Der Querbalkenschlittensitz ist ein entscheidender Bestandteil der Werkzeugmaschine und zeichnet sich durch eine komplexe Struktur und verschiedene Typen aus. Jede Schnittstelle des Querträger-Gleitsitzes entspricht direkt seinen Querträger-Verbindungspunkten. Beim Übergang von einem 5-Achsen-Universalschlitten zu einem 5-Achsen-Hochleistungs-Schneidschlitten treten jedoch gleichzeitig Änderungen am Querträger-Schlittensitz, am Querträger und an der Führungsschienenbasis auf. Um den Marktanforderungen gerecht zu werden, mussten früher große Komponenten neu konstruiert werden, was zu langen Vorlaufzeiten, hohen Kosten und schlechter Austauschbarkeit führte.
Um dieses Problem zu lösen, wurde eine neue Querträger-Gleitsitzstruktur entwickelt, um die gleiche externe Schnittstellengröße wie die Universalschnittstelle beizubehalten. Dies ermöglicht den Einbau des fünfachsigen Schwerlast-Schneideschlittens ohne Änderungen an der Traverse oder anderen großen Strukturbauteilen und erfüllt gleichzeitig die Anforderungen an die Steifigkeit. Darüber hinaus haben Verbesserungen in der Verarbeitungstechnologie die Genauigkeit der Herstellung des Querträger-Gleitsitzes verbessert. Diese Art der Strukturoptimierung und die damit verbundenen Verarbeitungsmethoden werden zur Förderung und Anwendung in der Branche empfohlen.
1. Einführung
Es ist bekannt, dass die Größe von Leistung und Drehmoment die Form des Einbauquerschnitts eines Fünf-Achsen-Kopfes beeinflusst. Der mit einem universellen Fünf-Achsen-Schlitten ausgestattete Balkenschlittensitz kann über eine Linearschiene mit dem universellen Modulbalken verbunden werden. Allerdings ist der Einbauquerschnitt für einen leistungsstarken und drehmomentstarken Fünf-Achs-Schwerlast-Schneidschlitten um über 30 % größer als der eines herkömmlichen Universalschlittens.
Daher sind Verbesserungen bei der Konstruktion des Trägergleitsitzes erforderlich. Eine wichtige Neuerung bei dieser Neukonstruktion ist die Möglichkeit, denselben Balken mit dem Balkenschlittensitz des universellen Fünf-Achsen-Schlittens zu teilen. Dieser Ansatz erleichtert den Aufbau einer modularen Plattform. Darüber hinaus erhöht es in gewissem Maße die Gesamtsteifigkeit, verkürzt den Produktionszyklus, senkt die Herstellungskosten erheblich und ermöglicht eine bessere Anpassung an Marktveränderungen.
Einführung in die Struktur des herkömmlichen Batch-Träger-Gleitsitzes
Das herkömmliche Fünf-Achsen-System besteht hauptsächlich aus großen Komponenten wie der Werkbank, dem Führungsschienensitz, dem Träger, dem Trägerschlittensitz und dem Fünf-Achsen-Schlitten. Diese Diskussion konzentriert sich auf die Grundstruktur des Balkengleitsitzes, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die beiden Sätze von Balkengleitsitzen sind symmetrisch und bestehen aus oberen, mittleren und unteren Stützplatten, was insgesamt acht Komponenten ergibt. Diese symmetrischen Trägergleitsitze sind einander zugewandt und klemmen die Trägerplatten zusammen, wodurch ein „maulförmiger“ Trägergleitsitz mit einer umschließenden Struktur entsteht (siehe Draufsicht in Abbildung 1). Die in der Hauptansicht angegebenen Maße stellen die Laufrichtung des Balkens dar, während die Maße in der linken Ansicht für die Verbindung zum Balken entscheidend sind und bestimmte Toleranzen einhalten müssen.
Aus der Sicht eines einzelnen Trägerschlittensitzes sind zur Erleichterung der Bearbeitung die oberen und unteren sechs Gruppen von Schieberverbindungsflächen an der „I“-förmigen Verbindung – mit einer breiten Oberseite und einer schmalen Mitte – auf einer einzigen Bearbeitungsfläche konzentriert. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, dass durch Feinbearbeitung unterschiedliche Maß- und Geometriegenauigkeiten erreicht werden können. Die oberen, mittleren und unteren Gruppen von Stützplatten dienen lediglich der strukturellen Unterstützung und sind daher einfach und praktisch. Die Querschnittsabmessungen des mit der konventionellen Hüllstruktur ausgeführten Fünf-Achs-Schlittens betragen derzeit 420 mm × 420 mm. Darüber hinaus kann es bei der Bearbeitung und Montage des Fünf-Achsen-Schlittens zu Fehlern kommen. Um letzte Anpassungen vornehmen zu können, müssen die oberen, mittleren und unteren Stützplatten in der geschlossenen Position Lücken beibehalten, die anschließend durch Spritzguss ausgefüllt werden, um eine gehärtete, geschlossene Struktur zu schaffen. Diese Anpassungen können zu Fehlern führen, insbesondere im Gleitsitz des umhüllenden Querträgers, wie in Abbildung 1 dargestellt. Für die Verbindung mit dem Querträger sind die beiden spezifischen Abmessungen 1050 mm und 750 mm entscheidend.
Aufgrund der Baukastenprinzipien dürfen diese Abmessungen aus Gründen der Kompatibilität nicht verändert werden, was indirekt die Erweiterung und Anpassungsfähigkeit des Traversen-Gleitsitzes einschränkt. Während diese Konfiguration vorübergehend den Kundenanforderungen in bestimmten Märkten gerecht werden kann, entspricht sie nicht den sich schnell entwickelnden Marktanforderungen von heute.
Vorteile innovativer Struktur- und Verarbeitungstechnologie
3.1 Einführung in die innovative Struktur
Die Förderung von Marktanwendungen hat den Menschen ein tieferes Verständnis der Luft- und Raumfahrtverarbeitung vermittelt. Die wachsende Nachfrage nach hohem Drehmoment und hoher Leistung in bestimmten Bearbeitungsteilen hat einen neuen Trend in der Branche ausgelöst. Als Reaktion auf diese Nachfrage wurde ein neuer Querträger-Gleitsitz entwickelt, der für die Verwendung mit einem Fünf-Achsen-Kopf konzipiert ist und einen größeren Querschnitt aufweist. Das Hauptziel dieser Konstruktion besteht darin, die Herausforderungen zu bewältigen, die mit schweren Schneidprozessen verbunden sind, die ein hohes Drehmoment und eine hohe Leistung erfordern.
Die innovative Struktur dieses neuen Querträger-Gleitsitzes ist in Abbildung 2 dargestellt. Er ähnelt in der Kategorisierung einem Universalschlitten und besteht aus zwei Sätzen symmetrischer Querträger-Gleitsitze sowie zwei Sätzen oberer, mittlerer und unterer Stützplatten, die alle eine Einheit bilden umfassende umfassende Typstruktur.
Ein wesentlicher Unterschied zwischen dem neuen Design und dem traditionellen Modell liegt in der Ausrichtung des Querträger-Gleitsitzes und der Stützplatten, die im Vergleich zu herkömmlichen Designs um 90° gedreht wurden. Bei herkömmlichen Querträger-Gleitsitzen haben die Stützplatten hauptsächlich eine tragende Funktion. Allerdings sind bei der neuen Struktur Gleiterinstallationsflächen sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Stützplatte des Querträger-Gleitsitzes integriert, wodurch eine geteilte Struktur entsteht, die sich von der des herkömmlichen Modells unterscheidet. Diese Konstruktion ermöglicht eine Feinabstimmung und Anpassung der oberen und unteren Schieber-Verbindungsflächen, um sicherzustellen, dass sie koplanar mit der Schieber-Verbindungsfläche am Querträger-Schiebersitz sind.
Die Hauptstruktur besteht jetzt aus zwei Sätzen symmetrischer Querträger-Gleitsitze, wobei die oberen, mittleren und unteren Stützplatten in einer „T“-Form angeordnet sind und eine breitere Oberseite und eine schmalere Unterseite aufweisen. Die Abmessungen von 1160 mm und 1200 mm auf der linken Seite von Abbildung 2 erstrecken sich in Richtung der Querträgerbewegung, während die gemeinsamen Schlüsselabmessungen von 1050 mm und 750 mm mit denen des herkömmlichen Querträger-Gleitsitzes übereinstimmen.
Durch dieses Design verfügt der neue Querträger-Gleitsitz vollständig über denselben offenen Querträger wie die herkömmliche Version. Das patentierte Verfahren, das für diesen neuen Querträger-Schlittensitz verwendet wird, umfasst das Füllen und Härten des Spalts zwischen der Trägerplatte und dem Querträger-Schlittensitz durch Spritzgießen, wodurch eine integrale umschließende Struktur entsteht, die einen 600 mm x 600 mm großen fünfachsigen Hochleistungs-Schneidschlitten aufnehmen kann .
Wie in der linken Ansicht von Abbildung 2 dargestellt, bilden die oberen und unteren Schlittenverbindungsflächen am Querbalken-Schlittensitz, der den fünfachsigen Hochleistungs-Schneidschlitten sichert, eine geteilte Struktur. Aufgrund möglicher Verarbeitungsfehler liegen die Positionierungsfläche des Schiebers und andere Aspekte der Maßhaltigkeit und geometrischen Genauigkeit möglicherweise nicht auf derselben horizontalen Ebene, was die Verarbeitung erschwert. Vor diesem Hintergrund wurden entsprechende Prozessverbesserungen umgesetzt, um eine qualifizierte Montagegenauigkeit für diese geteilte Struktur sicherzustellen.
3.2 Beschreibung des Koplanarschleifprozesses
Die Vorbearbeitung eines Einzelbalken-Gleitsitzes wird von einer Präzisionsfräsmaschine durchgeführt, sodass nur noch das Schlichtaufmaß verbleibt. Hier bedarf es einer Erläuterung, lediglich der Endschliff wird im Detail erläutert. Der spezifische Schleifprozess wird wie folgt beschrieben.
1) Zwei symmetrische Trägergleitsitze werden einem einteiligen Referenzschliff unterzogen. Das Werkzeug ist in Abbildung 3 dargestellt. Die als Oberfläche A bezeichnete Endbearbeitungsfläche dient als Positionierungsfläche und wird an der Führungsschienenschleifmaschine festgeklemmt. Die Referenzlagerfläche B und die Prozessreferenzfläche C werden geschliffen, um sicherzustellen, dass ihre Maß- und Geometriegenauigkeit den in der Zeichnung angegebenen Anforderungen entspricht.
2) Um die Herausforderung der Verarbeitung des nicht koplanaren Fehlers in der oben genannten Struktur zu bewältigen, haben wir speziell vier Blockwerkzeuge mit fester Unterstützung und gleicher Höhe sowie zwei Blockwerkzeuge mit gleicher Höhe und Bodenunterstützung entwickelt. Der Wert von 300 mm ist ausschlaggebend für die gleichen Höhenmaße und muss gemäß den Angaben in der Zeichnung verarbeitet werden, um eine gleichmäßige Höhe zu gewährleisten. Dies ist in Abbildung 4 dargestellt.
3) Zwei Sätze symmetrischer Trägergleitsitze werden mit Spezialwerkzeugen gegenüberliegend zusammengeklemmt (siehe Abbildung 5). Vier Sätze fester Stützblöcke gleicher Höhe sind über ihre Befestigungslöcher mit den Trägergleitsitzen verbunden. Zusätzlich werden zwei Sätze unterer Stützblöcke gleicher Höhe in Verbindung mit der Referenzlagerfläche B und der Prozessreferenzfläche C kalibriert und fixiert. Dieser Aufbau stellt sicher, dass beide Sätze symmetrischer Trägergleitsitze relativ zur Referenzfläche auf gleicher Höhe positioniert sind Auflagefläche B, während die Prozessreferenzfläche C verwendet wird, um zu überprüfen, ob die Trägergleitsitze richtig ausgerichtet sind.
Nachdem die koplanare Bearbeitung abgeschlossen ist, sind die Gleiterverbindungsflächen beider Sätze von Trägergleitsitzen koplanar. Diese Bearbeitung erfolgt in einem Durchgang, um ihre Maß- und Geometriegenauigkeit zu gewährleisten.
Anschließend wird die Baugruppe umgedreht, um die zuvor bearbeitete Oberfläche festzuklemmen und zu positionieren, sodass die andere Gleiterverbindungsoberfläche geschliffen werden kann. Beim Schleifvorgang wird der gesamte, durch das Werkzeug gesicherte Trägergleitsitz in einem Arbeitsgang geschliffen. Dieser Ansatz stellt sicher, dass jede Gleiterverbindungsfläche die gewünschten koplanaren Eigenschaften erreicht.
Vergleich und Überprüfung der statischen Steifigkeitsanalysedaten des Trägergleitsitzes
4.1 Aufteilung der Planfräskraft
In der Metallzerspanung ist dieCNC-FräsdrehmaschineDie Kraft beim Planfräsen kann in drei tangentiale Komponenten unterteilt werden, die auf das Werkzeug wirken. Diese Komponentenkräfte sind entscheidende Indikatoren zur Beurteilung der Schnittsteifigkeit von Werkzeugmaschinen. Diese theoretische Datenüberprüfung steht im Einklang mit den allgemeinen Prinzipien statischer Steifigkeitstests. Zur Analyse der auf das Bearbeitungswerkzeug wirkenden Kräfte nutzen wir die Methode der Finite-Elemente-Analyse, die es uns ermöglicht, praktische Tests in theoretische Bewertungen umzuwandeln. Dieser Ansatz wird verwendet, um zu bewerten, ob das Design des Balkengleitsitzes angemessen ist.
4.2 Liste der Planschwerschnittparameter
Fräserdurchmesser (d): 50 mm
Anzahl Zähne (z): 4
Spindeldrehzahl (n): 1000 U/min
Vorschubgeschwindigkeit (vc): 1500 mm/min
Fräsbreite (ae): 50 mm
Fräsrückschnitttiefe (ap): 5 mm
Vorschub pro Umdrehung (ar): 1,5 mm
Vorschub pro Zahn (von): 0,38 mm
Die tangentiale Fräskraft (fz) lässt sich nach folgender Formel berechnen:
\[ fz = 9,81 \times 825 \times ap^{1,0} \times af^{0,75} \times ae^{1,1} \times d^{-1,3} \times n^{-0,2} \times z^{ 60^{-0,2}} \]
Daraus ergibt sich eine Kraft von \( fz = 3963,15 \, N \).
Unter Berücksichtigung der symmetrischen und asymmetrischen Fräsfaktoren während des Bearbeitungsprozesses ergeben sich folgende Kräfte:
- FPC (Kraft in Richtung der X-Achse): \( fpc = 0,9 \times fz = 3566,84 \, N \)
- FCF (Kraft in Richtung der Z-Achse): \( fcf = 0,8 \times fz = 3170,52 \, N \)
- FP (Kraft in Richtung der Y-Achse): \( fp = 0,9 \times fz = 3566,84 \, N \)
Wo:
- FPC ist die Kraft in Richtung der X-Achse
- FCF ist die Kraft in Richtung der Z-Achse
- FP ist die Kraft in Richtung der Y-Achse
4.3 Statische Finite-Elemente-Analyse
Die beiden fünfachsigen Schneidschlitten benötigen einen modularen Aufbau und müssen sich den gleichen Träger mit einer kompatiblen Öffnungsschnittstelle teilen. Daher ist die Steifigkeit des Trägergleitsitzes von entscheidender Bedeutung. Solange der Trägergleitsitz keine übermäßige Verschiebung erfährt, kann daraus geschlossen werden, dass der Träger universell ist. Um die Anforderungen an die statische Steifigkeit sicherzustellen, werden relevante Schnittdaten gesammelt, um eine vergleichende Finite-Elemente-Analyse der Verschiebung des Trägergleitsitzes durchzuführen.
Bei dieser Analyse wird gleichzeitig eine statische Finite-Elemente-Analyse für beide Trägergleitsitzbaugruppen durchgeführt. Dieses Dokument konzentriert sich speziell auf eine detaillierte Analyse der neuen Struktur des Balkengleitsitzes und lässt die Besonderheiten der ursprünglichen Gleitsitzanalyse weg. Es ist wichtig zu beachten, dass die universelle Fünf-Achsen-Maschine zwar keine schwere Zerspanung bewältigen kann, bei Abnahmetests jedoch häufig Festwinkel-Schwerzerspanungsprüfungen und Hochgeschwindigkeitszerspanungsabnahmen für „S“-Teile durchgeführt werden. Das Schnittdrehmoment und die Schnittkraft können in diesen Fällen mit denen beim Schwerzerspanen vergleichbar sein.
Basierend auf jahrelanger Anwendungserfahrung und tatsächlichen Lieferbedingungen ist der Autor davon überzeugt, dass andere große Komponenten der universellen Fünf-Achsen-Maschine die Anforderungen an die Widerstandsfähigkeit gegen starke Schnitte vollständig erfüllen. Daher ist die Durchführung einer vergleichenden Analyse sowohl logisch als auch routinemäßig. Zunächst wird jede Komponente vereinfacht, indem Gewindelöcher, Radien, Fasen und kleine Stufen entfernt oder komprimiert werden, die sich auf die Netzteilung auswirken könnten. Anschließend werden die relevanten Materialeigenschaften jedes Teils hinzugefügt und das Modell zur statischen Analyse in die Simulation importiert.
In den Parametereinstellungen für die Analyse bleiben nur wesentliche Daten wie Masse und Kraftarm erhalten. Der integrierte Trägerschlittensitz wird in die Verformungsanalyse einbezogen, während andere Teile wie das Werkzeug, der Fünf-Achsen-Bearbeitungskopf und der Fünf-Achsen-Schlitten für Schwerzerspanung als starr gelten. Die Analyse konzentriert sich auf die relative Verschiebung des Trägergleitsitzes unter äußeren Kräften. Die äußere Last beinhaltet die Schwerkraft und gleichzeitig wird eine dreidimensionale Kraft auf die Werkzeugspitze ausgeübt. Die Werkzeugspitze muss im Voraus als Kraftbelastungsfläche definiert werden, um die Werkzeuglänge während der Bearbeitung nachzubilden und gleichzeitig sicherzustellen, dass der Schlitten am Ende der Bearbeitungsachse positioniert ist, um eine maximale Hebelwirkung zu erzielen und die tatsächlichen Bearbeitungsbedingungen genau zu simulieren.
DerAluminiumkomponentes werden durch eine „Global Contact (-joint-)“-Methode miteinander verbunden und Randbedingungen werden durch Linienteilung festgelegt. Der Balkenverbindungsbereich ist in Abbildung 7 dargestellt, die Rasterteilung ist in Abbildung 8 dargestellt. Die maximale Einheitsgröße beträgt 50 mm, die minimale Einheitsgröße beträgt 10 mm, was insgesamt 185.485 Einheiten und 367.989 Knoten ergibt. Das Gesamtverschiebungswolkendiagramm ist in Abbildung 9 dargestellt, während die drei axialen Verschiebungen in X-, Y- und Z-Richtung in den Abbildungen 10 bis 12 dargestellt sind.
Die beiden fünfachsigen Schneidschlitten benötigen einen modularen Aufbau und müssen sich den gleichen Träger mit einer kompatiblen Öffnungsschnittstelle teilen. Daher ist die Steifigkeit des Trägergleitsitzes von entscheidender Bedeutung. Solange der Trägergleitsitz keine übermäßige Verschiebung erfährt, kann daraus geschlossen werden, dass der Träger universell ist. Um die Anforderungen an die statische Steifigkeit sicherzustellen, werden relevante Schnittdaten gesammelt, um eine vergleichende Finite-Elemente-Analyse der Verschiebung des Trägergleitsitzes durchzuführen.
Bei dieser Analyse wird gleichzeitig eine statische Finite-Elemente-Analyse für beide Trägergleitsitzbaugruppen durchgeführt. Dieses Dokument konzentriert sich speziell auf eine detaillierte Analyse der neuen Struktur des Balkengleitsitzes und lässt die Besonderheiten der ursprünglichen Gleitsitzanalyse weg. Es ist wichtig zu beachten, dass die universelle Fünf-Achsen-Maschine zwar keine schwere Zerspanung bewältigen kann, bei Abnahmetests jedoch häufig Festwinkel-Schwerzerspanungsprüfungen und Hochgeschwindigkeitszerspanungsabnahmen für „S“-Teile durchgeführt werden. Das Schnittdrehmoment und die Schnittkraft können in diesen Fällen mit denen beim Schwerzerspanen vergleichbar sein.
Basierend auf jahrelanger Anwendungserfahrung und tatsächlichen Lieferbedingungen ist der Autor davon überzeugt, dass andere große Komponenten der universellen Fünf-Achsen-Maschine die Anforderungen an die Widerstandsfähigkeit gegen starke Schnitte vollständig erfüllen. Daher ist die Durchführung einer vergleichenden Analyse sowohl logisch als auch routinemäßig. Zunächst wird jede Komponente vereinfacht, indem Gewindelöcher, Radien, Fasen und kleine Stufen entfernt oder komprimiert werden, die sich auf die Netzteilung auswirken könnten. Anschließend werden die relevanten Materialeigenschaften jedes Teils hinzugefügt und das Modell zur statischen Analyse in die Simulation importiert.
In den Parametereinstellungen für die Analyse bleiben nur wesentliche Daten wie Masse und Kraftarm erhalten. Der integrierte Trägerschlittensitz wird in die Verformungsanalyse einbezogen, während andere Teile wie das Werkzeug, der Fünf-Achsen-Bearbeitungskopf und der Fünf-Achsen-Schlitten für Schwerzerspanung als starr gelten. Die Analyse konzentriert sich auf die relative Verschiebung des Trägergleitsitzes unter äußeren Kräften. Die äußere Last beinhaltet die Schwerkraft und gleichzeitig wird eine dreidimensionale Kraft auf die Werkzeugspitze ausgeübt. Die Werkzeugspitze muss im Voraus als Kraftbelastungsfläche definiert werden, um die Werkzeuglänge während der Bearbeitung nachzubilden und gleichzeitig sicherzustellen, dass der Schlitten am Ende der Bearbeitungsachse positioniert ist, um eine maximale Hebelwirkung zu erzielen und die tatsächlichen Bearbeitungsbedingungen genau zu simulieren.
DerPräzisionsdrehteilewerden durch eine „Global Contact (-joint-)“-Methode miteinander verbunden und Randbedingungen werden durch Linienteilung festgelegt. Der Balkenverbindungsbereich ist in Abbildung 7 dargestellt, die Rasterteilung ist in Abbildung 8 dargestellt. Die maximale Einheitsgröße beträgt 50 mm, die minimale Einheitsgröße beträgt 10 mm, was insgesamt 185.485 Einheiten und 367.989 Knoten ergibt. Das Gesamtverschiebungswolkendiagramm ist in Abbildung 9 dargestellt, während die drei axialen Verschiebungen in X-, Y- und Z-Richtung in den Abbildungen 10 bis 12 dargestellt sind.
Nach der Analyse der Daten wurde das Wolkendiagramm in Tabelle 1 zusammengefasst und verglichen. Alle Werte liegen innerhalb von 0,01 mm voneinander. Basierend auf diesen Daten und früheren Erfahrungen gehen wir davon aus, dass der Querträger keine Verzerrungen oder Verformungen erfährt, sodass in der Produktion ein Standard-Querträger verwendet werden kann. Nach einer technischen Prüfung wurde diese Struktur für die Produktion freigegeben und bestand den Stahltest beim Schneiden erfolgreich. Alle Präzisionstests der „S“-Teststücke entsprachen den geforderten Standards.
Wenn Sie mehr wissen oder eine Anfrage stellen möchten, wenden Sie sich bitte an unsinfo@anebon.com
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 06.11.2024