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      摘要：該項目是基于“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項課題而提出的，主要針對“高速化臥式加工中心機床X向防護罩”為研究方向。研究通過構(gòu)建理論模型、靜力學(xué)、動力學(xué)仿真分析并通過實驗驗證了方案的可行性，最終得出高速化臥式加工中心x向防護罩的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。
 
     關(guān)鍵詞：高速化臥式加工中心機床x向防護罩；理論模型；靜力學(xué)分析；動力學(xué)仿真分析
 
     高速導(dǎo)軌防護罩是高速機床不可缺少的組成部分，在保證數(shù)控機床高精度、高速度、低噪音方面起到重要作用。數(shù)控機床的高移動速度是機床發(fā)展的趨勢，國外機床的快移速度一般都在40—60∥min，加速度0．6—19，高的已達到90 In／min，加速度29。普通導(dǎo)軌防護罩已不能滿足機床高移動速度，高加、減速能力的要求，機床廠家對可滿足機床高移動速度，高加、減速能力的導(dǎo)軌防護罩部件的需求也越來越大。
 
     國際市場上只有中國臺灣、日本、德國等廠家生產(chǎn)高速自動伸縮式導(dǎo)軌防護罩，國內(nèi)現(xiàn)在多為進口。機床的發(fā)展方向是高速、精密、復(fù)合、智能、環(huán)保，防護罩作為機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。
 
      防護罩作為機床重要的功能部件，是阻礙我國數(shù)控機床向中高檔次發(fā)展的瓶頸之一，據(jù)了解，國內(nèi)機床配套防護罩廠家水平層次不齊，雖然能制作高速自動伸縮式導(dǎo)軌防護罩，但是大多做工質(zhì)量差、技術(shù)含量低，不能滿足數(shù)控機床廠家的使用要求，傳統(tǒng)的臥式加工中心X向防護罩是由左右兩組護罩組成，與主軸連接。安裝時因兩組護罩相互獨立使安裝誤差累積，從而導(dǎo)致護罩運行時不平行而造成結(jié)構(gòu)損壞，機床在高速運行下甚至可能被瞬間撞損而造成機械受損、工件受損、人員受傷。低速運行時，因護罩不平行而產(chǎn)生抖動，機床的精加工往往在低速狀態(tài)下完成，護罩的抖動會帶動主軸振動，從而導(dǎo)致主軸在精加工時使工件加工面產(chǎn)生花紋，從而影響工件的精度。漢川機床集團有限公司電控公司目前能設(shè)計動柱型臥式加工中心組合防護罩，將左右兩組護罩采用一體式設(shè)計，提高了安裝精度，但是運行速度不高，快移速度僅40 m／“n，不能滿足高速化的要求。國內(nèi)現(xiàn)在還沒有專業(yè)廠家生產(chǎn)這種為臥式加工中心配套的高速化x向防護罩，國內(nèi)機床廠多依賴進口，中外合資機床廠的外方也多將此防護罩作為較關(guān)鍵的技術(shù)和部件，由外方直接提供。
 
      我們正是從這點出發(fā)，為替代進口，在傳統(tǒng)組合式防護罩的基礎(chǔ)上著眼于降低安裝裝配難度，滿足更高速更高精度的機床需求。
 
 
     1、設(shè)計關(guān)鍵點控制
   
     臥式加工中心換刀機構(gòu)空間限制，x、y軸防護裝置Z軸方向的有效空間小，而受保護的面積較大接近8 m2，防護罩板型尺寸較大，長2．5 m，高3．2 m，在高速高加速狀態(tài)下運行，所承受的沖擊力較大，防護罩需要高剛性、高強度，才不會導(dǎo)致主體變形，而產(chǎn)生不平行、干涉等問題，才不會影響機床微小移動時的精度。在如此條件下采用何種方式的設(shè)計，才能夠解決防護問題。
   
      在開發(fā)方案、技術(shù)路線、采用現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)方法，進行高速防護裝置的設(shè)計，研究高速移動中特定桿及防護件結(jié)構(gòu)、材料性能等因素對防護裝置的運動性、防護性及環(huán)保的影響，建立實驗測試研究平臺，選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計，提高高速防護裝置的設(shè)計質(zhì)量，保證工件的加工精度，采用的總體技術(shù)路線，見圖1。
   
 

      圖1 技術(shù)路線圖
     
      1．1 材料選擇
   
     防護罩在高速高加速度引起的強度、共振下運行，要求防護罩主體材料剛性、強度足夠好，不易變形，保證運行的平穩(wěn)性。機床在高速移動下，啟動和剎車都需要較大的動力，這就要求護罩質(zhì)量輕，減小主軸運行時所承擔(dān)的負荷和護罩在啟動及剎車時所產(chǎn)生的慣性，從而避免共振的產(chǎn)生，保證機床的加工精度。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，可實現(xiàn)彎曲、折疊、卷邊和深拉結(jié)構(gòu)。
 
     1．2 護罩主體結(jié)構(gòu)設(shè)計
   
     將左右兩組防護罩結(jié)合為一體，采用裝框架式的門型對稱結(jié)構(gòu)，見圖2。左右兩組護罩結(jié)合為一體，減小組裝誤差使其在左右運動時能夠更平穩(wěn)更順暢地往復(fù)運動，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)將每片護罩包裹住，保證防護罩主體剛性，確保運行平行無脫開現(xiàn)象產(chǎn)生。機床軸加工行程1 100 mm，防護罩拉伸壓縮比達4：1，屬大行程護罩。護罩采用裝框架式的門型對稱結(jié)構(gòu)，板型大，中間空，強度和剛性弱。所以單節(jié)護罩設(shè)計時，在空間范圍內(nèi)允許的尺寸下結(jié)合折彎的工藝，多采用
折彎來增強強度和剛性。
 
     1．3直線導(dǎo)向機構(gòu)設(shè)計
 
     x向護罩外形尺寸大，質(zhì)量相應(yīng)較大，從而摩擦力和扭矩相應(yīng)也大。設(shè)計時采用上下兩組精密板式直線導(dǎo)軌組合運用，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向護罩可在高負載的情況下實現(xiàn)高精度的直線運動。與在精密機械等使用的傳統(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：
 
      (1)精密板式直線導(dǎo)軌的設(shè)計成本較低、裝配工時較省，能實現(xiàn)高精度的直線導(dǎo)向。
 
      (2)摩擦系數(shù)極小的鋼球循環(huán)型滑動裝置，可在長期間內(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
   
     目前常用的剪刀狀同步鉸鏈機構(gòu)裝置采用45號鋼作為鉸鏈片，將兩層鉸鏈片與鉸鏈定位銷和鉸鏈轉(zhuǎn)軸銷組合而成。這種方式的弊端在于鉸鏈片剛性和穩(wěn)定性不好，在高速運動狀態(tài)下易出現(xiàn)抖動，從而影響機床的加工精度。采用特殊結(jié)構(gòu)鋼作為鉸鏈片的原材料，保證鉸鏈片的強度和剛度，使剪刀狀同步鉸鏈機構(gòu)在往復(fù)運動50萬次后仍能保持原有功能，從而增加剪刀狀同步鉸鏈機構(gòu)的使用壽命。設(shè)計上鉸鏈片與鉸鏈銷軸肩有適當(dāng)間隙，保證剪刀狀同步鉸鏈機構(gòu)不壓死，運行靈活，軸向不竄動，使導(dǎo)軌防護罩在高速高加速度運行中穩(wěn)定不抖動。
   
     1．5 刮刷機構(gòu)設(shè)計
   
     (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，防護罩使用過程中噪聲值不得高于70 dB。
 
     (2)對于酸、堿、油性、水性、常用溶劑等切削液均適用。

     (3)使用后刮刷機構(gòu)的彈性要保持在原來的95％以上，使其能充分與護罩主體貼合，保證密封性能。
 
     (4)在使用壽命上，需能承受100∥min的高速移動下往復(fù)100 km，且能承受高速移動下摩擦產(chǎn)生的高溫。
 
     (5)刮刷機構(gòu)拆卸方便，便于更換。
   
     1．6 工藝展開設(shè)計
   
     每節(jié)護板采用門型對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，見圖3。板型大，中間空，強度和剛性弱。在工藝展開時需要充分考慮其結(jié)構(gòu)，利用能折邊不焊接的原則進行板材展開，展開時還需要充分考慮焊接的變形量，合理分布焊點，設(shè)計合理的焊接工裝進行定位焊接，保證焊接精度。
 
     1．7 靜力學(xué)分析、動力學(xué)仿真分析
   
     運用相關(guān)軟件進行靜力學(xué)分析與動力學(xué)仿真分析，獲得防護罩在靜態(tài)和動態(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)計參數(shù)，并對護罩進行優(yōu)化設(shè)計。見圖4，圖5。
  
   

  
  
     
  
     1．8 試驗檢測
   
    (1)刮刷結(jié)構(gòu)間隙檢測：①油檢，當(dāng)防護罩運行到最大限度時，在護板表面涂滿油使護罩來回運動一次，確認沒有漏油的地方。②鋼板尺檢測，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，用塞尺確認護板與刮刷結(jié)構(gòu)間的間隙不超過0．8 mm。
 
     (2)振動檢測：以1 m／min的移動速度安全行程運行中，目視確認蓋板與軸的方向前后不超過1 mm的振動。
 
     (3)噪聲檢測：防護罩在試驗臺中通過速度變化由1～60—n／IIlin連續(xù)運行24 h，速度在每間隔5個單位時用噪聲分貝測試儀測試噪聲值，在測試過程中，噪聲值均低于70 dB。
 
     (4)穩(wěn)定性試驗：試驗臺編入程序，速度為印∥“n，加速度lg，來回運動100 h，無異常狀況。
 
    (5)可靠性試驗：將防護罩裝入機床中進行500 h實際切削試驗，500 h切削后防護罩無異常狀況，拆開防護罩進行檢查，護罩內(nèi)部無切屑進入。
 
     2 、結(jié)語
   
    高速化臥式加工中心x向防護罩從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、直線導(dǎo)向機構(gòu)設(shè)計、同步鉸鏈機構(gòu)設(shè)計、刮刷機構(gòu)設(shè)計、工藝展開設(shè)計構(gòu)建理論模型，運用靜力學(xué)分析與動力學(xué)仿真分析，進行參數(shù)、結(jié)構(gòu)和工藝展開的優(yōu)化，制作樣機進行驗證，得出高速化臥式加工中心機床x向防護罩的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。滿足高速化、高精度化、高可靠性、復(fù)合化、智能化的臥式加工中心x向防護罩要求。