摘要: 以某五坐標（biāo）立式加工中心（xīn）為例，介紹（shào）了整體防護部（bù）件的（de）關鍵設計要素，分析並（bìng）改進了原有結構，用全新的思路實現了相關功能，兼顧外觀性與製造工藝性，為類似機（jī）床的相關設計（jì）提供借鑒（jiàn）和參考。

      關鍵詞: 加工中心（xīn）; 整體防護; 設計要素

      世界總體經濟（jì）形（xíng）勢的變化，推動我國製造業的變革（gé）與發展，高檔數控機床在國內用戶中的認知程度不斷加深，其高剛性、高精度、高可（kě）靠性、高適應（yīng）性的特（tè）點能夠（gòu）滿足不（bú）同行業、不同產品加工的多樣化需求，逐（zhú）步成為用戶在采購、更新機床設備時的首選。質量優秀的高檔數（shù）控機床在其全壽命使用期間，能（néng）夠為用戶提供更高的加工效率，更廣的（de）加工範圍，更低的維（wéi）護成本，從而（ér）為企業創造更大的收益。

      五坐標立（lì）式加工中心作為高檔數控機床中的一員（yuán），其市場長期被國（guó）際主要機床生產廠商壟斷。隨著“高檔數控機床與基礎製造裝備”等科技（jì）重大專項的逐步實施，國產機床廠商在這（zhè）一領域嶄露頭角，誕生了一批性能優異的設備，功能（néng）逐步完備。高端的市場定位，注定其必（bì）須在各項指標和（hé）功能上達到甚至超過國外廠商，才能在激烈競爭的市（shì）場中占據一席之地，這就對各廠（chǎng）商在機床設計研發、生產（chǎn）製造（zào）、售後服務各環節（jiē）提出了更高的要求。目（mù）前，機床整體防（fáng）護等外圍附件的水平偏低，故障頻發，導致（zhì）整機的可靠性無法提高（gāo），用戶體驗不佳，成為國內機床廠商發展（zhǎn）的瓶頸之一。

      1 、機床總體情況

      該（gāi）機床為AB 擺角五坐標立式加工中心( 圖1) ，工作台（tái）沿左右方向移動( X 坐標) ，立柱沿（yán）前後方（fāng）向移動（dòng）( Y 坐標) ，垂滑板沿上下方向移動( Z 坐標) ， 同時包括分別繞X 軸（zhóu）和Y 軸擺動的A、B 擺角（jiǎo），並可配備最高轉速4 000 ～ 6 000 r /min 的機（jī）械主軸，機床具有較（jiào）高（gāo）的剛性、精度及較大的主軸扭矩，適合加工以鈦合金、合（hé）金鋼等黑（hēi）色金屬材料以及以鋁合金等輕金屬材料製成的各種複（fù）雜型麵（miàn）工件。機床占地100 ～ 120 m2，包括機床主體、電氣、液壓、冷卻、潤滑、排屑、刀庫等各功能部件（jiàn）( 圖2) 。

       2、 整體防護設計要素（sù）

      機床整體防護作為五坐標立式加工中心的重要組成部分，針對用戶對於機床在安全性、功能性和外觀性等方麵的相應要求，為機床操作（zuò）者提供安全保障，為機（jī）床（chuáng）正常加工提供（gòng）功能支撐，為企業生產管理提供便利條（tiáo）件，同時還應滿足（zú）製造工（gōng）藝性等方麵的相應要求( 圖3) 。

      安全（quán）性方麵，整體防護將機床加工區與非加工區分隔，防止加工過程中（zhōng）的切屑、冷卻液任意（yì）飛濺，隔離（lí）機床噪音，保護操作者的人身安全，同時保證刀庫、電氣櫃、液壓站等功（gōng）能部件正常工（gōng）作。功能性（xìng）方麵，整體防護與（yǔ）機床的排屑器、導軌防護罩相配合，對切屑和冷卻液實現分類回收，利用防（fáng）護門、刀庫門等裝置（zhì）隔離加工區域的同時，實現人員進出、工件裝卸及自動換刀等相關功能，此外，整體防護還（hái）應避（bì）免與機床運動部件的幹涉，提供必要的線纜管路布置通道等。

      外觀性方麵，整體（tǐ）防護在考慮功用和可實現性（xìng）的同時，應兼顧美觀（guān）性與可（kě）維護性，使操作人（rén）員（yuán）易於操作，易（yì）於觀察機床工作狀態，保持舒暢的（de）工作心情，並使機床與生產現場的整體環境相協調，利於現場清潔和生產管（guǎn）理等。

      工藝性方麵，在（zài）滿足上述要求的同時，整體防護的零件應盡可能便於加工製（zhì）造，便於裝配、運輸和二次裝配。良好的（de）工藝性，能夠降（jiàng）低生產、裝配的難度（dù），降低人力成本和運輸成本，也更易於保證零件質量。

 
      3 、樣機存在問題

      樣機的方案參考了（le）小型加工中心的整體防護設計思路（lù），在機床加工區形成了一個封（fēng）閉的防護（hù）空間，在防護的相關要求上（shàng）基本達到了相應的效果( 圖4) 。

      但（dàn）由於（yú）該機床與常規（guī）的三坐標加工中心不同，各（gè）坐標行程較大( X 向4 000 mm，Y 向1 300 mm，Z 向800mm) ，且帶（dài）有AB 擺角，防護的區域大幅超出常規加（jiā）工中心，樣機製造裝配過程中發現了較多問題，雖能保證機床正常加工，但製造難度較大，且不便於後期維護（hù）維修，效（xiào）果不理想，主要問題如下（xià）:

      ( 1) 單個零（líng）件尺寸大，特別是整體移動式的防護門，輪廓尺寸達（dá）3 ～ 4 m，需要鋼板拚接，工作量大，且拚接後容易變形，影響整體效果，加之裝（zhuāng）配搬運困難，容易造成二次變形，加大了裝配（pèi）調（diào）整的難度，日常（cháng）維護困難。

      ( 2) 僅在正麵和兩側設有（yǒu）觀察窗口，可視區域較小，操作人員視線易被遮擋（dǎng），又因是封閉防護，切削油霧附著（zhe）在觀察窗表麵，可視效果差。

      ( 3) 工作（zuò）台前後兩側用防護（hù）擋板將切屑和（hé）冷卻液導入螺旋排屑器中，排屑器長度達9 ～ 10 m，距離地麵300 ～ 400 mm，防護（hù）擋板需要（yào）多塊拚接組裝，接縫處難以嚴格密封，機床周圍（wéi）常有（yǒu）冷卻液溢出，影響生產（chǎn）現場環境( 圖5) 。

      ( 4) 機（jī）床X 向底座和Y 向底座交匯處是（shì）切屑（xiè）和冷卻液的聚集區域，防護難（nán）以妥善處理，既要保證切（qiē）屑和冷卻液順利導入排屑器，又要顧（gù）及X 向、Y 向移動部件防止幹涉，同時要為刀庫（kù）移動（dòng）和自動換刀提供相（xiàng）應的防護門和換刀空間，而且要避讓主軸及AB 擺角的運動（dòng）範圍，多方麵因素常常（cháng）顧此（cǐ）失彼，導致切屑淤積（jī），冷卻液回流不暢，不斷滲漏。

     4 、改進與（yǔ）優化設計

     針對上述問題，研究了國內外相似機床的防護設計，借鑒了我所橋式加工中心、龍門加工中心（xīn）等成熟產（chǎn）品的防護經驗，與（yǔ）機（jī）床總體設計（jì）協調考慮，進行（háng）了如下（xià）設計改進（jìn）與優化（huà）:

  
      ( 1) 針對AB 擺（bǎi）角加工中心的結構特點，分析切屑和冷卻液飛濺區域( 圖7) ，確定防護高度，取（qǔ）消頂部防護，整個結構更加便於工（gōng）件裝卸，這一改進，使原有的整體移動式（shì）防護門，變（biàn）為（wéi）結構簡單的水平推拉（lā）門，門的尺寸和重量均大幅減小，有效抑製了鈑金焊接結構自身重（chóng）力變形，上（shàng）下支撐的（de）導軌形式，避免（miǎn）了防護門的過定位約束，縮短了裝配調整（zhěng）時間，減小（xiǎo）了開關門的阻力，避免了導軌滑塊的頻繁損壞( 圖8) 。

      ( 2) 將整體防護各零件（jiàn）尺寸進行標準化分割，限製在1 m × 2． 5 m 範圍內（nèi），將原（yuán）有的整體框架與蓋板模式( 圖9) ，改為標準框架與（yǔ）擋板組成的（de）標準尺寸（cùn）組件，縮小單（dān）個零件的輪廓尺（chǐ）寸，相互連接組成防護（hù）主體，同時增加可拆卸擋板，便於對機（jī）床各部件和防護本身進行維（wéi）護維修。每個（gè）標準（zhǔn）框架中都設有觀察用窗口，與開（kāi）放式的頂部結構相結合，充分（fèn）利用了廠房環境的照明，擴（kuò）大了操作者的視野（yě）範圍。該方案盡管增（zēng）加了零件數量和（hé）裝配環節，但模塊化的設計，製造工藝性好，可重複性（xìng）高，裝配運輸較（jiào）為方便( 圖11) 。

     
      ( 3) 機床總體結構設計時改變排屑器的布置形式，將原有的兩個螺旋排屑器和一個鏈式（shì）排屑器的組合（hé）方式，改為較（jiào）大尺寸的3 個鏈式排屑器並落（luò）入機床前後兩側的地溝中，由此（cǐ）改變了（le）切屑由螺旋排屑器分別收集再到鏈式排屑器匯總的排屑方式，3 個鏈式排屑器分（fèn）擔了整個切（qiē）屑和冷卻液，避免（miǎn）了切屑在排屑器的局部（bù）堆積，降低了排屑負載，提高了排屑效率，由於地溝位於（yú）地（dì）麵以下，整體防護的內部防水（shuǐ）擋（dǎng）板可以（yǐ）獲得更大的傾斜角度，收集的切屑和（hé）冷卻液（yè）能夠迅速導入排屑（xiè）器中，減少了液體在擋板表麵的聚積和停留（liú），並設計專用地坑回收冷卻液，因此同時解決（jué）了排屑能力不足（zú）和冷卻液滲（shèn）漏地麵的問題( 圖12) 。

       ( 4) 與機（jī）床（chuáng）總體設計（jì）相協調（diào），改進Y 向導軌的防護方式，將原來的卷簾結構改為不鏽鋼伸（shēn）縮防護罩（zhào），並將YZ 向電纜管路的拖（tuō）鏈布置外移，為立柱兩側留出必要的防護（hù）空間，同時調整刀（dāo）庫的布局（jú）和換刀方式，將原先的刀庫直接（jiē）送進的換刀方式改為由機械手送進，使刀庫遠離加工區域，從而簡化刀庫門的形狀結構，利於避讓主軸及擺角（jiǎo）的運動區域，充分利用排屑器和地溝，將切屑和冷卻液及時導流，有效改善了切（qiē）屑集中區域的防護效果( 圖13) 。

        5 、改進效（xiào）果與小結

  
       通過（guò）一係列（liè）改進措施，形成了新的整體（tǐ）防護設計( 圖14) ，相比原有設（shè）計（jì）而言，設計、製造、裝（zhuāng）配難度均大大降低，盡管因（yīn）為零件數量的增加導致工作量有所增加（jiā），但（dàn）結構相對簡單的（de）零件更利於保（bǎo）證製造質量，同時減少不必要的裝配困難，該方案已在兩家用戶的3台機床上得到（dào）實施（shī），效果良好。

       整體防護部件與機床其他部件的不同在於，其他部件之間、零件之（zhī）間多是一對一和一對二的裝配關係，整體防護部件中的每一個零件和焊接組件，通常（cháng）與周圍3 個甚至更多的零部件存（cún）在裝配關係，一處修改影響相（xiàng）關的所（suǒ）有零件，設計（jì）工作量成倍增加，且零部件中多是對稱件或相似件，在零件編號、加工製造中容易造成混亂，在裝（zhuāng）配過程中對（duì）零件的辨識和區分也存在一定困難，因此，在滿（mǎn）足功能需求（qiú）的情況下，盡量（liàng）減少零件數量，設（shè）計通用（yòng）性強的結構（gòu）件（jiàn），成為整體防護設計人員不斷追求的目標。

      冷卻液的收集回流並防止滲漏，始終是困擾設計人員的重要問（wèn）題，從（cóng）液體流動（dòng）的角度出發，如何引導更勝於（yú）如（rú）何阻擋，讓冷卻液體（tǐ）沿著設計好的通路迅速（sù）流走，避免在固定位置過多滯留，使用耐腐蝕的密封條和密（mì）封膠（jiāo）對縫隙進行處理，能夠較為理想的解決這一難題。

     同時，由於是整體防護，則要求設計、製造、裝配（pèi）人員具有較強的全局概念（niàn），將機床主體結構和整體布局（jú）考慮其中，使整體防護的功用與機床功能、線纜布置相協調，及時溝通相互之（zhī）間的問題，均衡（héng）調（diào）整尋求更佳解（jiě）決方案，也是做好機床整體防護的重要因素。