機(jī)床的坐標(biāo)軸剛性輔助增強(qiáng)技術(shù)研究
2025-6-30 來(lái)源： 通用技術(shù)集團(tuán)沈陽(yáng)機(jī)床有限責(zé)任公司 作者：萬(wàn)鵬宇 孔令友
1.背景
當(dāng)今零件結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，零件材料應(yīng)用高強(qiáng)度合金也越來(lái)越多，因此，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向是高速、高精度、高承載。如果僅采用傳統(tǒng)的多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床切削加工，尤其是加工應(yīng)用高強(qiáng)度合金材料且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型零件，會(huì)對(duì)各軸造成較大沖擊，導(dǎo)致機(jī)床難以長(zhǎng)久保證定位精度和重復(fù)定位精度，無(wú)法有效完成加工零件的精度、表面光潔度和穩(wěn)定性的要求。
2. 現(xiàn)狀
當(dāng)前對(duì)工件進(jìn)行定位加工時(shí)，僅靠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通常不能滿(mǎn)足工件所需的定位精度要求。當(dāng)?shù)毒呋蚬ぜ惺茌^大切削力時(shí)，尤其是在重切削時(shí)，會(huì)帶來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)熱量大、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力變形和傳動(dòng)剛度不足而引起刀具或工件振動(dòng)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響工件的加工精度。
3. 解決方法
針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于機(jī)床的坐標(biāo)軸剛性輔助增強(qiáng)技術(shù)，這種技術(shù)是通過(guò)在機(jī)床的各坐標(biāo)軸設(shè)置專(zhuān)用的液壓夾緊裝置。當(dāng)機(jī)床加工時(shí)，通過(guò)控制液壓夾緊裝置張開(kāi)閉合動(dòng)作抱緊機(jī)床移動(dòng)部件，從而使機(jī)床的整體剛性增強(qiáng)，減少因傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力變形和傳動(dòng)剛度不足而引起刀具或工件振動(dòng)等問(wèn)題，提升加工穩(wěn)定可靠性，保證加工精度。為了進(jìn)一步說(shuō)明該技術(shù)的獨(dú)特性和實(shí)用性，文章列舉了將 “機(jī)床的坐標(biāo)軸剛性輔助增強(qiáng)技術(shù)” 應(yīng)用在 “一種專(zhuān)用深孔加工機(jī)床” 中的技術(shù)方案以及一些主要裝置，并對(duì)裝置的工作原理進(jìn)行說(shuō)明。
機(jī)床結(jié)構(gòu)整體為落地式側(cè)掛箱結(jié)構(gòu)，如圖 1所示。各軸導(dǎo)軌副均是硬軌配鑲條滾動(dòng)體結(jié)構(gòu)，立柱在床身上水平移動(dòng)方向?yàn)?X 軸，機(jī)床側(cè)掛大拖板沿立柱上下運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?Y 軸，側(cè)掛大拖板上安裝可調(diào)整間距的 Z1 軸小拖板、Z2 軸小拖板。其中，Z1 軸為固定軸，Z2 軸可單獨(dú)沿大拖板上下移動(dòng)，為 V 軸。Z1、Z2 軸小拖板上分別安裝獨(dú)立帶驅(qū)動(dòng)的主軸，Z1 和 Z2 兩個(gè)獨(dú)立的主軸沿小拖板導(dǎo)軌前后移動(dòng)方向?yàn)?Z 軸。其中，X、Y、Z、V 軸應(yīng)用夾緊裝置 A 進(jìn)行鎖緊，由于 V 軸結(jié)構(gòu)功能特殊原因，V 軸在應(yīng)用夾緊裝置 A 的同時(shí)，增加夾緊裝置 B 進(jìn)行復(fù)鎖，以達(dá)到坐標(biāo)軸剛性增強(qiáng)的效果。
圖 1 機(jī)床整體結(jié)構(gòu)示意
3.1 液壓夾緊裝置各軸運(yùn)行過(guò)程
3.1.1 X 軸運(yùn)行過(guò)程
當(dāng)機(jī)床加工時(shí)，X 軸采用夾緊裝置 A 夾緊 X軸床身上的夾緊導(dǎo)軌進(jìn)行夾緊，夾緊油路中選用的控制元件是 D 型電磁換向閥，這種電磁閥具有活塞位置保持功能暨電磁閥斷電時(shí)活塞保持位置不變。應(yīng)用這種 D 型電磁換向閥可以保證液壓夾緊裝置 A 在機(jī)床意外斷電的時(shí)候依舊可以保持液壓夾緊狀態(tài)。通常機(jī)床工作時(shí)，液壓夾緊油路為以下 2 種狀態(tài)。
（1）壓力油經(jīng)閥塊→減壓閥→電磁換向閥（電磁換向閥在常態(tài)位置為油缸進(jìn)油夾緊狀態(tài)）→雙單向節(jié)流閥→雙液控向閥（液壓鎖）→壓力開(kāi)關(guān)→管路→立柱下方夾緊裝置 A 進(jìn)油口，推動(dòng)活塞伸出實(shí)現(xiàn)對(duì) X 軸夾緊導(dǎo)軌的夾緊功能。
（2）液壓油經(jīng)夾緊裝置油口→管路→壓力開(kāi)關(guān)→雙單向節(jié)流閥→電磁換向閥（電磁換向閥在工作位置為油缸排油松開(kāi)狀態(tài)）→閥板排入油箱實(shí)現(xiàn) X 軸松開(kāi)功能。
3.1.2 Y 軸運(yùn)行過(guò)程
機(jī)床 Y 軸方向同樣使用液壓夾緊裝置 A，其分別安裝在 Y 軸鋼導(dǎo)軌的正向和側(cè)向。由于機(jī)床 Y 軸方向?yàn)榇怪庇谒矫妫瑸榱朔乐挂馔鈹嚯姇r(shí)機(jī)床 Y 軸方向的部件砸向地面，發(fā)生安全事故，Y 軸夾緊油路應(yīng)該選用帶有保壓功能的控制元件。在此夾緊油路選用的控制元件是 J 型功能電磁換向閥，這種電磁閥斷電時(shí)油路均回到中位狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)保壓功能，通常機(jī)床工作時(shí)，液壓夾緊油路分以下 3 種狀態(tài)。
（1）電磁換向閥在常態(tài)位置時(shí)為油缸保壓狀態(tài)，此時(shí)油路通路為雙液控單項(xiàng)閥截止，油缸油液不能排出。
（2）電磁換向閥在工作位置 1 時(shí)為油缸進(jìn)油夾緊狀態(tài)，壓力油經(jīng)由閥塊→減壓閥→電磁換向閥→雙單向節(jié)流閥→雙液控單向閥（液壓鎖）→壓力開(kāi)關(guān)→管路→ Y 軸夾緊裝置 A 油口進(jìn)油夾緊 Y 軸鋼導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn) Y 軸夾緊功能。
（3）電磁換向閥在工作位置 2 時(shí)為油缸排油松開(kāi)狀態(tài)，液壓油經(jīng)夾緊裝置油口→管路→壓力開(kāi)關(guān)→雙單向節(jié)流閥→電磁換向閥→閥板排入油箱油實(shí)現(xiàn) Y 軸松開(kāi)功能。
保壓油路選用二位二通電磁球閥在電磁閥斷電時(shí)回到常態(tài)位，分為以下 2 種通路狀態(tài)。
（1）當(dāng)夾緊油缸處于保壓位置時(shí)此時(shí)電磁球閥應(yīng)在常態(tài)位置，蓄能器的油液與夾緊油缸聯(lián)通。
（2）當(dāng)夾緊油缸處于工作位置 1 或者工作位置 2 是電磁球閥應(yīng)在工作位置，蓄能器的油液與夾緊油缸斷開(kāi)。
3.1.3 Z 軸運(yùn)行過(guò)程
Z 軸采用夾緊裝置 A，對(duì)水平安裝在 Z1、Z2 軸小拖板上的鋼導(dǎo)軌進(jìn)行夾緊，夾緊油路中的選用的控制元件是 D 型電磁換向閥。通常機(jī)床工作時(shí)，液壓夾緊油路為以下 2 種狀態(tài)。
（1）壓力油經(jīng)閥塊→減壓閥→電磁換向閥（電磁換向閥在常態(tài)位置為油缸進(jìn)油夾緊狀態(tài)）→雙單向節(jié)流閥→雙液控單向閥（液壓鎖）→壓力開(kāi)關(guān)→管路→ Z 軸鑲條、壓板中的夾緊裝置 A 進(jìn)油口，推動(dòng)活塞伸出實(shí)現(xiàn)對(duì) Z 軸夾緊導(dǎo)軌的夾緊功能。
（2）液壓油經(jīng)夾緊裝置油口→管路→壓力開(kāi)關(guān)→雙單向節(jié)流閥→電磁換向閥（電磁換向閥在工作位置為油缸排油松開(kāi)狀態(tài)）→閥板排入油箱實(shí)現(xiàn) Z 軸松開(kāi)功能。
3.1.4 V1 軸運(yùn)行過(guò)程
V1 軸夾緊采用的是液壓夾緊裝置 A 和液壓夾緊裝置 B 的混合夾緊裝置。夾緊油路中的選用的控制元件是 D 型電磁換向閥。機(jī)床工作時(shí)夾緊油路分為以下 2 種通路狀態(tài)。
（1）電磁換向閥在常態(tài)位置為油缸進(jìn)油夾緊狀態(tài)，壓力油經(jīng)閥塊→減壓閥→電磁換向閥→雙單向節(jié)流閥→壓力開(kāi)關(guān)→管路→夾緊裝置油口進(jìn)入夾緊油缸實(shí)現(xiàn) V1 軸夾緊功能。
（2）電磁換向閥在工作位置為油缸排油松開(kāi)狀態(tài)，液壓油經(jīng)由夾緊裝置油口→管路→壓力開(kāi)關(guān)→雙單向節(jié)流閥→電磁換向閥→閥板排入油箱實(shí)現(xiàn) V1 軸松開(kāi)功能。
綜上所述，在機(jī)床切削加工時(shí)可以對(duì)機(jī)床的各坐標(biāo)軸進(jìn)行鎖緊加固，達(dá)到坐標(biāo)軸剛性增強(qiáng)的效果，大幅提升加工穩(wěn)定可靠性，保證加工精度和光潔度。
3.2 液壓夾緊裝置結(jié)構(gòu)
落地式側(cè)掛箱結(jié)構(gòu)下的液壓夾緊裝置 A、B是兩種不同結(jié)構(gòu)的液壓油缸（圖 1），是根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能需要特設(shè)計(jì)的專(zhuān)用油缸，通過(guò)靈活的擴(kuò)展應(yīng)用這幾種結(jié)構(gòu)的液壓夾緊裝置，坐標(biāo)軸剛性輔助增強(qiáng)技術(shù)可應(yīng)用到臥式、橋式等更多結(jié)構(gòu)機(jī)床中。
（1）液壓夾緊裝置 A（圖 2a），是一種直線運(yùn)動(dòng)快速夾緊裝置，其主要原理是通過(guò)機(jī)床直線運(yùn)動(dòng)液壓夾緊裝置對(duì)各移動(dòng)軸進(jìn)行液壓鎖緊，增加移動(dòng)軸在鉆削時(shí)的剛性。這種液壓夾緊裝置直接安裝在移動(dòng)部件的鑲條和壓板內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上不受過(guò)多限制，具有節(jié)省空間、夾緊力大、夾緊可靠、松開(kāi)方便、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。總夾緊力大小可以通過(guò)設(shè)置液壓系統(tǒng)壓力或增減夾緊活塞數(shù)量設(shè)定。液壓夾緊裝置 A中的夾緊活塞與活塞腔設(shè)計(jì)在運(yùn)動(dòng)部件導(dǎo)軌壓板內(nèi)，液壓油通過(guò)進(jìn)油口進(jìn)入活塞腔，推動(dòng)夾緊活塞產(chǎn)生微量位移，與導(dǎo)軌之間產(chǎn)生摩擦力，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的夾緊。夾緊活塞結(jié)構(gòu)是由壓塊和橡膠活塞圈組成，其中壓塊的材質(zhì)選用銅合金，并采用熱處理工藝提升金屬性能，保證壓塊既耐磨又具有足夠的剛度，活塞橡膠圈的材質(zhì)選用丁晴橡膠，可保證活塞腔的密封性，沒(méi)有泄漏。
1.夾緊活塞；2. 活塞腔；3.導(dǎo)軌壓板；4. 進(jìn)、出油口；
5. 壓塊；6. 橡膠活塞圈；7.拖板；8. 活塞；9. 壓塊；
10. 進(jìn)油口；11.夾緊導(dǎo)軌
圖 2 夾緊裝置示意
（2）夾緊裝置 B（圖 2b）是一種單作用夾緊油缸，其主要原理是通過(guò)液壓油推動(dòng)活塞，隨后活塞受力收縮，活塞帶動(dòng)壓塊作用在夾緊導(dǎo)軌上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì) V 軸的鎖緊動(dòng)作，增加 V 軸在鉆削時(shí)的剛性。當(dāng)需要移動(dòng)軸進(jìn)行位移動(dòng)作時(shí)，油缸泄壓，活塞帶動(dòng)壓塊從夾緊導(dǎo)軌上松開(kāi)。
4. 壓力計(jì)算
式中，F(xiàn)2 為活塞桿縮回時(shí)的理論推力，N;A2圖 3 活塞桿伸縮示意為液壓缸有桿側(cè)有效面積，m2;d 為活塞有效面積，m2。
圖 3 活塞桿伸縮示意
5. 結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，坐標(biāo)軸剛性輔助增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用，能夠分散傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在加工時(shí)的受力，將力直接傳遞給機(jī)床主體，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)得到釋放，從而保證各軸具有較高的傳動(dòng)剛性，可大幅提高機(jī)床剛性，使加工時(shí)更穩(wěn)定，安全可靠，并提升切削精度，解決某些零件由于材料復(fù)雜、硬度高導(dǎo)致的鉆削振動(dòng)問(wèn)題，此技術(shù)同樣可拓展應(yīng)用在類(lèi)似結(jié)構(gòu)機(jī)床上，也是提升類(lèi)似結(jié)構(gòu)機(jī)床精度和穩(wěn)定性的一種重要方法，具有重要的意義。
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