朱贊彬， 孟凡燁

(1.信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000；2.國(guó)家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

石墨加工中心主要用于加工石墨模具及石墨電極，隨著未來(lái)5G信號(hào)以及無(wú)線電充電技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的電子設(shè)備將采用3D玻璃蓋板，因此用于3D玻璃熱彎的石墨模具將有廣闊的市場(chǎng)[1]，石墨手機(jī)熱彎模具如圖1所示。石墨熱彎模具主要性能如下。

(1)優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、潤(rùn)滑和抗磨性；

(2)線膨脹系數(shù)低，具有很好的熱穩(wěn)定性能及抗加熱沖擊性能，在高溫下強(qiáng)度隨溫度升高而增大[2]；

(3)耐化學(xué)腐蝕與大多數(shù)金屬不易發(fā)生反應(yīng)；

(4)可以制作成形狀復(fù)雜、精度高的模具。

由于石墨具有其他材料不具有的這些特性，在熱彎模具以及石墨電極上被廣泛使用，與普通金屬加工機(jī)床相比石墨加工中心必須具備以下性能[3]。

(1)良好的密封性。由于石墨加工時(shí)產(chǎn)生大量的石墨粉塵，這種粉塵不僅導(dǎo)電且密度較輕，若防護(hù)等級(jí)不高石墨粉塵一旦進(jìn)入傳動(dòng)部件對(duì)絲杠導(dǎo)軌等關(guān)鍵零部件會(huì)造成非常嚴(yán)重的破環(huán)，甚至使零部件直接報(bào)廢。若進(jìn)入機(jī)床電氣柜或電路板上可能導(dǎo)致短路，因此其密封防護(hù)非常重要。

圖1 石墨手機(jī)熱彎模具

(2)良好的剛性。這主要是由模具本身的加工精度決定的，為了滿足手機(jī)玻璃后蓋等電子設(shè)備玻璃蓋板熱彎后的形位公差及表面質(zhì)量，要求石墨的熱彎模具其平面度達(dá)到3 μm以內(nèi)，其凹凸模具兩個(gè)相對(duì)平面的平行度要求達(dá)到5 μm以內(nèi)，這就對(duì)加工中心的整體性能提出了較高的要求，不僅要保證極高的定位精度，同時(shí)整個(gè)機(jī)床應(yīng)具有較好的剛性以及抗振性。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合石墨加工的特點(diǎn)，在以原有龍門加工中心為基型的基礎(chǔ)上，研制了一款專用于石墨、銅電極等模具加工的龍門機(jī)床，其整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 龍門機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)

機(jī)床的基本參數(shù)如下：三軸行程分別為X軸650 mm、Y軸500 mm、Z軸300 mm，主軸為內(nèi)裝式電主軸，最高轉(zhuǎn)速30 000 r/min，最大功率5.5 kW，刀庫(kù)為傘形刀庫(kù)，刀柄型號(hào)為HSK-E40，整機(jī)質(zhì)量約4 500 kg，系統(tǒng)采用發(fā)那科0i-MF系統(tǒng)，三軸進(jìn)給采用αiF伺服電機(jī)，三軸均為滾珠絲杠傳動(dòng)并搭配海德漢絕對(duì)式光柵尺實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。

2 立柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 立柱的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于此類機(jī)床的立柱結(jié)構(gòu)是影響機(jī)床整機(jī)動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件[4-5]，因此對(duì)立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。本設(shè)計(jì)方案中整個(gè)立柱采用一體式橫梁Ⅱ型全包覆箱體結(jié)構(gòu)[6]，增大了立柱與床身的結(jié)合面積，提高了立柱的支撐強(qiáng)度，因而增強(qiáng)了整機(jī)剛度，立柱結(jié)構(gòu)外形如圖3所示。

圖3 立柱結(jié)構(gòu)外形

2.2 立柱筋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了方便鑄件起模，一般機(jī)床廠家采用的立柱筋板結(jié)構(gòu)如圖4所示，此立柱的重量為1 268.79 kg。

圖4 改進(jìn)前立柱筋板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

根據(jù)此結(jié)構(gòu)立柱的基本受力情況并結(jié)合石墨加工的受力特性，按照內(nèi)三角形原理設(shè)計(jì)將立柱的上橫梁內(nèi)部筋板分為上下兩個(gè)部分，均為W型設(shè)計(jì)，立柱的支撐柱部分亦為三角形筋板[7-9]。為了使W型筋板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的效果，需要對(duì)其進(jìn)行尺寸參數(shù)的優(yōu)化[10]。W型筋板可看做兩個(gè) V 字型筋板的組合。因此每個(gè)W 形筋板的優(yōu)化只需對(duì)兩個(gè) V 字型筋板進(jìn)行優(yōu)化[11]。考慮到兩筋板角度較小時(shí)難以制造，因此優(yōu)化時(shí)控制兩相鄰筋板之間的角度值均大于20°[12-13]。W 型筋板結(jié)構(gòu)采用上下或左右對(duì)稱形式，本次優(yōu)化選取兩個(gè)角均為35°，改進(jìn)后此立柱的重量為1 269.42 kg，筋板布局如圖5所示，優(yōu)化后其質(zhì)量基本保持不變。

圖5 改進(jìn)后立柱筋板型式

2.3 不同筋板結(jié)構(gòu)靜力學(xué)對(duì)比分析

結(jié)合以往立柱靜力學(xué)分析方法及機(jī)床的實(shí)際工況，對(duì)立柱采用空間4節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，立柱材質(zhì)為灰口鑄鐵HT300，取其彈性模量為1.3×105MPa，泊松比為0.27，材料密度為7 350 kg/m3。設(shè)定好基本參數(shù)后，將模型的圓角及某些不重要的孔忽略并進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，兩種不同布局的筋板網(wǎng)格劃分分別如圖6、圖7所示。

圖6 改進(jìn)前立柱網(wǎng)格劃分

圖7 改進(jìn)后立柱網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分完畢后對(duì)兩種不同筋板的立柱進(jìn)行靜力學(xué)對(duì)比分析，兩種立柱均施加相同的約束與載荷，如圖8所示。

圖8 施加約束與載荷

經(jīng)過(guò)ANSYS軟件運(yùn)算得出兩種立柱的總體變形分別如圖9、圖10所示，最大主彈性變形分別如圖11、圖12所示，從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后減小了立柱的總體變形量和最大彈性變形量，其靜剛度得到了較大提升。

圖9 改進(jìn)前立柱總體變形

圖10 改進(jìn)后立柱總體變形

圖11 改進(jìn)前立柱最大主彈性變形

圖12 改進(jìn)后立柱主彈性變形

3 小結(jié)

(1)重點(diǎn)對(duì)立柱筋板布局進(jìn)行了對(duì)比分析，通過(guò)改進(jìn)立柱的筋板布局并結(jié)合加工受力情況，施加相同約束及載荷對(duì)立柱進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明改進(jìn)后其總體變形和最大彈性變形都明顯減小，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(2)由于石墨加工會(huì)產(chǎn)生大量的石墨粉塵，且現(xiàn)階段一般不加冷卻液，因此要設(shè)計(jì)多重防護(hù)，防止石墨進(jìn)入絲杠或電配箱造成機(jī)床故障。

(3)石墨加工時(shí)，吸入石墨粉塵對(duì)操作者有較大傷害，因此要加強(qiáng)機(jī)床防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)，操作者需要佩戴專用防護(hù)面罩。