3 课题“精密卧式加工中心设计制造关键技术”中, 所研制的卧式加工中心 M /800H 样机性能指标: 主轴最高转速 12 000 r / min,直线坐标定位精度 0. 003 mm,重复定位精度 0. 0 015 mm,转台定位精度 3″,重复定位精度 1. 5″。其中,机床的精密装配技术成为必不可少的关键研究内容。M /800H 卧式加工中心的整机装配可以划分为: 移动部件装配、主轴单元部件装配、数控转台部件装配、固定结合面装配等,以下进行部分 介绍。
1 移动部件导轨装配技术
高精度卧式加工中心的移动部件导轨结合部的装 配精度对机床的定位、重复定位精度及机床加工精度
具有重要的影响。目前,国内外的通用方法仍然是通过导轨基面刮研方式,来保证导轨副的装配精度。在实践中发现,尽管导轨基面可以达到很高的刮研精度, 但导轨装配后的几何精度不一定会提高,这是由于导轨的误差、大件的结构、刚度等综合因素造成了导轨装配后的结构变形,同样,移动部件在机床上装配后,由于移动部件的重量、大件刮研时的放置方向与部件装配后工作方向的差异,也会导致整机与关键部件的结构变形,进而影响直线坐标的精度,达不到机床精度要求。为解决这一问题,在 M /800H 高精度卧式加工中心装配中,基于对装配过程的静力学仿真,得到 X、Y 和 Z 三组导轨每个装配步骤的静变形规律,确定导轨面各点综合变形值。对比装配前部件变形误差和整机装配后的变形误差,利用反变形原理,修正导轨安装基面,以提高直线移动部件的几何精度和运动精度[1-2]。
1. 1 导轨基面修正方法
精密卧式加工中心的 X、Y 和 Z 三向导轨分别安装在立柱、溜板和床身上,实际刮研调整时,立柱、溜板和床身平放在地面或垫铁上,对床身来说,调整时的重力方向和工作状态下的重力方向相同,但是,对于立柱和溜板来说,调整时的重力方向与工作状态下的重力方向不同。设移动部件在导轨上的行程为 S,将该行程均分为 n 段,则应计算的变形节点位置有 n + 1 个, 记每个装配状态下各个节点位置的导轨变形为 δi ,其
中 i = 1,2,3,…,n+1,m = 0,1,2,3,4,5,表示各装配步骤。对X、Y 导轨,调整时重力作用下的变形和工作状态下的变形不同,设在实际调整状态下,导轨面的重力变形为 δ'i ,直线度设计要求为 δ,则 X、Y 导轨安装面修正后的调整量应为:
δ = δ5 +δ0 -δ
ai i i
对于 Z 向导轨,调整方向的重力和工作状态下的重力方向相同,δ0 = 0。
1. 2 导轨静变形仿真分析方法
使用软件 Creo 2. 0 建立整机大件的三维模型,并对结构进行简化。固定结合面主要是螺栓连接结合 部,在进行等效时,选定螺栓连接处作为等效结合点, 并对两个结合点建立三向刚度关系。等效方式如图1a 所示。滑动结合面主要包括滚动直线导轨—滑块结合面,进行等效时,在导轨和滑块上对应位置设置等效结合点,对两个结合点建立两向刚度,等效方式如图1b 所示。各结合面结合点的等效刚度值,如表 1 所示。
考虑在重力作用下,精密卧式加工中心装配过程中的导轨偏差传递与积累规律[3]。该精密卧式加工中心床身采用三点支撑方式,对床身三个支撑面施加全约束,床身-立柱结合面,导轨- 滑块结合面等均通过创建结合点施加刚度来进行等效处理。施加载荷时,全局沿-Y 向施加重力载荷( 加速度为 9 800 mm / s2 ) 。在进行有限元仿真时,按 照“床身—立柱—溜板—主轴箱—工作台”的装配序列进行,如表 2 所示。
对各个装配状态进行静力学仿真,并提取导轨法向的静变形误差运用 Matlab 软件进行画图,得出不同装配状态下的各向导轨静变形曲线。从而根据反变形 原理,对三向导轨的刮研面进行刮研调整。
1. 3 各向导轨刮研调整前后的误差
( 1) X 向导轨
通过静力学分析仿真,对 X 向导轨进行刮研调整。各装配状态下,调整前和调整后的直线度误差和角度误差如图 2 所示。从图中可以看出,调整前最终直线度误差为 13. 16 μm,最大角度误差为 0. 015 μm / mm; 按照导轨面反变形调整方法,调整后的直线度误差最终减小为 4. 49 μm,最大角度误差减小为 0. 008μm / mm,符合设计要求。
( 2) Y 向导轨
同理可得,Y 向导轨各装配状态下,调整前和调整后的直线度误差如图 3 所示。从图中可以看出,调整前最终直线度误差为 63. 1 μm,直线度误差随着装配过程逐渐增加,最大角度误差为 0. 045 μm / mm; 调整后的直线度误差最终减小为 5. 000 μm,角度误差减小为 0. 002 μm / mm,符合设计要求。
( 3) Z 向导轨
同理可得,Z 向导轨各装配状态下,调整前和调整后的直线度误差如图 4 所示。从图中可以看出,调整前最终直线度误差为 6. 57 μm,直线度误差随着装配过程逐渐增加,调整后的直线度误差为 5. 000 μm,角度误差与调整前相比,略有减小,且最大角度偏差为0. 01 μm / mm,符合设计要求。
1 主轴单元部件的装配技术
主轴单元部件是高精度卧式加工中心的关键部 件之一。其静动态精度是机床实现高精度的基础条 件。M / 800H 卧式加工中心采用了内装主轴驱动电动机后置式分体主轴单元,见图 5。相比传统的内装电动机主轴单元,电动机热量、振动被有效隔离。刀 具主轴轴承采用定位预紧,以保持加工端的高刚度。驱动主轴轴承采用定压预紧,以减小轴承发热。分体后,不仅要考虑分体后的刀具轴端与驱动轴端两部分的装配,还要考虑把两部分装配成一个整体,因此增 加了装配难度。为保证装配质量,主要采用了以下工艺技术措施。
( 1) 主轴箱箱体的加工,前后配合孔的同轴度公差要在 0. 008 mm 以内,要求一次性加工完成,固定端面与孔的垂直度要在 0. 01 mm 以内,必要时进行刮研处理。
( 2) 预装检测。装配前要认真检测零件的清洁度,保证零件的清洁,避免异物混入; 使用检具及工装认真检测零件的尺寸及精度,保证各零件之间相互位置及配合关系的正确性。
( 3) 热装工艺。根据转速及配合直径,按设计要求控制合适的过盈量,然后进行热装,包括电动机转子 与转子套之间的热装、驱动主轴与转子- 转子套组件的热装、反馈环支架与反馈元件的热装、电动机定子与 冷却套之间的热装以及刀具主轴与轴承的热装。
( 4) 压装工艺。驱动主轴与前轴承的压装,刀具主轴与轴承座的压装等。
( 5) 插装工艺。刀具轴端与驱动轴端的插装、松拉刀杆前后两部分的插装。
( 6) 动平衡。包括刀具轴端的动平衡、驱动轴端的动平衡及总装完成后的动平衡。
2 数控转台部件装配技术
M /800H 卧式加工中心数控转台采用静压支撑力
矩电动机直接驱动,其结构见图 6。数控转台的装配关键: 保证静压轴承与回转部件之间的轴向间隙( 油膜厚度) 0. 02±0. 0 025 mm,径向间隙( 油膜厚度) 0. 02
~ 0. 025 mm,轴承配合表面的平面度 0. 005 mm,配合表面间的平行度 0. 005 mm; 回转零件之间的同轴度
≤0. 005 mm; 密封完好,内部循环液压介质不准泄露,外部异物不准进入转台内部; 夹持机构的夹紧松开对数控转台的精度影响很小或没有影响。为此,主要采 取了以下工艺技术措施。
( 1) 预装检测。装配前认真检测零件的清洁度, 保证零件的清洁,避免异物混入。使用检具及工装认 真检测零件的尺寸及精度,保证各零件之间相互位置 及配合关系的正确性。
( 2) 检测轴承内孔尺寸,配磨与轴承配合的转盘外圆表面,保证与轴承的径向配合间隙 0. 02 mm。检测轴承的轴向尺寸,刮研电动机转子支架与轴承的配合面,保证与轴承的轴向配合间隙 0. 02 ~ 0. 025 mm。
( 3) 以转台基座底孔为统一的装配基准,依次对电动机定子装配和接油盒装配、静压轴承安装座装配、 静压轴承装配进行同轴度找正定位,然后依次对电动 机定子、接油盒和静压轴承安装座进行装配。
( 4) 对静压轴承进行预装配,在静压轴承固定到安装座后,应检查静压轴承上表面的平面度≤0. 005 mm, 必要时对安装座安装面进行刮研处理。
( 5) 把静压轴承装入转盘与转子支架之间,并把转子固定在转子支架上,形成回转组件,通过轴承与其 安装座之间的固定连接一起装入基座上。装配完成后,进行通油检查,检查转盘及其固定件回转是否灵活,无阻滞现象,回油是否通畅,密封是否完好。
( 6) 夹持机构固定在安装座上,然后与基座装配固定后,在保证静压轴承通油的同时,夹持机构通油进 行夹紧,松开安装座与基座之间的固定螺栓,进行自适 应浮动找正,螺栓拧紧,通过多次调整,使转台回转径 向跳动量达到最小。
结语
高精度卧式加工中心的装配质量,是保证机床整机性能质量的关键。M /800H 高精度卧式加工中心通过装配工艺技术的研究,严格控制机床的装配质量,取 得了较好的效果,达到了机床的设计要求。本文以 M /800H 高精度卧式加工中心为例,对移动部件导轨装配、主轴单元装配、数控转台的装配工艺技术进行了介 绍,对今后深入研究高精度机床的精密装配技术具有一定的借鉴作用。
2021-09
星瀚系列是宇匠数控打造的颠覆性产品,在高精度加工的情况下保证高速、高刚的特性,是真正意义的高速加工中心,其性能及质量可媲美进口高速加工中心。同时可配置超声波系统与石墨集尘系统,亦可运用在陶瓷等硬脆料、石墨等高粉尘料的加工;… [了解更多]
2021-09
星瀚S系列是宇匠数控打造的颠覆性产品,采用全闭环设计,在高精度加工的情况下保证高速、高刚的特性,是真正意义的高速加工中心,其性能及质量可媲美进口高速加工中心。同时可配置超声波系统与石墨集尘系统,亦可运用在陶瓷等硬脆料、石墨等高粉尘料的加工;… [了解更多]
2021-09
TC系列超声波陶瓷雕铣机,是利用了超声波高频振动原理作用于刀具,使刀具产生了16KHz-40KHz(每秒16000-40000次)的连续高强度脉冲冲击,带动磨头冲击工作。当工件的局部应力远远超过材料脆裂极限,材料局部破碎去除。 适用范围 特别适用于陶瓷(氧化锆、氧化铝、氮化铝… [了解更多]
2020-10
1 问题的提出数控加工夹具是数控CNC机械制造加工过程中用来 固定加工对象,使之占有正确的位置,以满足加工工艺条件、迅速、方便、安全地安装工件的装置。夹具通常由定位元件、夹紧装置 、对刀引导元件、分度装置、连接元件及夹具体等组成[1]。图1所示零件是应用于系列矿用防爆电器产品上的… [了解更多]