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       摘要：該項(xiàng)目是基于“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題而提出的，主要針對(duì)“高速化臥式加工中心機(jī)床X向防護(hù)罩”為研究方向。研究通過(guò)構(gòu)建理論模型、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真分析并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性，最終得出高速化臥式加工中心x向防護(hù)罩的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。
 
     關(guān)鍵詞：高速化臥式加工中心機(jī)床x向防護(hù)罩；理論模型；靜力學(xué)分析；動(dòng)力學(xué)仿真分析
 
      高速導(dǎo)軌防護(hù)罩是高速機(jī)床不可缺少的組成部分，在保證數(shù)控機(jī)床高精度、高速度、低噪音方面起到重要作用。數(shù)控機(jī)床的高移動(dòng)速度是機(jī)床發(fā)展的趨勢(shì)，國(guó)外機(jī)床的快移速度一般都在40—60∥min，加速度0．6—19，高的已達(dá)到90 In／min，加速度29。普通導(dǎo)軌防護(hù)罩已不能滿(mǎn)足機(jī)床高移動(dòng)速度，高加、減速能力的要求，機(jī)床廠家對(duì)可滿(mǎn)足機(jī)床高移動(dòng)速度，高加、減速能力的導(dǎo)軌防護(hù)罩部件的需求也越來(lái)越大。國(guó)際市場(chǎng)上只有中國(guó)臺(tái)灣、日本、德國(guó)等廠家生產(chǎn)高速自動(dòng)伸縮式導(dǎo)軌防護(hù)罩，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在多為進(jìn)口。機(jī)床的發(fā)展方向是高速、精密、復(fù)合、智能、環(huán)保，防護(hù)罩作為機(jī)床重要的功能部件之一，其發(fā)展也是向著高速度、低噪聲、長(zhǎng)壽命、節(jié)省空間和能源，適應(yīng)環(huán)境要求等以適應(yīng)主機(jī)的發(fā)展需要，在技術(shù)層面上主要表現(xiàn)在：高速化、組合化、節(jié)約化、環(huán)保化。
 
       防護(hù)罩作為機(jī)床重要的功能部件，是阻礙我國(guó)數(shù)控機(jī)床向中高檔次發(fā)展的瓶頸之一，據(jù)了解，國(guó)內(nèi)機(jī)床配套防護(hù)罩廠家水平層次不齊，雖然能制作高速自動(dòng)伸縮式導(dǎo)軌防護(hù)罩，但是大多做工質(zhì)量差、技術(shù)含量低，不能滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床廠家的使用要求，傳統(tǒng)的臥式加工中心X向防護(hù)罩是由左右兩組護(hù)罩組成，與主軸連接。安裝時(shí)因兩組護(hù)罩相互獨(dú)立使安裝誤差累積，從而導(dǎo)致護(hù)罩運(yùn)行時(shí)不平行而造成結(jié)構(gòu)損壞，機(jī)床在高速運(yùn)行下甚至可能被瞬間撞損而造成機(jī)械受損、工件受損、人員受傷。低速運(yùn)行時(shí)，因護(hù)罩不平行而產(chǎn)生抖動(dòng)，機(jī)床的精加工往往在低速狀態(tài)下完成，護(hù)罩的抖動(dòng)會(huì)帶動(dòng)主軸振動(dòng)，從而導(dǎo)致主軸在精加工時(shí)使工件加工面產(chǎn)生花紋，從而影響工件的精度。漢川機(jī)床集團(tuán)有限公司電控公司目前能設(shè)計(jì)動(dòng)柱型臥式加工中心組合防護(hù)罩，將左右兩組護(hù)罩采用一體式設(shè)計(jì)，提高了安裝精度，但是運(yùn)行速度不高，快移速度僅40 m／“n，不能滿(mǎn)足高速化的要求。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在還沒(méi)有專(zhuān)業(yè)廠家生產(chǎn)這種為臥式加工中心配套的高速化x向防護(hù)罩，國(guó)內(nèi)機(jī)床廠多依賴(lài)進(jìn)口，中外合資機(jī)床廠的外方也多將此防護(hù)罩作為較關(guān)鍵的技術(shù)和部件，由外方直接提供。我們正是從這點(diǎn)出發(fā)，為替代進(jìn)口，在傳統(tǒng)組合式防護(hù)罩的基礎(chǔ)上著眼于降低安裝裝配難度，滿(mǎn)足更高速更高精度的機(jī)床需求。
   
      1、設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)控制
 
      臥式加工中心換刀機(jī)構(gòu)空間限制，x、y軸防護(hù)裝置Z軸方向的有效空間小，而受保護(hù)的面積較大接近8 m2，防護(hù)罩板型尺寸較大，長(zhǎng)2．5 m，高3．2 m，在高速高加速狀態(tài)下運(yùn)行，所承受的沖擊力較大，防護(hù)罩需要高剛性、高強(qiáng)度，才不會(huì)導(dǎo)致主體變形，而產(chǎn)生不平行、干涉等問(wèn)題，才不會(huì)影響機(jī)床微小移動(dòng)時(shí)的精度。在如此條件下采用何種方式的設(shè)計(jì)，才能夠解決防護(hù)問(wèn)題。
 
      在開(kāi)發(fā)方案、技術(shù)路線、采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)方法，進(jìn)行高速防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，研究高速移動(dòng)中特定桿及防護(hù)件結(jié)構(gòu)、材料性能等因素對(duì)防護(hù)裝置的運(yùn)動(dòng)性、防護(hù)性及環(huán)保的影響，建立實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究平臺(tái)，選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高高速防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)質(zhì)量，保證工件的加工精度，采用的總體技術(shù)路線，見(jiàn)圖1。
 

      圖1技術(shù)路線圖
   
      1．1材料選擇
 
      防護(hù)罩在高速高加速度引起的強(qiáng)度、共振下運(yùn)行，要求防護(hù)罩主體材料剛性、強(qiáng)度足夠好，不易變形，保證運(yùn)行的平穩(wěn)性。機(jī)床在高速移動(dòng)下，啟動(dòng)和剎車(chē)都需要較大的動(dòng)力，這就要求護(hù)罩質(zhì)量輕，減小主軸運(yùn)行時(shí)所承擔(dān)的負(fù)荷和護(hù)罩在啟動(dòng)及剎車(chē)時(shí)所產(chǎn)生的慣性，從而避免共振的產(chǎn)生，保證機(jī)床的加工精度。43l不銹鋼板材除具有良好的剛性、硬度、防銹性，還具有良好的加工性能：①薄板構(gòu)件重量輕；②形狀規(guī)范，易于裁剪、焊接，可制造大而復(fù)雜的構(gòu)件；③加工量小，由于薄板表面質(zhì)量高，厚度尺寸均勻誤差小，板面不需加工；④易成型，可實(shí)現(xiàn)彎曲、折疊、卷邊和深拉結(jié)構(gòu)。
 
     1．2護(hù)罩主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
   
     將左右兩組防護(hù)罩結(jié)合為一體，采用裝框架式的門(mén)型對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。左右兩組護(hù)罩結(jié)合為一體，減小組裝誤差使其在左右運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠更平穩(wěn)更順暢地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一體式結(jié)構(gòu)防屑性及防水性較佳與鈑金外罩搭配容易。裝框架式結(jié)構(gòu)將每片護(hù)罩包裹住，保證防護(hù)罩主體剛性，確保運(yùn)行平行無(wú)脫開(kāi)現(xiàn)象產(chǎn)生。機(jī)床x軸加工行程1 100 mm，防護(hù)罩拉伸壓縮比達(dá)4：1，屬大行程護(hù)罩。護(hù)罩采用裝框架式的門(mén)型對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，板型大，中間空，強(qiáng)度和剛性弱。所以單節(jié)護(hù)罩設(shè)計(jì)時(shí)，在空間范圍內(nèi)允許的尺寸下結(jié)合折彎的工藝，多采用折彎來(lái)增強(qiáng)強(qiáng)度和剛性。
 
     1．3直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
 
     x向護(hù)罩外形尺寸大，質(zhì)量相應(yīng)較大，從而摩擦力和扭矩相應(yīng)也大。設(shè)計(jì)時(shí)采用上下兩組精密板式直線導(dǎo)軌組合運(yùn)用，上板式直線導(dǎo)軌承擔(dān)扭矩，下板式直線導(dǎo)軌直線導(dǎo)向，使x向護(hù)罩可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動(dòng)。與在精密機(jī)械等使用的傳統(tǒng)微型滾珠軸承相比，精密板式直線導(dǎo)軌還具有如下特點(diǎn)：
 
     (1)精密板式直線導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)成本較低、裝配工時(shí)較省，能實(shí)現(xiàn)高精度的直線導(dǎo)向。
 
     (2)摩擦系數(shù)極小的鋼球循環(huán)型滑動(dòng)裝置，可在長(zhǎng)期間內(nèi)維持穩(wěn)定性能。
 
     (3)外側(cè)軌道和內(nèi)滑塊均由最薄的不銹鋼板制造。
 
     (4)由于精密板式直線導(dǎo)軌重量較輕，因此慣性力矩小并具有優(yōu)異的高速應(yīng)答性。
 
     1．4同步鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
 
     目前常用的剪刀狀同步鉸鏈機(jī)構(gòu)裝置采用45號(hào)鋼作為鉸鏈片，將兩層鉸鏈片與鉸鏈定位銷(xiāo)和鉸鏈轉(zhuǎn)軸銷(xiāo)組合而成。這種方式的弊端在于鉸鏈片剛性和穩(wěn)定性不好，在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下易出現(xiàn)抖動(dòng)，從而影響機(jī)床的加工精度。采用特殊結(jié)構(gòu)鋼作為鉸鏈片的原材料，保證鉸鏈片的強(qiáng)度和剛度，使剪刀狀同步鉸鏈機(jī)構(gòu)在往復(fù)運(yùn)動(dòng)50萬(wàn)次后仍能保持原有功能，從而增加剪刀狀同步鉸鏈機(jī)構(gòu)的使用壽命。設(shè)計(jì)上鉸鏈片與鉸鏈銷(xiāo)軸肩有適當(dāng)間隙，保證剪刀狀同步鉸鏈機(jī)構(gòu)不壓死，運(yùn)行靈活，軸向不竄動(dòng)，使導(dǎo)軌防護(hù)罩在高速高加速度運(yùn)行中穩(wěn)定不抖動(dòng)。
 
     1．5刮刷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
 
     (1)需要有足夠的刮屑能力、良好的密封性、耐磨且摩擦系數(shù)小，防護(hù)罩使用過(guò)程中噪聲值不得高于70 dB。
     (2)對(duì)于酸、堿、油性、水性、常用溶劑等切削液均適用。
     (3)使用后刮刷機(jī)構(gòu)的彈性要保持在原來(lái)的95％以上，使其能充分與護(hù)罩主體貼合，保證密封性能。
     (4)在使用壽命上，需能承受100∥min的高速移動(dòng)下往復(fù)100 km，且能承受高速移動(dòng)下摩擦產(chǎn)生的高溫。
     (5)刮刷機(jī)構(gòu)拆卸方便，便于更換。
 
     1．6工藝展開(kāi)設(shè)計(jì)
 
    每節(jié)護(hù)板采用門(mén)型對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖3。板型大，中間空，強(qiáng)度和剛性弱。在工藝展開(kāi)時(shí)需要充分考慮其結(jié)構(gòu)，利用能折邊不焊接的原則進(jìn)行板材展開(kāi)，展開(kāi)時(shí)還需要充分考慮焊接的變形量，合理分布焊點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的焊接工裝進(jìn)行定位焊接，保證焊接精度。
 
    1．7靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)仿真分析
 
    運(yùn)用相關(guān)軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析與動(dòng)力學(xué)仿真分析，獲得防護(hù)罩在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下的力學(xué)分布規(guī)律，結(jié)合二者的規(guī)律，得出適合二者的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并對(duì)護(hù)罩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。見(jiàn)圖4，圖5。
  

      
     圖2 z向防護(hù)罩結(jié)構(gòu)圖                            圖3單節(jié)護(hù)罩結(jié)構(gòu)圖

     1．8試驗(yàn)檢測(cè)
   
     (1)刮刷結(jié)構(gòu)間隙檢測(cè)：①油檢，當(dāng)防護(hù)罩運(yùn)行到最大限度時(shí)，在護(hù)板表面涂滿(mǎn)油使護(hù)罩來(lái)回運(yùn)動(dòng)一次，確認(rèn)沒(méi)有漏油的地方。②鋼板尺檢測(cè)，每段順著行程方向，每100 mm間隔一次，與軸垂直的方向間隔100mm，用塞尺確認(rèn)護(hù)板與刮刷結(jié)構(gòu)間的間隙不超過(guò)0．8 mm。
 
     (2)振動(dòng)檢測(cè)：以1 m／min的移動(dòng)速度安全行程運(yùn)行中，目視確認(rèn)蓋板與軸的方向前后不超過(guò)1 mm的振動(dòng)。
 
    (3)噪聲檢測(cè)：防護(hù)罩在試驗(yàn)臺(tái)中通過(guò)速度變化由1～60—n／IIlin連續(xù)運(yùn)行24 h，速度在每間隔5個(gè)單位時(shí)用噪聲分貝測(cè)試儀測(cè)試噪聲值，在測(cè)試過(guò)程中，噪聲值均低于70 dB。
 
    (4)穩(wěn)定性試驗(yàn)：試驗(yàn)臺(tái)編入程序，速度為印∥“n，加速度lg，來(lái)回運(yùn)動(dòng)100 h，無(wú)異常狀況。
 
    (5)可靠性試驗(yàn)：將防護(hù)罩裝入機(jī)床中進(jìn)行500 h實(shí)際切削試驗(yàn)，500 h切削后防護(hù)罩無(wú)異常狀況，拆開(kāi)防護(hù)罩進(jìn)行檢查，護(hù)罩內(nèi)部無(wú)切屑進(jìn)入。
   
    2、結(jié)語(yǔ)
 
    高速化臥式加工中心x向防護(hù)罩從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、同步鉸鏈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、刮刷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝展開(kāi)設(shè)計(jì)構(gòu)建理論模型，運(yùn)用靜力學(xué)分析與動(dòng)力學(xué)仿真分析，進(jìn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)和工藝展開(kāi)的優(yōu)化，制作樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，得出高速化臥式加工中心機(jī)床x向防護(hù)罩的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。滿(mǎn)足高速化、高精度化、高可靠性、復(fù)合化、智能化的臥式加工中心x向防護(hù)罩要求。