1 前言
随着我国经济的高速持续发展和钢铁产量的迅猛增长。钢结构在工业与民用建筑中得到了越来越广泛的应用。如工业厂房、大型超市、高层住宅等。由于钢结构建筑刚度好，结构简洁，加上构件可以事先在工厂生产后再在施工现场直接安装，施工工期短而受到青睐。在钢结构构件中，广泛采用H钢构件，特别是高频焊接轻型H钢，在钢结构主梁、立柱等主要构件中有非常广泛的应用。目前，H钢的安装大多采用高强度螺栓和连结板连接。因此在施工中，最突出的问题是，H钢构件与连结板安装孔尺寸的一致性。两者的尺寸要非常准确，如果偏差较大，就会造成安装事故和巨大的经济损失。因此H刚的钻孔已成为钢结构行业中的一项关键技术。随着数控技术的广泛应用，数控系统的最小设定值一般都能达到0．001mm。采用
数控机床，解决打孔精度问题是目前广泛采用的方法。但根据钢结构行业的特点，直接采用数控机床加工，经济性差、加工成本高、机床适应性差，不适合钢结构行业应用需要。因此目前大部分企业采用引进的H钢专用三维数控钻孔机床。为了适应我国钢结构行业发展需要，我们结合钢结构行业的特点，在消化吸收了国外设计的基础上，自行开发了H钢专用三维数控钻床，具有较好的实用性和经济性。
2 H钢构件钻孔的工艺性分析
H钢所采用的材料一般均为Q235，具有较好的切削性能。在H钢的翼板和腹板上均需要钻孔。钢梁的连接一般采用高强度螺栓连接，在要求高的场合采用铰制孔螺栓连接，对孔的加工一般只需要钻孔，孔的加工精度一般为IT10级。因此采取直接钻孔的方式来达到精度IT10级的要求。而对于孔组的定位尺寸和孔间尺寸来讲，由于要与连接板一致才能满足安装要求，因此要求较高，一般为IT5—7级。这对于一般普通机床来讲就难以胜任。因此采用数控机床点位控制的方式，来保证孔组与孔间精度。
3 H钢的安装定位与加工过程分析
3．1 安装定位
考虑到H钢两翼板上均需钻孔，而且一般均为对称，因此采用将H钢卧式安放，如图1所示。并以H钢一端面和一翼面为基准，建立工件坐标原点。夹紧力向着翼面方向。保证两翼面与工作台面的垂直度，并使腹板处在水平位置。这样的安装可以使工件摆放平稳，同时可以降低机器的高度。工件端面的定位采用激光定位仪找准。
1．床身2．工作台传动辊3．固定夹具4．操作箱5．右动力头6．固定立柱7．H钢8．立式动力头9．液压缸l0．垂直导轨l1．进给传动机构l2．移动夹具l3．移动立柱l4．横梁l5．左动力头 l6．机架l7．手轮机构
图1 三维数控钻孔机床结构图
3．2 加工过程分析
根据工艺分析，采取三相异步电机和同步皮带直接带动钻削动力头主轴，采用变频调速来获得所需要的切削速度。钻削进给采用液压驱动。孔组的移位采用步进电机驱动，点位控制数控系统，来保证孔组定位尺寸与孔间尺寸精度的准确。加工过程中，将H钢通过吊装并正确定位后，转动手轮机构推动移动夹具将工件初步夹紧；起动运行开关，夹紧液压缸驱动夹紧块将工件夹紧；并开始按预先设置的程序进行加工运行。
4 总体结构及液压系统原理
总体结构参见图l。根据上述定位与加工过程分析，总体结构由固定龙门式机架，进给工作台(辊)，固定辊台，固定立柱，移动立柱，固定夹具，移动夹具，左、右动力头，立式动力头，夹紧液压缸等组成。具体如下：
(1)机架部件主要用来支撑各部件以及承受切削力。
(2)进给工作台(辊)、左右立柱、横梁导轨部件主要用来控制孔组和孔间位置；分别由4只步进电机驱动滚珠丝杠螺母机构，带动动力头位移，点位控制数控系统来保证定位的准确。
(3)动力头部件动力头由三相异步电机直接驱动主轴，并通过变频调速来获得所需要的转速；左右动力头的切削进给通过内置液压缸直接推动主轴实现工进与快退。立式动力头的切削进给是利用外置液压缸推动立式动力头来实现，它可以使动力头实现快进、工进和快退等功能。
(4)夹紧装置 夹紧装置由固定夹具、移动夹具和夹紧液压缸等组成；主要用于工件的定位与夹紧。
(5)手轮机构 由丝杠螺母和齿轮减速装置等组成；主要用来推动移动立柱调节夹具和左动力头与工件的位置。
液压系统原理参见图2。泵起动后，所有液压缸均处于退回状态。当1DT通电，夹紧液压缸运动；工件夹紧后，系统压力升高，YJ动作，使2DT通电。立式液压缸开始快进；当移动挡铁压下行程开关，开关发出指令，使3DT、4DT、5DT同时通电，三动力头同时工进；工进结束后，各动力头退回原位。系统采用容积节流调速回路，由限压式变量叶片泵供油，省去了溢流阀，同时可以提高系统的回路效率。左右切削动力头采用单向调速阀进口节流调速，和二位四通电磁换向阀来实现工进与快退。立式动力头外置式液压缸通过二位二通电磁阀的切换与单向调速阀的并联，二位四通电磁换向阀来实现动力头的快进、工进与快退。立式动力头下行时的平衡采用单向顺序阀来实现。工件的夹紧采用两只夹紧液压缸，为了防止多缸运动时对夹紧的影响，夹紧支路上，采用减压阀与单向阀串联的形式保证夹紧的可靠性。为了防止运动时的相互干扰，在每一个支路上均安装有单向阀。
1．电机2．液压泵3．过滤器4．油箱5、6、7、8．单向阀9．减压阀10．蓄能器11、12、13、14．二位四通电磁换向阀15、16、17．单向调速阀 18．单向顺序阀 19．二位二通电磁阀换向阀加．压力继电器21、22、23、24、25 液压缸
图2 液压系统原理图
5 结束语
由于该数控钻孔机床是在分析了H钢钻孔的工艺要求基础上，将液压传动与数控系统有机结合起来，充分利用数控系统点位控制定位准确、液压系统动力大，控制方便等优点，使机床结构既简单紧凑，操作方便，又充分满足机床对H钢钻孔的技术要求．因此具有较好的实用性与经济性。
参考文献：
[1] 范俊广．数控机床及应用[M]．北京：机械工业出版社，1993．
[2] 张新义．经济型数控机床系统设计[M]．北京：机械工业出版社，1994．
[3] 雷天觉．新编液压工程手册[M]．北京：北京理工大学出版社．1998．
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