高速数控切割机床倾斜台面的研究与设计

The research and design of tilting bed of high-speed NC cuting machinesYANG Hongguang ，ZHAO Qingzhi①(###School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，CHN；###School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，CHN)Abstract：In this paper，tilting bed design scheme in which cuttings are removed easily is proposed.Then a vibra。

tion force analysis model of thin layer of scraps is built and eventually get the range of angle of bank ofthe bed validated by experiments，which provides a reference for the design of high-speed NC cuttingmachines。

Keywords：NC Cuting Machines；Tilting Bed；Chip Removal近年来为适应广告等行业发展需要，市场上开发出了-种适用于切割铝、薄钢板、塑料纸张、皮革、布料、有机玻璃、环氧树脂、亚克力、毛料、塑料、橡胶等材料中，工作台呈水平放置(图 1所示)的高速数控切割机床。这种高速数控切割机床工作台较大且是水平设计的，在切割过程中切屑堆积在工件上，排屑困难，并且散落在地面上，影响环境卫生和产品的质量，需人工排屑又增加劳动强度，降低生产效率。本文提出易于排屑的倾斜台面设计方案。

1 传统水平台面高速切割机床的特点传统高速切割机床(以BXG-1325IIA型数控切割机床为例)如图1所示，长3.6 m，宽2.6 m，高 1.3 m，、Y方向上采用齿轮齿条传动， 方向上采用滚珠丝杠传动。

从其近几年在市场上的应用和发展来看，主要优点为：(1)结构简单，功能广泛；(2)尤其适合加工薄钢材、铝板、有机玻璃和塑料等板材类零件，应用广泛。

结合其加工条件，经过用户使用得出其缺点主要表现为：(1)切屑排除困难，-方面切削热集中在工件表· 106 ·面，不利于工件精度的提高 ；另-方面切屑积存在工作台上且工作台较大，清理困难，清理加工辅助时间较长，劳动强度较大，降低了加工效率，而且加工场地切屑遍地，加工环境较差。

(2)装夹工件不方便，薄钢材、铝板等水平人工搬运装夹时易变形。

图1水平工作台的传统高速切割机床2 垂直台面高速切割机床的特点2.1 垂直台面高速切割机床及其优缺点如图2所示为改为垂直台面高速切割机床的外形图。改进后，总体上保留原高速切割机床结构简单的优点，台面垂直布置，下部设置切屑自动收集箱。

等 i 0 其优点主要表现为：(1)结构简单；(2)加工过程中切屑自动下落人切屑收集箱，干净卫生，清理辅助时间短，加工效率更高；(3)工作台立起来后，占用工作场地较小，且安装时符合人的安装习惯。

图2 垂直 食 面方 案的示意 图但是改进后也出现了-些新缺点，主要表现为：(1)工作台不能太大，从人类的操作习惯和厂房的高度来看，机床总体高度不应超过2.2 13，但是宽度方面可以不做太大限制，因此除了-些特别大的加工零件外，均可满足要求；(2)切屑容易排除，但加工的工件也很有可能落下摔坏，这是-个十分致命的缺点。

2.2 垂直台面高速切割机床的优化与分析直接采用垂直台面的方案，有可能降低-些工件的加工合格率，显然这对于降低工件成本和提高加工效率方面是十分有害的。因此在加工过程中就必须采取-些防止工件摔坏的措施，如可采用磁石吸取(对于薄钢材等可磁化材料)、网袋人工辅助收集、吸盘收集等。

显然，采用这些措施就可以改善垂直台面设计的缺陷，达到优化的效果。但是进行人工收集同时也会增加工人的工作强度，而收集辅助时间与加工时间重合，原则上不会降低生产效率。

2.3 水平台面方案与垂直台面方案的对比如表 1所示，垂直台面方案和水平台面方案在 5个方面上的对比，充分显示了二者的优缺点，用户可依据这些特点来选择台面设置方案。若加工零件形状都类似于冲裁件，就可以采用垂直台面设置方案，切屑易于排除，芭方便，且无须考虑工件的摔坏问题。

表 1 垂直台面方案和水平台面方案的对比台面工艺操作垂直 水平排屑 容易 困难装夹 较困难 容易取工件 易摔坏 难取齿轮齿条传动承受力 较大 较小芭 容易 较困难簪3 倾斜台面方案的提出台面水平可以看作台面倾斜角 0。，台面垂直可以看作是倾斜角 90。，两者各具优缺点，如果台面倾斜会不会具有二者的优点而避免或减小现有的缺点呢直观上分析可以看出，在 0。～90。之间确实存在-个台面倾斜角度范围能做到既不摔坏工件又易取易放，如图3所示。对于这个倾斜角的范围可建立受力分析模型予以计算和分析。

f厂 f l ll J l ～(a) (b)图3 倾斜床身方案示意图4 倾斜台面上切屑受力分析模型4.1 切屑受力模型的建立根据切削用量、刀具几何参数和工件材料，切屑类型-般有：带状切屑、挤裂切屑、单元切屑和崩碎切屑。

切屑的形状在材料方面可归纳为塑性材料 (如钢板、铝板、铁板等)切屑和脆性材料 (如塑料、铸铁、木板等)切屑。从受力分析，显然可知形状接近于圆形的切屑更容易脱离倾斜的工作台，而类似于薄料层的切屑较难滑落脱离。本文将以薄料层为例分析切屑和工件在倾斜工作面的受力情况，当切屑薄层顺利下滑而工件薄层不出现较大抛掷运动时，就满足要求。

4.2 切屑下滑受力分析4.2.1 位移、速度和加速度如图4所示为切屑受力分析图，加工中工件受周期性激振力，表面振动位移公式为S：Asin( ) f1)(D tot式中：A为工作面沿振动方向的单振幅； 为振动角频率；t为时间； 为振动相角。

图4切屑在倾斜工作面的受力分析图· 107 ·设计与研究 g dRe∞ach分解后5 Asin((J ) f21S 0求式(2)对时间t求-阶导数和二阶导数，便得 Y方向和 方向速度 V Vx和加速度 a 、ax为Atocos(tot)， 0 (3)a -A∞ sin(tot)，a 0 (4)4.2.2 正向滑行指数 D研究切屑在工作面上的运动情况 (在这种条件下，切屑颗粒之间的相互作用力可以忽略)，首先假设切屑对工作面作相对运动，在 Y方向和 方向的相对位移为 △y、Ax；相对速度为 、 ；相对加速度为 、。 这时，切屑颗粒沿 方向的惯性力和重力分力之和为F-，孔(a Ax)Gsina0 (5)而沿 Y方向物料颗粒作用于工作面上的正压力大小为F m(a △ )Gcosao (6)式中：m、G分别为切屑颗粒的质量与重力； 、ZXx分别为切屑颗粒相对于工作面在Y方向与 方向的相对加速度； 为工作面倾角。

当切屑对工作面保持接触的情况下，工作面对切屑的极限摩擦力为Fo- F (7)式中 为切屑对工作面的静摩擦系数；-”号对应于正向滑动。

滑动开始的瞬时，切屑对工作面的相对加速度 0，因为未出现抛掷运动， 也为零。所以式(5)的F与极限摩擦力 之和等于零，即FFo0 (8)将式(5)及式(7)代人式(8)，并将式(6)及式(4)代人，便得Gsina0-fo[-m Asin(ogt)Gcosa0]0 (9)因为fotan/x。( 。为静摩擦角)，Gmg，代入式(9)，化简则得开始正向滑动的相位角 加为加 arcsi 1 (10)正向滑行指数 D 为K (11)其中 K (12)g式中：K为振动强度(或称机械指数)； 。为静摩擦角；g为重力加速度。

当正向滑行指数 D <1时，由式(10)看出 加无解，这时切屑不能出现正向滑动。所以出现正向滑动的条件为 D >1。即Dk ×由sin/xo>0， >0，显然要求 sin( 。- 。)>0，故 。-%>0，即o > 0Hao>/xo-arcsin -/xo-arcsin式中 为台面振动频率。

显然当O/。 。时，更易实现下滑故--4-w2f2A-sin/xo

4.3 工件的抛掷运动分析抛掷运动对切屑下滑的影响，有利于切屑下落，同时也容易使工件滑落摔坏∩建立工件薄层(类似于落料件)在倾斜面上的受力分析模型，与切屑受力模型类似。

当工件薄层开始抛掷运动的瞬时，沿 Y方向的相对加速度 0，正压力 F 0，借鉴切屑薄层受力分析中式(6)及式(4)可得F -mAto simpdGcosao0式中： 为抛始角。由上式可以求出抛始角 为darcsi亩 ( 4)式中：抛掷指数 DK (15)COS 0当D>I时，式(14)的 有解，工件可以出现抛掷运动；当D

显然，为使工件不出现摔坏的现象，工件薄层在工作斜面上可以不出现抛掷运动或轻微的抛掷运动。为了简化计算和避免摔坏工件，应留有-定的安全余量，使工件不出现抛掷运动，即抛掷指数 D

因为振动强度 Kto A/g，而 2竹厂，代人式(15)得D：(2订n × ×-L <1g COS0则

HMC63h机床经过二维矩形布局图元转换，拈问约束添加，优化计算 3大步骤，得到优化的布局方案。通过优化前后布局的对比，发现机床占地面积优化很大程度来 自机床辅助拈的位置调整。

4 结语图8 优化后机床三维立体图本文提出了相邻算法，引用了不干涉算法。给出了改进的遗传算法。以机床所占的矩形包络面积最小为优化目标，在不干涉约束和相邻约束条件下，给出了对机床与地接触的底面拈可简化为矩形的这-类机床布局优化的-般数学建模的方法。最后引用实例，对HMC63h型号的机床进行了优化布局，得到了布局优化后的机床，其占地面积减少 38.26%，验证了该方法对机床二维布局优化的有效性。