桌面式龙门铣床结构设计与动力学分析

陈 爽 李晓舟 王志超

（长春理工大学，吉林 长春 130022）

近年来，在航空航天，生物医药，电子通讯以及汽车工业等领域对微小零件的精密制造需求一直在增长。在微制造过程中，制造公差、零件特征以及零件尺寸能达到毫米甚至微米级，微制造技术正在成为一种主流技术。尽管采用传统的精密机床能已能够满足微小尺寸特征和零部件的制造，但是微型机床由于结构尺寸小，在热变形，材料消耗量，占用空间，能源消耗，振动幅值方面比传统机床要明显减少，所以桌面式机床技术在微机械电子系统（MEMS）领域仍然具有很大的潜力。

微机床利用了桌面工厂的微小尺寸一体化制造系统的概念。桌面工厂的制造模式是绿色制造的一种，是环保型的生产模式。日本是较早开始研究桌面工厂的国家，已经研发出了包括超小型车床、铣床、冲压机等组成的桌面工厂，重量为23kg。国内，清华大学，哈尔滨工业大学等高校也已经开展了微型工厂的研究。为了实现微小零部件的制造，本文结合桌面工厂的概念设计了桌面式龙门铣床。

2 桌面式龙门铣床设计方案

通过研发桌面式铣床可以解决微小零部件的制造，零件的尺寸范围一般可达几百微米到几毫米，特征尺寸可达到亚微米到几百微米。桌面式铣床的工作空间应与工件的尺寸匹配，避免整个制造系统过于拥挤。

图2 横梁优化参数

本文所设计的桌面式龙门铣床的龙门框架尺寸为500mm×600mm×500mm，总质量为154kg。主轴采用立式装配，可实现微小零部件的高速精密微铣削加工。龙门框架的良好扩展性和结构特性保证了机床具有优良的加工范围及良好升级改造空间，桌面式龙门铣床整体结构如图1所示。

2.1 机床床身与基座

桌面式铣床的床身与基座应具有较低的热膨胀系数，保证机床在运行过程中能承受温度变化，从而获得良好的动态和静态刚度，保持工件较高的几何重复性。机床底座使用天然大理石材料，横梁使用铸铁。机床整体采用龙门式结构，具有更好的抗振性以及扩展性。

2.2 定位平台

定位平台是主要的运动部件，为了实现微小零部件的精密加工，平台应具有高分辨率和重复定位精度。滚珠丝杠能达到97%的传动效率；重复定位精度一般都能到1μm；寿命长，滚出丝杠的螺母、丝杠和滚珠的硬度都很大，所以疲劳寿命和精度寿命都很长；滚珠丝杠还具有高速特性及运动可逆性等特性。X、Y、Z三个方向均选用精密滚珠丝杠滑台。

2.3 主轴系统

图1 桌面式龙门铣床结构

微制造工艺中一般使用的刀具半径都较小，所以为了获得合适的切削速度，要求主轴具有很高转速。另外还要保证主轴的径跳动较小，避免在高速切削中出现严重的振动影响加工精度和机床寿命。本文选用的电主轴最高转速为60，000rpm，径向跳动误差优于1μm，最大输出功率350W。

2.4 辅助系统

2.4.1 在线监测系统

在线监控对加工过程的优化和刀具的在线监测有着重要的意义。本文选用双CCD相机方法对整个加工过程实时在线监控，充分掌握整个加工过程中刀具以及工件的状态，实时了解加工过程中的问题，对研究加工工艺等奠定基础。

2.4.2 隔振系统

为了提高工件的加工质量，保证加工过程平稳精确，消除外部振动源带来的不利影响，机床需要配置隔振系统作为固定平台。我们选用精密隔振平台，适合微型高速加工设备，能够有效地隔离加工过程中的外界振动。

3 机床结构分析与优化

为了验证机床结构的可靠性，减少结构在切削力、重力以及电机转矩等的作用下的变形，我们通过有限元软件ANSYS分析机床的静态和动态特性，并对机床的结构进行优化。

3.1 铣削力载荷计算

本文利用Afazov等人推导出数学模型计算微切削力，见公式（1，2，3）

其中，β是螺旋角，h是切削厚度，v是切削速度，r是刀尖圆角半径，p1- p9是切削力常数。本文计算加工铝2024材料时的铣削力，使用有效直径为0.2mm的微细铣刀，螺旋角为30°，切削厚度为100μm，切削速度为113mm/s，刃圆半径为15μm，计算得到：FX=0.327N，FY=0.8319N，FZ=0.4815N。

3.2 静力结构分析

由于横梁是机床的关键部位，横梁的刚度和负载能力将影响主轴的运行，同时还要考虑对横梁进行减重设计，这是机床桌面化的重要步骤之一，我们使用Workbench的优化模块对横梁进行了多目标参数优化。为了提高横梁的装配精度，采用精密铸造成型。横梁的建模使用Workbench的Design Modeler （DM）完成。图2为横梁的横截面，在DM中将 B、H、b、h、Ls设 置 为 变 量， 在Static Structural中将质量、总位移量以及等效应力最大值设置为优化目标参数。根据经验和子部件的尺寸选定了初始值，在Design Exploration模块中给定变量的变化域，优化结算后的横梁减重54%，而在总变形最大值和等效应力最大值上分别增加0.04μm和0.02749MPa，优化效果明显，见表1。

表2 铣床前六阶模态频率

完成横梁的优化设计后，对龙门床身的静态特性进 行分析，从图3最大位移量 为 0.39μm，冯·米塞斯等效应力最大值为0.2544MPa。在静力分析中，机床表现出良好的静态结构特性。

表 1 横梁优化前后参数对比

图3 铣床静力分析结果

图4 加工单元模态分析

图5 铣床的谐响应分析结果

3.3 动力学结构分析

通过模态分析可以对机床结构特性进行检验根据分析结果设定合理的主轴转速，保证机床稳定运行。本文计算了机床的前六阶模态，见表2和图4。

根据加工单元的模态分析结果可知，桌面式铣床在39，000rpm～60，000rpm转速范围内可实现高速精密微加工。

为了检验机床的动态特性，对桌面式铣床进行了谐响应分析。载荷力大小依据公式1中得到的切削力数值结果。根据模态分析结果及预估最高载荷频率（1000Hz），频率范围设置在 300-1100Hz，载荷步为100。图5为主轴前端横截面在三个方向上的变形情况。床身的频响峰值点出现在一阶模态554Hz处，最大位移不超过0.181μm。满足微小零部件的铣削加工要求。

结语

本文设计了一种满足三维精密微小零件加工的桌面式龙门铣床，并对机床结构进行了动力学特性分析。首先，在机床设计及优化过程中，通过分析微小零件加工需求、零件特征及工艺特点，结合桌面工厂的设计原则，提出了机床的主体结构及各单元设计，并在此过程中采取初步设计、结构分析及优化的步骤，以保证机床初始设计的合理性；其次，为提高机床加工精度等性能指标，应用有限元法分析了机床的静态和动态结构特性，并针对分析结果对机床设计参数及薄弱环节进行了优化；优化结果证明了该桌面式龙门高速铣床具有良好扩展性和结构性能。为高速微切削理论与实验研究提供了灵活可靠的研究平台。

[1]J. Chae， S.S. Park， T. Freiheit，Investigation of micro-cutting operations，International Journal of Machine Tools &Manufacture 46 （2006） 313–332.

[2]Hansen， H.N.， Eriksson， T.，Arentoft， M.， Paldan， N.， 2006.Design rules for microfactory solutions. 5th International Workshop on Microfactories，France， pp. 1–4.

[3]赵洪策.桌面式微型工厂的建模和仿真与可视化关键技术研究[J].

[4]Akhtar Razul Razali， Yi Qin. A Review on Micro-manufacturing， Microforming and their Key Issues[C]//Malaysian Technical Universities Conference on Engineering & Technology， 2012：665-672

[5]S.M. Afazov， D.Zdebski，S.M.Ratchev，J.Segal，S.Liu. Effects of micromilling conditions on the cutting forces and process stability[J].Journal of Materials Processing Technology，2013，213：671-684.

[6]Alejandro Aguilar，Armando Roman-Flores，Joel C. Huegel.Design，refinement，implementation and prototype testing of a reconfigurable lathe-mill[J].Journal of Manufacturing Systems，2013，32（02）： 364～371

[7]李兵，何正嘉，陈雪峰.Ansys Workbench设计、仿真与优化[M].北京：清华大学出版社，2008.Li Bing， He Zhengjia， Chen Xuefeng.Anasys Workbench ： Design，Simulation and Optimization[M].Beijing： Tsinghua University Press， 2008（in Chinese）.

[8]黄伟，欧长松，陆海漫，何桂华，冯建国.龙门铣床立柱结构的有限元分析与拓扑优化[J].机械科学与技术， 2012，31（01）：118-121.