直線滑軌安裝孔的欠佳除開沉孔深層不一致、沉孔直徑規(guī)格誤差、沉孔的倒圓角誤差以外，也有更比較嚴(yán)重的直線滑軌安裝孔間隔的積累偏差誤差，立即危害直線滑軌安裝精密度，沉孔規(guī)格誤差具備螺帽密封性實際效果
說白了
直線導(dǎo)軌安裝孔間隔的積累誤差，就是指在1根直線導(dǎo)軌上存有好幾個孔(比如，2m的25mm規(guī)格型號直線導(dǎo)軌上存有67個孔)，數(shù)控車床一般通過使麻花鉆和直線導(dǎo)軌數(shù)次相對性挪動來開孔，進(jìn)而在前面和后邊的孔間隔中積累誤差，在業(yè)內(nèi)積累偏差的緣故是導(dǎo)軌原材料不勻稱，破孔時無伸縮式周期性，數(shù)控車床本身精度級別不夠，破孔速率超出主滾動軸承精密度和彎曲剛度容許范疇，數(shù)控車床設(shè)計方案不合理的系統(tǒng)軟件偏差等。
直線導(dǎo)軌安裝孔的加工要求
如圖1所示，直線導(dǎo)軌安裝孔沉孔、孔口倒角、底孔的尺寸和中心距有一定精度要求，底孔倒角精度要求低。在其中中心間距精度最重要，鄰近孔位精度無須像公司規(guī)定的±0.05mm之內(nèi)那般高，但務(wù)必抑止積累偏差。以25mm規(guī)格導(dǎo)軌為例，德國某品牌直線導(dǎo)軌安裝孔中心距公差圖樣要求只是±0.3mm，但包含了累積誤差。本文建議直線導(dǎo)軌任意兩孔的中心距公差標(biāo)準(zhǔn)按±0.2mm控制。
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圖1 直線導(dǎo)軌安裝孔加工要求
一般的直線導(dǎo)軌鉆孔機方案分析
?。?）采用導(dǎo)軌移動、鉆削頭固定的直線導(dǎo)軌鉆孔機。這種鉆孔機占地面積很大，一般采用4個動力頭分別從導(dǎo)軌兩側(cè)鉆孔，導(dǎo)軌臥式，逐個孔依次移動完成所有孔的鉆削。
這種鉆孔機對導(dǎo)軌移動又有兩種驅(qū)動方案。一是伺服機構(gòu)整體拖動直線導(dǎo)軌全長范圍連續(xù)移動（下稱“導(dǎo)軌全行程伺服驅(qū)動移動四主軸加工”方案），此方案鉆孔精度可達(dá)到要求，但換型號不方便；二是在行程很短的伺服滑臺上安裝可以移動的液壓虎鉗、配合固定虎鉗交換夾緊和松開直線導(dǎo)軌，每次移動一個孔位，完成直線導(dǎo)軌全部孔的加工（下稱“導(dǎo)軌液壓夾緊交換驅(qū)動四主軸加工”方案），這種方案孔距累積誤差難以做到合格，比如，相鄰孔距偏差即使只有0.01mm，60多個孔，累計偏差就超過了0.6mm，由于導(dǎo)軌鉆孔時伸長或縮短重復(fù)性差，即使通過數(shù)控系統(tǒng)補償滑臺誤差，累積誤差也難以穩(wěn)定解決。
?。?）單主軸移動、分工步加工方案。即采用1個傳統(tǒng)的單頭動柱鉆孔機，先鉆完所有底孔，再回去從第一個孔開始逐一鉆沉孔、沉孔孔口倒角，各工步分次鉆削，采用這一方案的國產(chǎn)機床成本比較低，但效率也很低。
?。?）單主軸移動、成型復(fù)合刀加工方案。采用復(fù)合鉆頭1次鉆削底孔、沉孔和孔口倒角，刀具成本很高，對機床剛性要求非常高。
?。?）雙主軸單驅(qū)加工方案。此方案是在傳統(tǒng)動柱鉆孔機的Z軸滑板上固定安裝兩個主軸，配合完成底孔、沉孔和孔口倒角。方案與“單主軸移動、成型復(fù)合刀加工方案”相比，效率相當(dāng)，但刀具費用有所降低，沉孔還是必須完全用成型刀锪孔，刀具消耗成本仍然比較高。
（5）三主軸單驅(qū)加工方案。此方案是在傳統(tǒng)動柱鉆孔機的Z軸滑板上固定安裝3個主軸，配合完成底孔、沉孔和孔口倒角。方案與“雙主軸移動、主軸單驅(qū)加工方案”相比效率有所提升，刀具費用降低，但3個頭固定，鉆頭更換時調(diào)整麻煩，加工效率與沉孔深度和倒角均勻性質(zhì)量難以兼顧，工人往往會犧牲加工質(zhì)量。
（6）三主軸三驅(qū)加工方案。此方案是在動柱鉆孔機的立柱上安裝3個滑臺，每個滑臺上安裝一個鉆削頭，每個鉆削頭獨立通過伺服驅(qū)動鉆孔。3個主軸可以獨立控制深度，配合完成底孔、沉孔和孔口倒角。方案與“三主軸移動、主軸單驅(qū)加工方案”相比效率明顯提升，刀具費用降低。本機優(yōu)點是效率較高，質(zhì)量合格率高。缺點是機床成本較高。
?。?）三主軸三驅(qū)加工方案加底面倒角。此方案是在“三主軸移動、主軸三驅(qū)加工方案”的基礎(chǔ)上，底面加1個倒角動力頭，1次裝夾完成導(dǎo)軌所有孔的加工。本機優(yōu)點是效率高、質(zhì)量合格率高。缺點是機床成本高。
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圖2 本文直線導(dǎo)軌鉆孔機方案
1.鞍座；2.立柱；3.三組雙聯(lián)銑削主軸；4.工作臺與夾具；5.床身
?。?）本文方案是在主軸三驅(qū)加工方案的基礎(chǔ)上，將單排的三主軸更改為三組雙聯(lián)銑削主軸，研發(fā)設(shè)計出一種新型的“雙排三主軸三驅(qū)加工方案”的直線導(dǎo)軌鉆孔機，同時鉆削兩根導(dǎo)軌，成倍地提高了加工效率。
?。?）本文直線導(dǎo)軌鉆孔機的三組雙聯(lián)銑削主軸。如圖3所示，為本文自主研發(fā)設(shè)計的雙聯(lián)精密銑削主軸，采用高剛性精密主軸軸承組合，控制主軸軸向圓跳動和徑向圓跳動精度都在0.01mm以內(nèi)，這樣的主軸可以用于自銑直線導(dǎo)軌安裝定位面、保證兩條導(dǎo)軌定位基準(zhǔn)面與兩排主軸的同步平行度，鉆孔時定位精度較高，無須中心鉆定位即可滿足鉆孔定位精度的要求。
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圖3 三組雙聯(lián)銑削主軸安裝
（3）雙排三主軸三驅(qū)加工方案高質(zhì)量高效率工作的原理。如圖4圖示，每列的三個主軸軸承一次成形生產(chǎn)加工2個滑軌的底孔、沉孔和孔倒角，以配對一個直線滑軌。每列的第一個主軸安裝比沉孔稍小的規(guī)范麻花鉆，開啟沉孔，留有細(xì)微的馀量；第二個主軸用第一個主軸開洞，全自動放心，減少孔的剩馀一部分的薄厚，操縱同軸度；第三個主軸安裝帶導(dǎo)向性的鏜孔數(shù)控刀片，鏜孔的細(xì)微馀量和倒圓角由于沉孔的大部分切削工作量由成本更低、鉆孔效率更高的標(biāo)準(zhǔn)鉆頭代替、大幅度降低了昂貴的成型锪孔刀的消耗。
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圖4 雙排三主軸三驅(qū)加工方案高質(zhì)量高效率工作的原理示意
本方案可快捷地優(yōu)化3組鉆頭配合分擔(dān)鉆削量，讓3組鉆頭工作時間更加平均，節(jié)省鉆削時間。
另外，底孔倒角可在機床自動鉆孔時間范圍內(nèi)，由工人用普通設(shè)備手動完成，或者用另行配套的、很低成本的全自動氣動倒角機完成，不影響整體鉆孔效率和質(zhì)量水平。
（4）本文方案的機床主軸布局分析。本文方案鉆孔范圍包括了滾珠導(dǎo)軌和滾柱導(dǎo)軌從15mm到65mm的全部規(guī)格，相鄰孔距有30mm、40mm、52.5mm、60mm、80mm、105mm、120mm等尺寸，采用覆蓋上述孔距的最小公倍數(shù)方案，并考慮調(diào)整效率、機床成本及加工效率等因素，將上述3組主軸兩兩之間中心距分240mm（參考圖4）和315mm兩種距離布局，只需調(diào)整1次就可以滿足上述所有孔距的加工要求，本文設(shè)計了快速定位調(diào)整裝置，調(diào)整非常方便快捷。
?。?）X軸動柱驅(qū)動方案分析。本文采用自身已經(jīng)成熟應(yīng)用到型材加工中心的齒輪齒條驅(qū)動方案，并選用高精度磁柵尺作閉環(huán)控制，以保證精度的穩(wěn)定性。本文在床身設(shè)計上也預(yù)留了動螺母滾珠絲杠驅(qū)動方案，供更加信任滾珠絲杠傳動方案的用戶選擇。
?。?）夾具設(shè)計與夾緊方案分析。集中控制的壓緊機構(gòu)，保證定位夾緊可靠。可調(diào)整壓緊頭，能適應(yīng)不同型號導(dǎo)軌快速換型調(diào)整。由于導(dǎo)軌形狀差異很大，有的側(cè)面上下等寬，有的不等寬，因此，除15mm型號采用兩邊抱住夾緊外，其余型號都只壓緊導(dǎo)軌下側(cè)面，而在頂面的另一側(cè)設(shè)置防止導(dǎo)軌翻轉(zhuǎn)的限位蓋（見圖5）。
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圖5 夾具示意
切削排水管道便捷:數(shù)控車床設(shè)計方案為多種多樣型號規(guī)格同用一套夾具，在夾具上設(shè)立導(dǎo)孔設(shè)定躲避孔，這種孔在具備排水管道作用的另外，在夾具支撐板抗壓強度的容許范疇內(nèi)，在2個拉力中間設(shè)計方案切削排水口，鉆屑立即掉入正下方的全自動切削排水口，清理十分便捷。
延用主軸電計選用一個主軸電機，歷經(jīng)3:1減速比降速組織推動1組2個主軸轉(zhuǎn)動，設(shè)計方案主軸強制性制冷系統(tǒng)，容許主軸連續(xù)地長期工作中。掃
（1）最小鉆孔能力評估。制約最小鉆孔能力的是主軸轉(zhuǎn)速，如果采用硬質(zhì)合金鉆頭，需要的最高轉(zhuǎn)速約3000r/min，本文采用10000～12000r/min的伺服主軸電動機，可以滿足用戶要求。
（2）最大鉆孔能力評估。制約最大鉆孔能力的是主軸輸出轉(zhuǎn)矩，45mm規(guī)格直線導(dǎo)軌沉孔直徑為20mm，65mm規(guī)格直線導(dǎo)軌沉孔直徑為26mm，選用7.5kW/47.7N·m主軸電動機，主軸輸出最大轉(zhuǎn)矩超過170N·m，可以滿足所有孔的加工。如果用戶僅僅加工35mm以下導(dǎo)軌，可以選5.5kW/34.7N·m的主軸電動機。
（3）影響機床鉆孔能力的其他因素。機床的各軸推動力、機床的各軸滑軌剛度、各軸滾珠絲桿和螺絲支撐板滾動軸承的承載力等要素危害機床的銑削能力，文中的設(shè)計方案按打孔直徑26mm的規(guī)定開展設(shè)計方案配對，考慮各型號規(guī)格直線滑軌的銑削規(guī)定。
（4）各種數(shù)控直線導(dǎo)軌鉆孔機方案對比分析（其中，A鉆孔時間為1根4m25mm規(guī)格導(dǎo)軌用時）如附表所示。
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直線導(dǎo)軌鉆孔機方案
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A鉆孔時間/min
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B設(shè)備單價加權(quán)/萬元
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C質(zhì)量＋成本系數(shù)加權(quán)（范圍1—10、評分理由）
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D加權(quán)成本系數(shù)＝A×B×C
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綜合競爭力排名
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導(dǎo)軌全行程伺服驅(qū)動移動四主軸加工
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25
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20
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2（沉孔倒角質(zhì)量風(fēng)險加權(quán)）
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1 000
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7
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導(dǎo)軌液壓夾緊交換驅(qū)動四主軸加工
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30
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15
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10（累積誤差不合格，偶爾2mm誤差大風(fēng)險）
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4 500
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9
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單主軸移動、分工步加工
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60
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10
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2（低成本設(shè)備沉孔倒角質(zhì)量風(fēng)險加權(quán)）
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1 200
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8
|
|
單主軸移動、成型刀復(fù)合加工
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20
|
25
|
2（刀具成本、底面倒角加權(quán)）
|
1 000
|
6
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雙主軸單驅(qū)加工
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20
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20
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1.8（底面倒角成本、刀具成本和沉孔質(zhì)量加權(quán)）
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720
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5
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三主軸單驅(qū)加工
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18
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22
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1.5（底面倒角成本、沉孔質(zhì)量加權(quán)）
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594
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3
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三主軸三驅(qū)加工
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10
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50
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1.2（底面倒角成本加權(quán)）
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600
|
4
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三主軸三驅(qū)加工加底面倒角
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10
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55
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1（國產(chǎn)機估價，臺灣某品牌超20萬美元）
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550
|
2
|
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雙排雙主軸三驅(qū)加工
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5
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63.8
|
1.2（底面倒角成本加權(quán)）
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383
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1
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各種數(shù)控直線導(dǎo)軌鉆孔機方案對比分析表
本文研發(fā)的新型直線導(dǎo)軌鉆孔機，設(shè)計了由三個獨立伺服軸驅(qū)動的三組雙聯(lián)減速精密主軸，已經(jīng)生產(chǎn)的樣機加工100根4m25mm規(guī)格的直線導(dǎo)軌樣品經(jīng)過檢測，任意兩孔孔距誤差全部在±0.2mm以內(nèi)，絕大部分孔距誤差實測在±0.1mm以內(nèi)、孔徑在設(shè)計公差范圍內(nèi)、倒角均勻，加工質(zhì)量合格。每兩根導(dǎo)軌加工時間可控制在10min之內(nèi)（平均每根5min），加工效率是其他直線導(dǎo)軌鉆孔機的2～12倍，達(dá)到了高質(zhì)量高效率的研發(fā)設(shè)計目標(biāo)。
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