车床设计和动态特点分析

　从航空航天到医疗器械，微小型零件的使用越来越广泛。随着产品微型化和小型化的发展，微小型复杂、异型、高强度、多尺度金属结构件的加工对微细加工技术提出了更高的要求。传统的光刻技术、超薄膜成形技术、电火花加工技术、离子注入加工技术等特种加工技术主要集中在生产二维和三维结构件，在加工效率、加工质量及材料多样性方面表现出不足，而采用常规机床进行三维微小零件加工的方式，虽然在一定程度上解决了加工质量和使用多种材料的问题，但该方法能耗大、生产效率低、机床价格昂贵、占用空间大，不适合现代加工对于快速响应和灵活性高的要求［1－2］。
　
　从20世纪90年代开始，日本、欧盟、美国等发达国家相继开展了微型机床系统的研究和开发，国内外进行的研究主要问题集中在过于追求加工设备的小型化，加工精度较低，没有开展微细加工机理的研究，但是它证明了微型机床的可行性［3－6］。
　
　1微小车床总体方案设计
　
　文中所设计微小车床主要实现微小轴的外圆加工。通过对国内外相关领域研究成果的总结，提出机床设计的相关指标如下:外形尺寸:400mm×300mm×300mm;机床质量:40kg;零件特征:直径0．5～5mm，长度L≤50mm;加工材料:45钢;表面粗糙度:Ra1．6μm;尺寸精度:±2．5mm。所设计的微小车床采用T形结构布局，即在床身上放置横、纵向导轨，横向导轨上放置主轴系统，纵向导轨上放置刀架系统，采用横、纵向分离运动。主要由以下几部分构成:
　
　(1)主轴系统。主轴是使工件实现高速旋转的部件，电主轴具有结构紧凑、质量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，可以实现动力源对主轴的直接传动。选用电主轴作为动力元件，根据负载和转矩都较小的特点，确定电主轴的功率高于150W就可以满足切削，为了将工件的尺寸精度控制在2．5μm以内，主轴的跳动量要低于2μm，选用JAGER公司生产的电主轴，其外径为33mm，长度153mm，最高转速60000r/min，功率180W，主轴跳动量小于1μm。
　
　(2)进给系统。在加工微小零件时的进给率很低，工作台的进给速度有时低至0．06m/min，且在低速下要保持进给速度的平稳，提供足够的伺服刚度。同时考虑到成本、环境等多重因素的影响，采用伺服电机+滚珠丝杠的驱动方式。文中导轨及滚珠丝杠分别选用THK公司提供的公称型号为SHS15V的直线滚动导轨，以及公称型号为BNK1002－3RRGO+243LC5Y的滚珠丝杠。
　
　(3)辅助系统。文中的微小车床主要用于实现车削轴外圆，工件尺寸为:长度L≤50mm，直径0．5～5mm。加工这种细长轴的小型零件，即使在很小的车削力作用下，也会有相对较大的变形。所以，为了减小或防止工件的变形，设计了中心架结构，并将其置于横向导轨与纵向导轨之间。
　
　(4)隔振系统。文中的高速微小车床设置有两级减振，首先微小车床安装于大理石工作台上，可以吸收加工时产生的振动，其次将整体结构放置于减振平台上以降低外部振源对车床影响。选用minusk公司的BM－1的机械弹簧减振平台，其可以更好地降低振动频率，减少气浮减振平台时的噪声，自动检测力和振动及调节实现主动减振，分别为减振平台减振原理图和传递率及频率关系的实验曲线图。
　

　2微小车床整体性能分析
　
　2．1车床整体振动性能分析机床的振动性能对机床的整体加工能力和加工精度有很大的影响。微小机床系统刚度和质量较小会导致相对较大的振动响应，所以需要对机床本身的振动特性进行分析，图4是建立的机床振动系统模型［7－8］。由图4可知，机床结构主要有两部分对整机动态性能影响较大:第一部分是主轴系统，第二部分是中心架机构及刀架系统。主轴的跳动引起系统的激励，是激励源又是直接受振部件，同时主轴直接夹持工件，振动经由工作台传至刀具，引起刀具和工件间的运动误差，大理石的吸振性能可以很好地减少两者之间振动，在电主轴和电主轴夹具之间放入减振橡胶以达到同样效果。中心架作用是支撑不同工件，以减少工件的加工变形。而为了增加车床的功能，实现车床模块化，刀架系统作为一个模块安装于底座上，因此中心架和刀架系统动态性能的好坏直接影响微小车床的加工精度。
　
　2．2电主轴的谐响应分析激振力Fc=2.46N，主轴前端、转子中部、后端在1阶固有频率附近的谐响应位移如图5～图7所示。由图5～7可以很明显地看出，在接近1阶固有频率时，主轴各部位的位移急剧上升，在3682Hz时，主轴前端的变形达到最大，位移量为0．35mm，主轴转子中部位置的最大位移为0．0013mm，主轴后端部的最大位移为0．0026mm。而过了3682Hz之后，主轴各部位的位移又开始急剧下降，最后趋于平稳。由此可知，一旦发生共振，主轴前端将会受到严重的变形，并将严重影响主轴的动态特性，也将影响工件的加工精度。
　
　2．3中心架的优化设计工件支撑中心架主要实现对工件加工端的支撑，实现长轴类零件的分段加工，它在加工时受到切削力的作用和加工过程中产生的振动。因此需要中心架的固有频率高，以便可以避开工作时电主轴、刀架产生的振动频率。通过分析得到产生振动的主要原因是由于上部的空心结构。优化方向主要是减小上部空心结构体积，兼顾减小结构质量。参照现有结构的形式，选用龙门式结构，龙门式结构刚度高、结构质量小，符合设计要求。表1对优化前后的固有频率进行对比，优化后各阶固有频率均有提高。在质量方面，优化前为4．562kg，优化后为4．061kg，质量下降了0．501kg。
　
　2．4微小车床的模态分析单独对机床某一部分进行动态分析并不能全面反映出微小车床的整体性能，为此将对微小车床进行整机分析，这样不仅可以得到机床单个零部件的动态性能，也可以得到机床整体的动态性能。在如实反映机床结构动态特性的前提下，对机床整体进行了一定简化，建立了有限元模型，图8为进行网格划分后的有限元模型。中在中心架机构上。第1阶振型显示中心架机构沿X轴偏转;第2阶、第3阶振型发生在Y向工作台的内部构件上;第4阶、第5阶振型发生在X向工作台的内部构件上;第6阶振型为Y向工作台翘曲变形，其变形更加严重。经过对频率表和振型图的分析，需要增强中心架机构的刚度，可以采用增加加强筋的方式。
　
　3结论
　
　提出一种多刀对称的车削方法来解决微小轴类零件加工时的让刀问题，完成了体积在400mm×300mm×300mm内的高速微型车床设计，该车床能够实现完成微小零件的车削外圆加工，提高加工效率和加工精度。在对电主轴谐响应分析的基础上，对车床各子系统的布局和设计进行了讨论，建立了三维实体模型和车床振动的理论模型，同时利用有限元分析软件对所设计机床的动态特性进行分析。