大量工程實踐[1 - 2]和理論計算[3 - 4]表明,螺栓球的加工質(zhì)量是決定空間結(jié)構(gòu)網(wǎng)格安全穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素。其中,螺栓球的形位誤差和螺紋誤差是加工中影響質(zhì)量的最主要問題,依照標準,目前行業(yè)中螺紋孔精度和角度誤差的合格率普遍不超過 30% ,有的誤差甚至超過國家規(guī)定標準 10 倍以上[4],施工時多采用強迫安裝,使局部受力過大,應(yīng)力集中顯著,嚴重影響空間結(jié)構(gòu)的安全。隨著大型、超大型空間結(jié)構(gòu)日益增多,對螺栓球精度的要求越來越高,安全性問題日益突出。
造成以上結(jié)果的原因是行業(yè)內(nèi)采用改造的普通機 床和人工加工方式,不能適應(yīng)螺栓球加工的特點,補 償繁瑣,勞動強度大,生產(chǎn)效率低。隨著數(shù)控技術(shù)發(fā) 展,采用數(shù)控加工中心是一種解決方案,行業(yè)上曾出 現(xiàn)利用美國辛辛那提數(shù)控中心加工螺栓球的生產(chǎn)方 式,采用普通立式加工聯(lián)合 2 軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺進行加工,但螺栓球受力巨大,為維持加工剛性需減少進給速度,而無法在行業(yè)中推廣。
開發(fā)螺栓球?qū)S眉庸C床,適應(yīng)螺栓球加工特點,提高加工精度和效率,是空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)行業(yè)亟需解決的問題。
作者針對螺栓球加工的特點,分析了螺栓球加工中的受力情況和誤差來源,提出了定心加工方案和臥式機床設(shè)計,依據(jù)分析結(jié)果計算了各個功能部件的受力以及裝配要求。
1 加工條件
設(shè)計螺栓球時,依據(jù)專用軟件的計算結(jié)果決定單 個螺栓球中螺栓孔的尺寸和方位,屬于單件生產(chǎn)。螺 栓球直徑為 120 ~ 300 mm,加工進給量 150 mm 以內(nèi), 屬短進給加工。
不考慮基準面和孔,螺栓球中每一個螺紋孔加工分為 4 步: 銑平面→鉆孔→倒角→攻絲。其中,受力或力矩最大的步驟是鉆孔和攻絲。隨著建筑大型化, 螺栓球最大孔直徑已經(jīng)達到 M50 以上。以 M40 為計算實例,鉆孔的軸向鉆削力接近 1 × 104 N,攻絲力矩達到 200 N?m,屬于重力切削加工。因此,加工中應(yīng)使用鎖緊裝置和靜態(tài)加工方法增強加工穩(wěn)定性和剛 性,并應(yīng)盡可能實現(xiàn)加工中各個部件的受力基本均 勻。
另一個現(xiàn)實條件是: 由于螺栓球為單件加工,應(yīng)盡可能使用自動設(shè)備加工,減少人工使用量和編程量,以提高效率。
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宇匠數(shù)控專業(yè)生產(chǎn):高速精密 雕銑機、精雕機、石墨機、鉆攻中心、加工中心;
針對 45 號鋼螺栓球的直徑為 10 ~ 50 mm 螺紋孔全系列加工特點,設(shè)計專用加工機床,采用球心定位結(jié)構(gòu)和臥式機床布置形式,進行了誤差影響因素分析和受力狀態(tài)下的機床剛性有限元分析,提出了機床的設(shè)計思路。結(jié)果表明:
( 1) 采用臥式轉(zhuǎn)臺和立式轉(zhuǎn)臺的軸心交點和螺栓球球心重合,實現(xiàn)球心定位,能夠減少兩項設(shè)計和避免補償加工誤差;
( 2) 球心定位結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)在于立式轉(zhuǎn)臺, 將立式轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)簡化為空心體, 當(dāng)壁面厚度在 15mm 以上時,球心點位移在 0. 05 mm 以下,考慮內(nèi)部減速機構(gòu)的分擔(dān)作用,可認為剛度能夠保證加工精度;
( 3) 有限元簡化模型中,立式轉(zhuǎn)臺的臺面和夾具連接部分為應(yīng)力集中區(qū)域,在設(shè)計中需要加強;
( 4) 機床設(shè)計應(yīng)以聯(lián)合轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)為出發(fā)點,依據(jù)機床受力逐步擴展。
設(shè)計螺栓球加工機床時,應(yīng)考慮的因素較多,包括摩擦剛度和輔助構(gòu)件等構(gòu)型設(shè)計,需要進一步研究。
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