一种用于大型板材加工的龙门钻床研究与设计

张燕红

（山东华宇工学院，山东德州 253000）

0 引言

近年来，我国对风电、核电等新能源行业越来越重视，这些行业中的一些大型零件加工，对机床提出了一些特殊要求。特别是一些大面积板材或大直径法兰盘钻孔，因孔布局规律，数量较多，而且孔径较大，需要一款刚性好、精度高、加工效率高的大型龙门钻铣床，所以对此类机床的开发势在必行。

对核电设备制造行业、蠕墨铸铁制造行业等进行了技术调研。调研过程中发现，用户对大型龙门钻铣床的加工精度和加工效率提出了更高的要求，尤其对面积比较大的板类零件加工的要求更高。

目前，国内甚至多数龙门钻铣床存在工作台面积小、机床基本件采用钢板焊接、存在钻铣头小、无法进行重切削，加工效率低等问题，很多用户要求设计一款高刚性、高效率的专用机床，所以开发数控定梁龙门移动钻铣床已势在必行，并且具有很大的市场潜力。

1 研发历程

首先确定机床的整体设计方案，并出设计相应的总体装配图。机床由工作台、床身、拖板、立柱、横梁、钻铣刀架、集中润滑装置、气动系统、冷却排屑装置、机床防护、工装夹具等主要部件组成。为达到最佳的稳定状态，铸件进行两次时效处理以消除应力。床身、立柱、横梁截面积尺寸足够大，机床具有强大的刚性和抗振性，具有足够的抗弯刚度和抗扭刚度。

其次研发的主要工作就是：①合理设计加工工艺流程和物流路线，确定物流设备及加工方案；②根据工艺过程：上料、钻削底孔、钻铣扩孔、在线检测、下料的过程设计整套设备布局，机床结构性能满足生产线技术要求；③确保所有加工零件合格。

根据本机床的工艺方案，关键件工艺放在重要位置，充分利用公司现有的韩国HANKOOK五面体加工中心，德国产卧式加工中心及坐标镗，德国产三坐标测量仪等具有国际先进水平的加工、检测设备，确保产品的整体质量。

2 产品研发的主要工艺介绍

产品研发主要工艺流程如图1所示。

图1 产品研发工艺流程

3 机床主要结构

本机床为工作台固定，操纵平台和龙门框架在两侧床身上同步移动（X1、X2）的结构，横梁上双主轴箱、双丝杠分离式驱动。工作台两侧配有两套链式排屑机，工作区域半防护的结构。机床总占地面积约（25×9）m2。机床工作台面与车间地面在同一水平面。

3.1 进给轴驱动

X轴驱动——由交流伺服电机通过精密减速箱降速后经消隙齿轮齿条，带动滑座、立柱、横梁、滑鞍及主轴箱在床身上同步移动，实现X轴进给运动，X轴采用双边驱动结构，可有效地提高机床定位精度和重复定位精度。

Y轴驱动——由交流伺服电机通过精密行星减速机降速后驱动预应力滚珠丝杠副，带动滑板在横梁上左右水平移动，从而实现Y轴进给运动。

Z轴驱动——由交流伺服电机通过精密行星减速机降速后驱动预应力滚珠丝杠副，带动主轴箱上下移动，实现Z轴进给。Z轴交流伺服电机带有自动抱闸，在机床突然断电的情况下，防止滑枕铣头掉刀。

3.2 进给轴导轨形式

X轴、Y轴、Z轴均采用矩形滑动导轨，导轨高刚性、低速运动平稳、无爬行、抗振性能优良。

三轴导轨均采用中频淬火工艺，淬火层深度为3～5 mm，淬火硬度可达48 HRC，导轨经高精度导轨磨床磨削处理，保证机床导轨的精度和精度稳定性及机床的使用寿命。

3.3 机床基础件

全部铸件为达到最佳的稳定状态，进行两次时效处理以消除应力。床身、立柱、横梁截面积尺寸足够大，机床具有强大的刚性和抗振性，具有足够的抗弯刚度和抗扭刚度。

床身材料为HT300，床身导轨采用双矩形滑动导轨副，导轨宽度为755 mm，床身由4节组成，单节床身长度3000～6000 mm，可根据实际情况组合接长，毛坯粗加工完成，需经二次热时效后储备，经过储备期的自然时效，铸件内应力充分释放，以确保铸件性能更加稳定，精度保持性更好。

工作台材料为HT300，工作台宽度为4500 mm，由8节拼接而成，单节长度为2250 mm，工作台需预留接长接口，方便后期机床的接长改造。

3.4 横梁

横梁材料为HT300，横梁导轨用于钻铣刀架的左右移动，横梁固定把合在两个立柱上保证铣削加工时横梁牢固可靠。横梁上下双导轨跨距大，布局应合理，确保静态特性良好，抗切削能力强。

为了防止切削时发生较大的振刀现象，横梁下部设置预压装置，即在钻削时，横梁移动到位，预压装置顶紧工件后，主轴再进行切削。

3.5 滑枕式钻铣头

钻铣头主轴带有刀具自动拉紧机构，采用瓣爪拉紧形式，此结构为碟簧拉紧、气压通过增压缸液压松开，可将刀具自动拉紧在主轴上，松刀增压油缸在主轴后端，并有位置检测装置。铣头附近位置上安装松刀拉刀开关，方便换刀操作。

钻铣头主轴需整体外购专业主轴生产厂家产品，以确保精度高，稳定性好，且具有高刚度和高承载力。主轴轴承采用进口锂基润滑脂润滑。

铣头主轴配置大功率油冷机，对铣头进行循环冷却，确保主轴精度的稳定并避免滑枕受温度影响产生弯曲变形。

3.6 气动系统

机床气动系统包括：主轴松刀系统、主轴中心吹气系统、工件顶紧系统。气动元件选用国际知名品牌产品，保证气动系统的质量和机床的可靠性。

3.7 润滑系统

机床配置定量自动润滑系统，对滚珠丝杠副、齿轮齿条副及导轨副进行集中间歇润滑，润滑量适当、充分，既要节约润滑油，又能保证传动系统的动静响应特性。

3.8 冷却及排屑装置

机床配置刀具内冷和外冷两种冷却方式，采用高压水泵供应内冷需要的冷却液，内冷最高压力达4 MPa。机床配置大容量（5000 L）冷却液箱，以满足切削冷却液的自然回流。冷却液箱安装自循环加热装置一套，在极冷环境下停机时保证冷却液的循环，防止冷却液的凝固。

工作台两侧设有两套链板式排屑机，将铁屑输送至排屑车内，以减小劳动强度，改善工作环境。

3.9 防护装置及操作站台

机床床身导轨采用不锈钢伸缩防护罩，横梁导轨采用风琴式防护罩。操纵平台和龙门框架在两侧床身上同步移动，便于操作和观察零件加工情况，安全性高。

工作台四周设置钣金防护罩（高度达到横梁底部），主轴端部设置塑料防护帘，防止切屑的飞溅和切削液的喷溅，保证工作环境的清洁。

机床操作站布置于独立操作间内，与机床工作区完全隔离，在保证操作方便前提下，保证操作者的安全。

3.10 电气系统

机床电气控制柜采用独立的控制柜，其内部将机床的伺服驱动控制器、PLC控制器、断路器、继电器等电气控制元器件集中布置，电气柜布线整齐、结构合理，电气柜配装防尘除湿空调装置，使得电气元件在良好的工作环境下运行，保证电气系统运行的稳定性。电气系统具有3层过载保护功能（系统程序控制、驱动器保护控制、PLC编程控制）。

3.11 数控系统

机床配置SIEMENS公司的SINUMERIK 828D数控系统，进给伺服电机和驱动器均采用SIEMENS公司产品。主轴伺服电机和驱动器采用北京超同步公司产品，保证性能先进、稳定可靠。

感知机算法在线性可分情况下具有较快的训练速度和较高的正确率.其通过寻找超平面区分散射参数曲线.经过多组实验和测试，散射参数曲线经过预处理后具有线性可分的特点，适合作为使用感知机进行二分类.

可通过西门子编辑软件DXF-Reader将DXF图纸中需要加工的孔位排布转换为指定编程格式的矩阵定义程序。

4 国内外同类产品的对比及效果评价

为了分析评价数控龙门移动双主轴铣钻床的技术水平，收集了国内著名机床制造厂的同类产品性能指标和技术参数进行比较（表1）。

表1 机床性能指标和技术参数

本机床在机床基体材料、导轨形式、钻铣刀架的切削力等方面大大优于国内机床，而且在工件切削稳定性、工件装夹的高效性等方面有自身独特的结构优势。经综合比较，该数控龙门移动双主轴铣钻床机床结构合理，功能部件配置合理，具有很好的性能价格比优势。

5 结语

该机床是面向新能源行业的，随着全球不可再生能源的消耗，我国对新能源的重视程度增加，对新能源的投入也不断加大，该机床的市场需求前景广阔。该项目的试制成功会带来相当不错的经济效益，单台机床的利润均在100万元左右。

本项目产品与国外生产厂商的同类产品对比，产品本身价格远低于国外同类产品价格，生产加工效率是其他机床加工效率的2倍左右，使用寿命长，因此成本、使用及维修费用较低。

该机床的试制成功，在数控龙门钻铣床方面打开一片广阔的市场，可带来较高的经济效益和社会效益。