法

立式加工中心是一种带有刀库并能自动更换刀具的数控机床, 具有集中完成多种工序、效率高、性能好的特点, 尤其是在加工形状复杂、精度要求高的零件时, 更具有良好的经济效果, 因此在柔性自动化生产系统中被广泛采用。立式加工中心的重要组成部分是自动换刀系统, 其工作的可靠性将直接影响到立式加工中心的生产效率, 如果换刀系统故障频发则直接影响立式加工中心的使用性能, 严重影响其生产效率和经济性能。为充分发挥立式加工中心的优势, 降低换刀系统的故障率, 本文将换刀系统常见故障及解决方法进行归纳总结, 以供参考。

1 换刀系统的组成部分

换刀系统由刀具、主轴部件、换刀机构 (ATC机构) 等部件组成, 见图1。

2 换刀动作过程

当需要换刀时, 根据数控系统的指令, 由机械手将刀具从刀库中取出并装入主轴孔中。动作过程为:加工中心执行“T xx M 06” (T xx为所需刀具的刀号) 指令, 即执行换刀动作。此时, 刀库以双向任意选刀方式旋转到指定刀套→刀套下翻90°→主轴定向→机械手由原位旋转一定角度 (不同的加工中心旋转角度不同) →从主轴上、刀库的刀套上将刀具取出→机械手旋转180°→分别将刀具安装在刀库的刀套和主轴上→机械手回原位→刀套上翻90°→换刀过程结束。

3 ATC机构的功能及故障

ATC机构由刀库、机械手驱动机构和机械手 (臂) 构成。ATC机构与主轴及机床的相对空间位置在机床厂家已经完全设定且调整完毕, 只有在用户单独更换其中任何一个部件的情况下, 才需要对其空间位置进行重新调整设定。通常, 用户只是正常使用维护即可, 因此对其安装调整过程不做论述。ATC机构见图2。

3.1 刀库及故障

3.1.1 刀库部分

(1) 刀库

刀库是存放加工过程中所要使用的全部刀具的装置。

(2) 刀库的基本组成

刀库由刀套 (杯) 、刀套上下机构、刀库旋转分度驱动机构等组成。

(3) 刀库的基本功能

立式加工中心取送刀具的位置都是在刀库中的某一固定刀位, 因此刀库还需要有使刀具运动及定位的机构以保证可靠地换刀。刀库按照T指令以双向任意选刀方式完成选刀工作, 并把选好的刀具送到换刀位置后, 把刀具连同刀套 (杯) 一起向下翻转90°, 使刀具的轴线与主轴轴线平行, 做好换刀准备, 换刀完成后刀套 (杯) 向上翻转90°处于水平位置。

(4) 选刀方式

选刀方式是将所需刀具从刀库中准确调出的方法, 常用双向任意选刀方式, 即由刀库驱动电机的正反转来实现双向任意就近选刀。

(5) 刀库的固定换刀位

立式加工中心自动换刀系统的刀库及机械手一般均安装在立式加工中心的立柱侧面。盘式刀库的换刀位置在刀库的最下部, 刀具在刀库中安装方向与主轴垂直 (即水平安装) 。

3.1.2 刀库部分的常见故障处理

(1) 刀套 (杯)

刀套 (杯) 用来安装刀具, 见图3。

立式加工中心所用刀套需注意如下问题。

a.刀套 (杯) 上的刀具定位片松动、磨损、脱落、丢失将直接导致刀具上的定位键槽无法准确可靠地定位在刀套定位片上, 从而使刀具定位键槽与机械手 (臂) 上的定位片无法定位, 因此往主轴上安装刀具时无法准确安装甚至无法安装, 严重情况下会出现在换刀过程中刀具从机械手 (臂) 上或者主轴上掉下。因此, 要经常检查刀套上的刀具定位片, 予以紧固并适时更换刀具定位片或刀套。

b.刀套 (杯) 如果外部出现裂纹, 可以简单、形象地理解为刀套的内径变大, 那么刀柄外锥面与刀套内锥面配合必然过松。此时, 仅依靠刀套上的拉钉锁紧元件 (如钢珠等) 来对刀具进行自锁是非常不可靠的。因此, 对刀套的外部进行点检是非常必要的, 凡是有裂纹等缺陷的刀套一定要及时更换, 以确保换刀的可靠性, 避免不必要的损失。

c.刀套上的销轴及滚子如有磨损或松动, 则传动间隙增大。在刀套上下运动的过程中会出现动作不到位或有噪声。在换刀时会出现刀具无法正常安装, 机械手上的刀具甚至不能插入刀套内或装刀、卸刀动作不顺畅。在这种情况下, 应直接更换新刀套。

d.刀套内锥面及刀钉锁紧元件中任何一个元件有磨损都将导致刀具从刀套内掉下, 所以应及时更换已经出现磨损的刀套。

(2) 刀套翻转机构

刀套翻转机构常用气缸驱动来实现刀套的翻转动作, 为换刀做好准备。需特别关注以下刀套翻转机构故障。

a.刀套翻转气缸内部窜气 (密封磨损) , 会导致刀套翻转动作迟缓或无动作。更换内部密封件或气缸可解决。

b.刀套翻转气缸速度过快则导致刀具因惯性而从刀套中甩出。适当调整刀套翻转的速度, 使其动作顺畅、柔和、均匀, 以消除冲击现象。

c.刀套翻转气缸的开关失效、气缸内部磁环失效均导致无感应信号, 虽然都有刀套翻转动作, 但因换刀条件不满足而不能执行换刀指令, 此时应检查并处理信号开关。

d.虽然气缸实现了直线运动, 而刀套翻转 (90°) 角度的转换是依靠平动凸轮、从动滚子、导轨等部件来实现的。如果这个转换机构中有任何元件出现故障都将导致刀套动作异常, 即刀套卡滞、冲击、不动作, 且冲击还会带来甩刀故障。检修或更换从动滚子、修磨平动凸轮、调配导轨及压板间隙、添加润滑, 可使刀套运动自如。

e.气缸活塞杆与刀套翻转的角度转换机构连接处断开, 导致气缸有动作但刀套无翻转动作, 自然不能进行换刀。

f.如果刀套定位块出现磨损, 那么刀套的位置就会不理想, 进而导致换刀过程不顺畅。所以要及时更换已经磨损的定位块。

(3) 刀库旋转机构

刀库旋转机构常用减速电机驱动, 以实现刀库的旋转运动并进行选刀。常出现的问题及处理方法如下。

a.电机中的刹车调整不当, 会导致刀库旋转异常, 若调整刹车过松则存在没有刹车或刹车不及时的现象, 进而错过所选刀位。此时应该调整刹车。

b.刀库记数开关损坏将导致选刀失败, 刀库因找不到刀而不停地旋转, 因此要及时检查更换记数开关。

c.如果有减速器, 那么减速器出现故障将导致传动中断, 刀库可能发生不旋转的现象。这时要及时更换减速器。

3.2 机械手驱动机构 (凸轮机构箱)

凸轮机构由减速电机来驱动, 以实现机械手的旋转及上下动作。机械手旋转的角度和上下的行程均由凸轮箱内部的凸轮曲线来保证。由于各种加工中心的刀库与主轴的相对位置及形式均不同, 其相应的机械手换刀的运动过程也不尽相同。常见故障及处理方法如下。

a.依靠电机的正反转来驱动机械手双向旋转以实现换刀动作。但当机械手仅能正向旋转换刀, 而反向换刀时出现卡滞现象或者是动作不顺畅, 这往往是内部凸轮曲线严重损坏所致。鉴于内部凸轮曲线的复杂精密程度, 用户并不具备修理能力, 只能更换凸轮箱。因此, 经常检查润滑油位及油质状态是非常必要的, 可在一定程度上避免凸轮箱内部元件因润滑不良而导致磨损。

b.机械手驱动电机的刹车、离合器等的松紧程度调整不当及传动链间隙过大, 都将导致机械手无法进行换刀动作。如果调整过紧则因负载过大而导致继电器断开, 机械手因阻力过大欠位;调整过松则因机械手惯性而越位。2种情况下均无法换刀, 因此有必要适当调整其松紧度。

c.凸轮箱内部的从动滚子如果磨损或损坏则导致机械手运动不平稳, 因此要及时检查更换从动滚子。

d.如果凸轮箱内相互啮合的小伞齿轮及伞齿盘 (带有凸轮曲线) 上的齿过度磨损则导致机械手因自重而自行下落。其原因是润滑不良导致相互啮合的齿过度磨损, 因此要经常检查润滑情况。

e.如果机械手转动角度不合适则无正常换刀动作, 主要是因为机械手在凸轮机构箱的主轴上的角向位置不正确, 因此需要调整机械手与刀套、主轴的相对安装位置和角向关系来解决问题。

f.机械手尚未转到位, 主轴便开始松刀, 导致刀具从主轴上掉下。原因是机械手驱动机构的电气开关位置不合适, 导致各信号与机械手动作不匹配, 因此需要调整、校对各开关位置, 以使其信号相互匹配。

g.当机械手上升时, 凸轮箱内部的拉簧可以减轻驱动电机的负载。可是, 一旦拉簧断裂则不能减轻电机负载且导致换刀动作迟缓, 尤其是在机械手上升过程中若弹簧断裂则会导致机械手换刀位置下沉, 换刀点位置不稳定, 无法正常换刀。因此要及时检查、更换拉簧。

3.3 机械手 (臂)

机械手是换刀过程中极其重要的部件, 它的功能是当主轴上的刀具完成1个工步后, 把这一工步的刀具送回刀库, 并把下一工步所需的刀具从刀库中取出并装入主轴, 继续进行切削加工, 对它的要求是迅速、准确、可靠。机械手 (臂) 总成及结构见图4。

1.刀臂本体2.扣刀爪3.定位键4.铜套5.六角螺栓6.O型环7.刮刷环8.顶刀爪弹簧9.顶刀爪10.安全顶销11.安全顶销弹簧12.弹簧盖板13.迫紧环14.迫紧环盖15.顶刀爪限位销16.弹簧垫圈17.六角螺栓18.弹簧垫圈19.弹簧垫圈20.六角螺栓21.六角螺栓

机械手 (臂) 常见故障及处理方法如下。

a.机械手 (臂) 上的两个定位键如果松动、磨损、丢失 (脱落) , 则刀具定位键槽将无法与之准确定位, 换刀时刀具将无法安装在主轴和刀套上, 甚至还会从刀套或主轴上掉下。因此要经常检查、更换、紧固定位键。

b.机械手上的顶刀爪如果过度磨损、断裂或者运动不灵活, 则换刀时刀具会从机械手上掉下。所以要定期检查、更换顶刀爪。

c.机械手上的安全顶销如果断裂、运动不灵活、卡滞或不到位, 则刀具或者从机械手上掉下或者无法安装在机械手上, 因此要及时更换安全顶销。

d.如果顶刀爪弹簧及安全顶销弹簧破损、断裂、疲劳失效, 则顶刀爪和安全顶销动作失灵, 进而导致刀具从机械手上掉下或者不松开, 因此要经常检查并及时更换弹簧。

e.如果机械手 (臂) 的涨紧环松动, 则机械手因自重导致其位置下沉, 相当于Z轴 (主轴) 及刀套换刀点位置向上移动。换刀时机械手既不能从刀套和主轴上将刀具拔出, 也不能进行刀具安装。因此要重视涨紧环的紧固, 确保机械手臂、主轴、刀套位置相对固定, 以使换刀顺畅。

f.如果机械手 (臂) 弯曲, 则双手将不在同一水平面内, 出现一端高、一端低的现象, 因此无法正常进行换刀, 这时要检查、校平或更换机械手 (臂) 。

4 主轴部件

立式加工中心主轴的功能主要是实现刀具旋转、传递扭矩、完成切削运动。由于立式加工中心带有ATC, 因此必须要求主轴传动系统具有可靠的自动定向装置、刀柄孔的清洁装置及刀具的锁紧松开装置 (简称拉刀装置) 。

4.1 刀具的拉刀装置

4.1.1 拉刀装置

拉刀装置是立式加工中心主轴的特有装置, 其作用是自动把刀具拉紧或松开, 使机械手能在主轴上安装或取走刀具, 这是自动换刀过程中的重要环节。

4.1.2 拉刀装置的工作原理

当刀具由机械手送到主轴锥孔后, 其刀柄后部的拉钉便被送入到主轴中心孔内的拉杆前端, 当顶住拉杆的松刀油缸 (气缸、气液增压缸、杠杆机构等) 接到刀具已放入主轴内孔的信号时, 气 (油) 缸的活塞杆便向上移动, 拉杆在碟形弹簧的作用下也向上移动, 拉杆前端圆周上的钢球 (拉钩、涨套、夹爪等) 在主轴内锥孔的逼迫下缩小钢球分布直径, 同时把拉钉向上拉, 由于碟簧的作用力一直在拉杆上, 所以拉钉一直被紧紧拉住, 刀柄锥面与主轴孔内锥面紧密配合, 从而实现了刀具的夹紧。当松刀气 (油) 缸接到机械手准备要取走主轴上的刀具信号时, 松刀气 (油) 缸的活塞杆向下运动, 克服碟簧的作用力, 把拉杆向下推到刀柄锥面与主轴内孔锥面脱开的位置, 拉杆的钢球 (拉钩、涨套、夹爪等) 向外扩张, 完成刀具松开, 机械手可把刀具从主轴上取走。动作的全部过程按控制系统中的可编程序逻辑控制器 (PLC) 所编制的程序进行, 到位信号由安装在各个位置上的开关送到控制系统。

4.1.3 主轴拉杆

主轴拉杆一般做成空心, 因为在每次换刀时要用压缩空气清洁主轴锥孔和刀具、刀柄, 以保证刀具准确安装, 同时可以满足中央出水的需要。主轴拉杆结构见图5。

4.2 常见故障及处理

a.如果松刀气缸 (油缸、气液增压缸、杠杆机构等) 的内部密封件损坏, 将导致气缸推力不足, 无法克服拉杆碟簧的弹簧力, 则刀具不能松开, 机械手不能将刀具从主轴上拔出。此时, 需更换密封件或者给气液增压缸排气、加油。

b.如果拉杆上的碟簧碎裂, 则主轴将抓不住刀。这时更换拉杆或碟簧, 即可消除此故障。

c.如果拉杆弯曲变形, 在主轴高速旋转时, 将会出现噪声及振动现象, 因此需要更换或校直拉杆。

d.如果拉杆上碎裂的碟簧卡在主轴内孔, 气缸活塞杆将不能动作。此时将出现刀具既不能从主轴上松开也不能安装在主轴上, 因此需要将碟簧碎片清理干净, 方可解决问题。

e.碟簧安装的片数多少及锁紧螺母的位置调整不当, 都将导致主轴上的刀具无法插入、拔出。碟簧片数多了, 气缸推不动拉杆, 刀具既无法松开也无法插入;碟簧片数少了, 空间尺寸不对, 锁紧螺母锁不到碟簧, 碟簧没有预紧力, 则主轴根本就抓不住刀。因此, 需根据碟簧的实际尺寸合理增减碟簧片数;根据主轴插入、拔出刀具的实际动作调整锁紧螺母的锁紧程度及位置。若锁紧螺母调整过紧则气缸同样推不动拉杆, 而且还会加快碟簧的疲劳、断裂。

4.3 主轴定向装置及故障处理

4.3.1 主轴定向装置

主轴定向装置是立式加工中心所特有的换刀过程中必用的装置, 也称主轴准停机构。由于刀具装在主轴上, 切削时的切削扭矩不能完全依靠主轴锥孔的摩擦力来传递, 因此必须在主轴上端设置2个主轴定位键。刀柄上的键槽必须与主轴定位键对准, 才能保证刀具装入主轴。为保证准确顺利换刀, 主轴必须停止在某一固定角度的方向上, 主轴定向装置就是为保证主轴换刀时准确停止在换刀位置而设置的。主轴定向装置见图6。

4.3.2 主轴定向

主轴定向就是使刀具的定位键槽、主轴端部的定位键、刀库刀套上的定位片、机械手上的定位键保持一定的角度。使他们之间的方向一致, 确保换刀准确、顺利。

4.3.3 常见故障及处理

a.主轴定向角度不合适, 将导致刀具在主轴上不能正常换刀, 因此应检查、校对主轴定向角度, 修改主轴定向参数。

b.主轴定向机构 (主轴编码器、编码器同步带轮、编码器同步带等) 中任何元件出现故障, 均会导致主轴定向不正常, 势必影响换刀, 因此要经常检查、检修主轴定向机构。

c.如果主轴定位键松动、磨损、丢失 (脱落) , 则直接影响主轴换刀, 可能还会从主轴上掉刀。为此检查、紧固或更换主轴定位键是十分必要的。

d.如果主轴内孔锥面磨损过度, 则刀具与之配合过松, 导致刀具从主轴上掉下, 因此要定期检查主轴情况。

5 刀具与故障处理

5.1 刀具

刀具是换刀系统必不可少的重要组成部分, 主要用来完成切削运动, 满足工艺要求。见图7。

5.2 常见故障及处理

a.在换刀过程中, 如果每把刀具都不能正常换刀, 则可以排除刀具问题。