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模塊化的設(shè)計(jì)與機(jī)床


日期:2009年11月05 來源:沈陽第一機(jī)床廠 關(guān)鍵字:機(jī)床

    我國20世紀(jì)80年代初開始超精密加工技術(shù)的研究,比國外整整落后20年。1995年,前國防科工委在中國航空精密機(jī)械研究所建立國內(nèi)第—個(gè)從事超精密加工技術(shù)研究的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。近年來,該項(xiàng)工作開展較好的單位有北京機(jī)床研究所、中國航空精密機(jī)械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院長春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。
    該機(jī)床采用氣浮結(jié)構(gòu),即氣浮主軸和氣浮溜板,并采用超精密光柵做全閉環(huán)反饋,主軸回轉(zhuǎn)精度30hm,控制系統(tǒng)分辨率5nm,反饋系統(tǒng)分辨率2.5nm,沼板機(jī)床直線性O(shè).15Bra/200mm,定位精度~0.2Bm/400~n,最人加工直徑4~goomm,最大加工長度伽m。此外,該所還研制了超精密光學(xué)鏡面銑床SQUARE80/200/300,其中增強(qiáng)型功能有車、銑轉(zhuǎn)換功能,加工球面及非球回轉(zhuǎn)曲面,以及納米級運(yùn)動(dòng)分辨率接口,實(shí)現(xiàn)納米級運(yùn)動(dòng)等。2002年3月和2004年7月,該所又分別研制成功超精密球面加工機(jī)床SPHER200和SPHER360。其中,SPHERE 360超精密球面加工機(jī)床主要用于薄壁內(nèi)外球面零件及整球球面零件的超精密加工,工機(jī)床件的最大回轉(zhuǎn)直徑吵360mm,機(jī)床主軸精度<0.05gm,工作轉(zhuǎn)臺(tái)(B軸)回轉(zhuǎn)精度《0.1gm,固定工作臺(tái)上安裝4把刀具用于卡盤及工件上定位面的加工,回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上安裝回轉(zhuǎn)刀具用于球面加工。
    此外,該機(jī)床具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn):
    (1)主軸及回轉(zhuǎn)工作臺(tái)采用空氣靜壓軸承,主軸可安裝氣動(dòng)≥盤以及真空吸盤;
    (2)床身采用天然花崗石,特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證機(jī)床有較好的剛性及減振性能:
    (3)從地面到切削加工區(qū)之間,設(shè)有多層減振結(jié)構(gòu),人人提高了機(jī)床抵抗外部振動(dòng)干擾的能力:
    (4)整個(gè)機(jī)床一體化結(jié)構(gòu),主軸電動(dòng)機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床防護(hù)全部與床身相連,方便運(yùn)
翰與調(diào)試;
    (5)固定工作臺(tái)與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)安裝在同‘溜板上,以保證工件定位面與球面中心距離的恒定,有利于批量生產(chǎn)。
    該機(jī)床有兩坐標(biāo)精密數(shù)控系統(tǒng)和兩坐標(biāo)激光機(jī)床在線測量系統(tǒng),可以加工非球回轉(zhuǎn)曲面。圖540(b)所示為哈爾濱工業(yè)人學(xué)研制的b口工KDP晶體太平面的超精密銑床。在激光核聚變需求牽引下,美、日、法、中、英、俄等國先后建造了20多臺(tái)大型激光裝置。在這些激光裝置中,為了提高核聚變反應(yīng)效率,都需要使用KDP(KH2P04)晶體的披長變換技術(shù)。KDP晶體是一種軟脆材料,硬度非常低,具有很強(qiáng)的機(jī)床吸濕性,溫度急劇變化時(shí)容易破裂,因此鏡面加工是非常困難的。美國LLNL實(shí)驗(yàn)室采用負(fù)前角的金剛石刀具超精密切削能夠獲得光學(xué)表面。而日本學(xué)者所作的超精密磨削、研磨、拋光方面的研究,表明KDP晶體表面易殘留雜質(zhì)或傷痕,得不到較好的光學(xué)表面,因此,采用金剛石刀具超精密切削是高精度、高效率地加工KDP晶體的首選工藝。
    哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的KDP晶體超精密加丁機(jī)床,足我國的第一臺(tái)專用加工機(jī)床。該機(jī)床酌床身采用低熱膨脹系數(shù)和高尺、j穩(wěn)定性的花崗巖,井采用被動(dòng)式空氣隔機(jī)床振墊:將KDp晶體通過真空吸盤吸附夾緊在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上,而工作臺(tái)主軸采用空氣軸承,加丁中用圓進(jìn)給代替直線進(jìn)給,人人提高了KDP晶體的平面度指標(biāo)。
    盡管如此,我國在大尺寸、高精度KDP晶體光學(xué)表面的超精密加工技術(shù)方面,還√÷十分成熟和完善,與美、英、俄、日等國還有明顯的差距。我們必須盡快研制多功能、高效率的專用超精密機(jī)床和大型超精密機(jī)床,同時(shí)深入開展切削加工機(jī)理和加工工藝參數(shù)優(yōu)化的琿論和試驗(yàn)研究。
    模塊化設(shè)計(jì)及模塊化機(jī)床
模塊化設(shè)計(jì)的基本原理是將一種產(chǎn)品或系統(tǒng)分解成一些功能和結(jié)構(gòu)獨(dú)立的基本單元(模塊),然后按用戶需求組合,以滿足不同的市場需求。產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)的思想和實(shí)踐已有近百年的歷史。1920年前后,就有入將模塊化設(shè)計(jì)原理應(yīng)用于機(jī)床設(shè)計(jì)中。直到20世紀(jì)50年代,歐莢—•些國家的學(xué)者機(jī)床正式提出“模塊化沒訓(xùn)”的概念,才真正把模塊化設(shè)計(jì)提升到學(xué)術(shù)的高度來進(jìn)行研究。
    模塊是一組同時(shí)具有相同功能和結(jié)合要素,具有不同性能或用途甚至不同結(jié)構(gòu)特征,但能互換的單元。模塊化沒葫•基于模塊的思想,將一般產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)轉(zhuǎn)化為模塊化產(chǎn)品方案。它包括兩方面的內(nèi)容:一是根據(jù)新的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行功能分析,合理創(chuàng)建一組模塊,即模塊創(chuàng)建:二是根據(jù)設(shè)計(jì)要求將—組已存在的特定模塊組合成模塊化產(chǎn)品方案,即模塊綜合。
    模塊化設(shè)計(jì)是在對一定范圍內(nèi)的不同功機(jī)床能或不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上,劃分并設(shè)計(jì)出一‘系列功能模塊,通過模塊的選擇和紹合,構(gòu)成不同的產(chǎn)品,滿足市場的不同需求。針對機(jī)床產(chǎn)品,可以將模塊化設(shè)計(jì)歸納為:根據(jù)用戶的要求,在功能分析的基礎(chǔ)上,設(shè)訓(xùn)出具有性能(或用途)、結(jié)構(gòu)各異,而功能相同的一系列可以互換的功能單元,以及一些專用、獨(dú)缸部件,然后將其組配成單臺(tái)機(jī)床或柔性加工單元(或系統(tǒng))等。
    機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)在國外一些企業(yè)應(yīng)用十分普遍,已使企業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝到制造形成一整套模塊化管琿體系。德國Brelller Vulran集團(tuán)的Dottles Scharmmm中型臥式加工中心的模塊化設(shè)計(jì)表現(xiàn)十分突出。在一定條件下,它可以與其他公司共享機(jī)床模塊,如該公司的一種創(chuàng)新高速臥式加工中心,可以把機(jī)床Droop&Rein的高速主軸和NC回轉(zhuǎn)頭與Scharmann的工作臺(tái)和Wero刀庫結(jié)合起來使用,而它的床身、立柱和導(dǎo)向系統(tǒng)則來自Ascherslebene。德國Sarmann公司生產(chǎn)的鏜銑床,具有橫系列和跨系列模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn),其模塊主要有四組:①數(shù)控系統(tǒng);②刀庫和換刀裝置:⑧工作臺(tái):④立柱滑座。通過交換或增加數(shù)控系統(tǒng)、刀庫和換刀裝置、丁作臺(tái)等模塊,叮得到數(shù)控鏜銑床和各種型式的鏜銑加工中心等橫系列產(chǎn)品;而選用刁;同的立柱滑座和相應(yīng)的工作臺(tái)模塊,則可得到鏜銑床和落地鏜銑床這兩類跨系列產(chǎn)品。
    法國的Huron公司生產(chǎn)的機(jī)床,由五組模塊組成:
    ①不同性能和傳動(dòng)功串的滑枕式銑頭:
    ②不同功串和進(jìn)給特性的進(jìn)給箱:
    ③不問長度和寬度的工作臺(tái);
    ④與工作臺(tái)尺寸相應(yīng)的床身和升降臺(tái);
    ⑤增加銑頭高度的滑座墊塊。通過這五組模塊可以組成數(shù)百種規(guī)格的產(chǎn)品,提高了對用戶的適應(yīng)性。
    德國Werner公司開發(fā)的模塊化TC500、T C1000加下中心,配以各種交換工作臺(tái)、拖扳、運(yùn)送機(jī)構(gòu)、刀具和檢測等模塊,短短幾年內(nèi)為世界各地用戶提供了70多條FMS及有關(guān)生產(chǎn)線。該公司能在很短時(shí)間內(nèi)應(yīng)標(biāo)和報(bào)價(jià),設(shè)計(jì)周期不超過一個(gè)月,均因?yàn)椴捎昧讼冗M(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)。
    德國Index公司開發(fā)了Rat機(jī)床io Line系列的模塊化車銑復(fù)合加丁—中心。Ratio Line系列車銑加工中心吸收較小型機(jī)床的許多特點(diǎn),可與多種加工中心的參數(shù)相匹配。其中,G4~)0機(jī)床具有l(wèi)?kW的銑削功率、兩個(gè)可裝32把刀的刀庫,井可實(shí)現(xiàn)5軸加工。其一端是一個(gè)雙軸的重型軸加工車床,有伺服控制的尾座和固定中心架及多刀轉(zhuǎn)塔;另一端是結(jié)合了機(jī)床和5軸加工中心特征的、具有對置主軸的12軸機(jī)床,3個(gè)刀架(其中2個(gè)可以裝獨(dú)立銑削主軸),有2個(gè)刀庫?梢宰鳛閮膳_(tái)獨(dú)立的機(jī)床進(jìn)行操作。


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