桌面型增减材复合数控机床的结构设计 本文关键词：增减，结构设计，数控机床，复合，桌面
桌面型增减材复合数控机床的结构设计 本文简介：摘要：设计了一台基于三维打印与传统铣床加工技术互补且功能复合的桌面型增减材复合数控机床，对机床功能进行了分析，应用计算机辅助设计软件完成了机床建模，确定了主要参数。使用ANSYS软件对龙门架进行静力学分析，模拟机床关键部件在工作时的应力应变分布情况，为机床结构的进一步优化提供了理论依据。关键词：三维
桌面型增减材复合数控机床的结构设计 本文内容：
摘要：设计了一台基于三维打印与传统铣床加工技术互补且功能复合的桌面型增减材复合数控机床，对机床功能进行了分析，应用计算机辅助设计软件完成了机床建模，确定了主要参数。使用ANSYS软件对龙门架进行静力学分析，模拟机床关键部件在工作时的应力应变分布情况，为机床结构的进一步优化提供了理论依据。
关键词：三维打印;数控机床;设计;分析
为适应市场单件小批量、高响应性生产的需要，复合加工机床应运而生。复合加工机床具有较多优点，如工序集中、节省作业面积、减少机床和夹具数量、消除或减少工件重新安装定位次数、免去加工件搬运、提高加工精度、缩短加工周期等，是当今世界机床技术发展的潮流之一［1］。笔者设计了一台将三维打印技术与传统铣削加工进行技术互补和功能复合的桌面型机床。三维打印是一种面向个性化复杂产品加工的绿色制造技术，但目前用三维打印制造的零件在力学性能上还有待提升。传统铣削技术成熟，加工的零件力学性能好，但对于复杂零件的加工不如三维打印方便。因此，三维打印和数控铣削加工的复合，为复杂零件的加工提供了一种新的思路和技术手段。此外，桌面型机床体积小，惯性质量小，发热量小，具有能耗低、柔性大、效率高等优点［2］。
1结构设计方法
传统的机床设计主要是通过对现有机床的类比，沿用以往的设计经验来进行，或者通过机床试验来定性分析和定量比较，从而选择和确定设计方案［3］。完全经验性的设计方法已不适合具有较高复杂程度或较高精度要求的机床设计，笔者的思路是将设计经验、计算分析与试验测试紧密结合起来，进行精细化设计。为此，笔者采用了计算机辅助设计，设计模型如图1所示。通过计算机辅助设计软件的多种功能模块,如三维几何建模、结构分析、计算分析、工程绘图、优化设计等，减少设计成本，缩短设计和分析的循环周期，提高产品和工程的可靠性，降低材料的消耗或成本，在产品制造前预先发现潜在的问题，减少试验的时间和经费［4］。
2机床结构设计方案
2.1总体设计
构建一台将先进三维打印技术与传统铣削加工技术相结合的桌面型复合数控加工设备，实现在不改变基准的条件下，使用同一机床进行增材与减材加工，有利于复杂形状、多品种、小批量零件的生产。该机床具有以下功能：①可实现三维打印或铣削的单一加工；②三维打印出毛坯件，再对需加工面采用铣床加工，提高表面精度；③以金属为毛坯件，在铣削加工后用三维打印制造不同材料部分，可实现具有个性化需求的零件加工。机床由铣床、三维打印、机床基础件及其它辅助系统组成。（1）铣床部分。采用龙门式铣床结构和移动式工作台，龙门式铣床具有刚性好、结构简单等优势，移动式工作台可提高加工精度和加工效率［5］。由于桌面型机床主要适用于加工硬度不高的小零件，为保证加工精度，采用了转速可达12000r/min的电主轴，并且有利于机床模块化设计［6］。进给系统中，X、Y方向滑台水平布置，Z方向滑台固定在龙门结构悬梁上，均使用滚珠丝杠、直线滑轨及步进电机实现传动。（2）三维打印部分。考虑到增减材两种加工工艺的有效复合，三维打印部分采用了悬臂式结构，三维打印喷头安装于悬臂之上，悬臂立柱通过导轨沿床身移动，悬臂整体沿立柱移动。这一结构较为简单灵活［7］，如图2所示。以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料为原料，基于熔融沉积成型技术进行三维打印，喷头部分质量较轻。将三维打印的挤出机移至立柱上，以减小悬臂整体质量，由此可将悬臂结构带来的误差降到最低。（3）机床基础件。整机采用模块化设计，使机床拆卸安装方便。
2.2主要部件选用和技术参数设计
机床外形尺寸为700mm×500mm×650mm，工作空间尺寸为400mm×300mm×220mm,加工精度为0.02mm。为保证机床精度和实现机床平稳传动，铣床的Z轴和工作台选用SFU1605-3型滚珠丝杠。三维打印部分由于结构的特殊性，综合考虑选用适合三维打印的专用T形丝杠。铣床的Z轴和工作台导轨均选用HGR15R460C型；三维打印部分则定制专用导轨。铣床Z轴和工作台移动采用57BYG250C电机驱动，三维打印部分移动采用42BYGH47-401A型电机驱动。选用300W有刷高速风冷主轴电机。以电主轴技术参数为例，简要说明设计计算过程。选择硬质合金刀具作为机床的加工刀具，铣削条件如下：切削深度aP=1mm，转速n=12000r/min，进给量af=0.1mm/r，刀具主偏角Kr=60°，刀具前角γ0=15°，刀具直径D=6mm，铣削宽度ae=4.5mm，铣刀齿数z=4,铣削力修正因数KFZ=K1K2K3=0.632，工件材料因数K1=0.80，前角因数K2=0.79，主偏角因数K3=1综合以上计算，选取功率为300W、转速为3000～12000r/min、扭矩为0.6N•m的电主轴。
2.3关键部件静力学分析
整机中，龙门架部分支撑着Z轴移动单元和主轴系统，易产生较大的力学变形，它的设计直接影响铣削加工精度。设计的龙门架采用工字形截面横梁结构，材料为HT200，能够承受较大弯曲应力，达30MPa。［8］ANSYS是一个基于有限元法的工程分析应用软件，功能几乎涉及工程分析的所有方面［9］。笔者采用该软件对龙门架结构进行静力学分析。采用三维建模软件对龙门架部件进行建模，如图3所示，然后将其保存为中间格式，导入ANSYS软件建立相应的有限元模型。在ANSYS界面中对模型网格化，网格的大小直接影响求解的精度，网格单元越小，求解精度会越高，可根据自己的需求修改网格具体参数，因无特殊要求，因此采用自动生成网格模式。定义模型的材料属性，龙门架材料为HT200，密度为7250kg/m3，弹性模量为124GPa，泊松比为0.3。添加约束条件，在模型底面添加Z方向的位移约束，在4个螺纹孔处添加Z方向的位移约束。龙门架主要受自身重力和悬臂梁上所连接的主轴系统及Z轴移动单元重力影响。自身重力属于惯性力，主轴系统及Z轴移动单元的重力可通过三维建模软件进行重力评估，约100N，平均加载在4个螺纹孔的Z方向，添加约束和加载载荷。在ANSYS环境下进行分析计算龙门架结构的变形及应力。由静力学分析可知，该机床横梁在自重作用下，最大应力出现在立柱与横梁连接处的内侧，约为38.989kPa，最大变形量出现在横梁中部，约为0.659μm。
3结论
用所设计的桌面型增减材复合数控机床对工件进行增减材复合加工，可以缩短加工周期，提高加工精度，节省加工空间［10］。从龙门架的静力学分析可以看出，龙门架结构还可继续优化，使机床更加轻量化。另外，网络化、智能化是数控机床发展的趋势，在本设计的基础上，还可增加相应的多种传感器和智能化支持设备，以及通过网络实现远程控制等，以进一步提高设备的网络化和智能化水平。
参考文献
［1］段继承.现代机械加工制造技术及发展趋势研究［J］.科技展望，2015（28）：42.
［2］张曙，卫汉华，张炳生.微型机床和桌面工厂［J］.制造技术与机床，2012（8）：10-14.
［3］现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2006.
［4］刘瑜，李爱军，霍妍妍.计算机辅助设计（CAD）在机械领域的应用［C］.第一届中国图学大会暨第十届华东六省一市工程图学学术年会，烟台，2007.
［5］张曙，张柄生.机床的总体配置和结构设计（下）［J］.机械设计与制造工程，2016，45（4）:1-10.
［6］邱峰.桌面式微小铣床结构设计与仿真分析［D］.长春：长春理工大学，2009.
［7］卢飞.微型移动龙门数控铣床本体结构设计与优化［D］.重庆：重庆交通大学，2015.
［8］邢立峰.微细铣削加工机床设计与关键部件仿真分析［D］.长春：吉林大学，2011.
［9］曹明，宋春明，张东生，等.基于ANSYS的定梁龙门机床横梁静力学特性分析及结构优化［J］.机械工程师，2014（10）:112-114.
［10］常小芳.数控技术之机床结构设计方法研究［J］.通讯世界，2015（5）:195-196.
作者：袁婷婷 方辉 张笑语 邹来胜 陈奕成 单位：四川大学 制造科学与工程学院
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