大量工程实践[1 - 2]和理论计算[3 - 4]表明,螺栓球的加工质量是决定空间结构网格安全稳定性的主导因素。其中,螺栓球的形位误差和螺纹误差是加工中影响质量的最主要问题,依照标准,目前行业中螺纹孔精度和角度误差的合格率普遍不超过 30% ,有的误差甚至超过国家规定标准 10 倍以上[4],施工时多采用强迫安装,使局部受力过大,应力集中显著,严重影响空间结构的安全。随着大型、超大型空间结构日益增多,对螺栓球精度的要求越来越高,安全性问题日益突出。
造成以上结果的原因是行业内采用改造的普通机 床和人工加工方式,不能适应螺栓球加工的特点,补 偿繁琐,劳动强度大,生产效率低。随着数控技术发 展,采用数控加工中心是一种解决方案,行业上曾出 现利用美国辛辛那提数控中心加工螺栓球的生产方 式,采用普通立式加工联合 2 轴数控转台进行加工,但螺栓球受力巨大,为维持加工刚性需减少进给速度,而无法在行业中推广。
开发螺栓球专用加工机床,适应螺栓球加工特点,提高加工精度和效率,是空间网架结构行业亟需解决的问题。
作者针对螺栓球加工的特点,分析了螺栓球加工中的受力情况和误差来源,提出了定心加工方案和卧式机床设计,依据分析结果计算了各个功能部件的受力以及装配要求。
1 加工条件
设计螺栓球时,依据专用软件的计算结果决定单 个螺栓球中螺栓孔的尺寸和方位,属于单件生产。螺 栓球直径为 120 ~ 300 mm,加工进给量 150 mm 以内, 属短进给加工。
不考虑基准面和孔,螺栓球中每一个螺纹孔加工分为 4 步: 铣平面→钻孔→倒角→攻丝。其中,受力或力矩最大的步骤是钻孔和攻丝。随着建筑大型化, 螺栓球最大孔直径已经达到 M50 以上。以 M40 为计算实例,钻孔的轴向钻削力接近 1 × 104 N,攻丝力矩达到 200 N•m,属于重力切削加工。因此,加工中应使用锁紧装置和静态加工方法增强加工稳定性和刚 性,并应尽可能实现加工中各个部件的受力基本均 匀。
另一个现实条件是: 由于螺栓球为单件加工,应尽可能使用自动设备加工,减少人工使用量和编程量,以提高效率。
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针对 45 号钢螺栓球的直径为 10 ~ 50 mm 螺纹孔全系列加工特点,设计专用加工机床,采用球心定位结构和卧式机床布置形式,进行了误差影响因素分析和受力状态下的机床刚性有限元分析,提出了机床的设计思路。结果表明:
( 1) 采用卧式转台和立式转台的轴心交点和螺栓球球心重合,实现球心定位,能够减少两项设计和避免补偿加工误差;
( 2) 球心定位结构的薄弱环节在于立式转台, 将立式转台结构简化为空心体, 当壁面厚度在 15mm 以上时,球心点位移在 0. 05 mm 以下,考虑内部减速机构的分担作用,可认为刚度能够保证加工精度;
( 3) 有限元简化模型中,立式转台的台面和夹具连接部分为应力集中区域,在设计中需要加强;
( 4) 机床设计应以联合转台结构为出发点,依据机床受力逐步扩展。
设计螺栓球加工机床时,应考虑的因素较多,包括摩擦刚度和辅助构件等构型设计,需要进一步研究。
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