车铣复合加工中心B轴动力刀架的研究与设计

发布时间：2020-07-09 09:06

【摘要】：在航空航天、船舶动力、医疗器械等领域,多斜孔、复杂空间曲面的加工需求日益剧增。车铣复合加工技术在高精密机械加工领域占有举足轻重的地位,其所配置的B轴动力刀架可以有效地解决产品精度要求高、曲面加工复杂等问题。因此,在数控车铣复合加工技术国产化的道路中对B轴动力刀架的研究意义重大。本文从车铣复合加工中心坐标变换的基本原理出发,在研究动力刀架位姿变化的基础上,研究并设计一种新型的B轴动力刀架,主要研究内容如下:1、研究B轴动力刀架运动轨迹的插补方法及机床坐标变换,结合D-H法建立其运动学数学模型,并进一步分析B轴动力刀架在工作过程中的实际受力情况,建立动力学模型,为动力刀架的设计提供理论基础。2、设计一种新型B轴动力刀架结构,实现车刀盘和铣削摆臂的一体化设计,且能安装刀具数量达到12把及以上,B轴在360°范围内回转,能在一次装夹中完成多种工艺的加工。刀架的主要技术指标达到并部分超过国内同类产品。3、利用MATALB软件对动力刀架给定工作下的运动轨迹进行仿真分析,从云图确定动力刀架的合理运动范围,联合ADAMS仿真分析软件完成运动学仿真分析,得到在加工时刀具的运动云图,验证动力刀架在加工过程中的位姿姿态和平稳性。进一步采用ANSYS workbench仿真分析软件对B轴进行仿真及优化分析,对分析后出现的薄弱环节进行加固处理,以提高机床的动态特性。4、为提高动力刀架的动态特性,需要分析直驱摆头力矩电机特性参数,利用MATLAB中Simulink仿真分析模块对力矩电机的起动过程建立仿真模型,结果验证交流力矩电机的相关参数符合刀架的设计要求。为分析不稳定负载和变化阻尼对系统的机电耦合振动特性的影响,进一步对动力刀架进行机电耦合振动特性研究,根据所建立的数学模型,完成动力刀架系统的机电耦合建模,仿真结果得出在0.1秒之内振动比较大,且负载的不稳定和阻尼的变化都会导致力矩电机的不稳定输出。为后续B轴动力刀架的研究奠定了基础。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG65
【图文】：

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以实现 C 轴圆周进给及 Z 轴直线进给，主轴转速范围为50r/min 5000r/min，左主轴功率为 11kW，右主轴功率为 5.5kW（张曙等，2014）。21 世纪初，车铣复合加工技术迈向了一个新的阶段，国外市场上的数控机床不仅可以集成车铣复合（乔保重，2011）、动力刀塔（张级可，2012）、线性马达（Guo J X，2009）等多种高端技术，而且自动对刀控制系统、高速度运转、高精度定位、温度补偿功能、高精度在线检测功能（曾志迎等，2011）、CAD/CAM自动编程功能（张伟，2008）等软硬件的高端技术在多种车铣复合加工中心上成功应用，将车铣复合加工技术推向了时代的前沿，如德玛吉森精机公司的 DMU系列，配置有 45°倾斜的数控摆动铣头，实现 A 轴和 B 轴的摆动运动，能在水平、垂直和倾斜位置工作实现五轴联动和五面加工，其铣削最大转速为 30r/min，车削最大转速为 800r/min，最大扭矩为 2050N m（Abderahim M，2000）。奥地利 WFL 公司机床产品采用的 840D 数控系统，对带 B 轴的车削加工、曲柄销铣削加工、曲轴加工、凸轮铣削加工和深孔钻孔加工的完成简单易行（Grotjahn M，2001）。如图 1-1 所示为国外知名厂家各类车铣复合加工中心。

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成都理工大学专业硕士学位论文虽然国内已有多家厂商具备车铣复合机床的加工能力，但还有很多关键技术仍为国家重大科技专向难题，比如直驱双摆头（Santosha K，2006）、直驱双回转台、数控系统（Tang G R，1992）、润滑技术（Zhang G P，2003）、冷却技术（ShafaA，1999）、动力接口座技术（魏传良，2016）、离合器技术（Matthew T G，2004等还有待研究与发展。在国内一些以合资、合作和引进新技术的公司对产品开发的关键技术虽然开始逐步应用，但至今没有突破性的发展（李登强，2011），比如电机内置的车铣主轴（Liu Y，2014）、单伺服动力刀塔（Morris R D，1993）、力矩电机直驱摆头技术（Pisette J，2005）等，这些技术都是从国外引进，并没有真正的实现国产化（李世杰，2007）。再者，国内数控系统的落后，技术的封锁，发展的缓慢，都不能快速响应市场需求，从而导致国内高端用户对车铣复合加工中心的需求基本上只能依赖于国外的进口（郭秀英，2015）。如图 1-2 所示为国内的各类加工中心。

间曲面等的加工，更使得机床整机结构得到的大大地简化，属于高端功能部件，应用在立式或卧式车铣复合加工机床上（乔保重等，2011）。但是这种伺服动力刀架的缺点是结构复杂，核心技术含量高，国内目前还达不到此种核心技术（张化锦，2010）。21 世纪初，随着对刀架刀具转速和刀座重复定位精度要求的提高，内置电主轴直驱动力刀具的刀架结构应运而生（孙长春，2012）。其中，著名的德国 Saute公司和德玛吉森精机公司在刀盘和刀座接口的关键性技术上首次采用 BMT 接口替代了以前的 VDI69880 接口（马仕龙，2010），用于提高重复定位精度，这种刀架刀具的转速可高达 10000r/min，不仅比原有的单伺服动力刀架结构简单，而且在转动速度、带载能力、可靠性和加工制造成本方面更胜一筹（王家兴等，2010）。目前这种单伺服动力刀架仅在国外有相对成熟的技术产品，在未来也将成为主流技术，我国也正处于积极研发的初步阶段，但是各方面性能和稳定性均低于国外产品（王恒等，2017）。如图 1-3 所示为两种动力刀架。

【参考文献】