大型數(shù)控外螺紋旋風(fēng)銑床的設(shè)計(jì)開發(fā)*

鄧順賢

（陜西漢江機(jī)床有限公司，陜西漢中 723003）

隨著數(shù)控系統(tǒng)、伺服電動機(jī)、光柵尺等數(shù)控功能部件的快速發(fā)展，滾珠絲杠副作為實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床直線運(yùn)動的主要功能部件，它的導(dǎo)程制造精度要求在一定程度上將逐步弱化，而性能指標(biāo)的要求在逐步提高。影響滾珠絲杠副性能的主要因素有絲杠及螺母滾道幾何形狀的加工誤差、絲杠中徑尺寸的一致性誤差、切削加工對滾道表面組織的影響等。在制造過程中如何有效地減小這些誤差和影響，高速螺紋旋風(fēng)硬銑削這一先進(jìn)加工技術(shù)為此提供了全面解決方案。

德國等西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家，上世紀(jì)六七十年代就已經(jīng)對旋風(fēng)銑削工藝技術(shù)進(jìn)行研究，并在八十年代推出CNC旋風(fēng)銑床，用于滾珠絲杠的硬銑削加工。最知名企業(yè)是德國Leistritz公司，其最大規(guī)格產(chǎn)品PW250，加工長度為8 000 mm，加工直徑220 mm，最大加工硬度62 HRC，加工滾珠絲杠的精度可達(dá)P3級。我國上世紀(jì)六七十年代旋風(fēng)銑削技術(shù)就已開始應(yīng)用，但一直停留在低精度、軟銑水平上。

該機(jī)床在國內(nèi)尚無其他廠家制造，南京工藝裝備制造有限公司、寧波海天、大連高精的數(shù)控螺紋旋風(fēng)銑床都由德國Leistritz公司進(jìn)口而來。機(jī)床可對螺紋的導(dǎo)程精度和中徑一致性進(jìn)行修整，旋銑絲杠精度可達(dá)P3級，滾道截面形狀穩(wěn)定性、中徑一致性均優(yōu)于磨削加工絲杠。機(jī)床配置精密對刀儀，具有軌跡尋找功能，在一次加工長度4 m的基礎(chǔ)上可進(jìn)行二次接刀加工，單根加工長度可達(dá)8 m，在滾珠絲杠制造中與其他加工技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)越性和推廣價值。旋風(fēng)銑削技術(shù)在蝸桿、汽車轉(zhuǎn)向器螺桿、注塑機(jī)螺桿等方面也有廣泛的應(yīng)用。因此，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的螺紋旋風(fēng)硬銑削機(jī)床，對提升我國滾珠絲杠制造工藝水平，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，具有十分重要的意義。

為了推動我國數(shù)控機(jī)床功能部件的發(fā)展，促進(jìn)高性能數(shù)控機(jī)床的技術(shù)進(jìn)步，漢江機(jī)床有限公司從2007年起對螺紋旋風(fēng)硬銑削技術(shù)進(jìn)行研究并應(yīng)用。研發(fā)了適宜大批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型螺紋旋風(fēng)硬銑削機(jī)床。

1 HJ092×80數(shù)控螺紋旋風(fēng)銑床介紹

HJ092×80數(shù)控螺紋旋風(fēng)銑床（如圖1所示）適用于加工直徑230 mm以內(nèi)、長度8 000 mm以下的滾珠絲杠（精度可達(dá)3級）、梯形絲杠及螺桿，還可對直徑100 mm以內(nèi)、長度8 000 mm以上的滾珠絲杠進(jìn)行接刀加工。

機(jī)床配置SIEMENS 840D sl數(shù)控系統(tǒng)，控制九軸兩聯(lián)動來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的加工運(yùn)動。頭架主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動、銑頭縱向運(yùn)動、銑頭橫向進(jìn)給運(yùn)動、跟刀架夾緊松開運(yùn)動及中心架垂直升降運(yùn)動均采用SIEMENS交流伺服電動機(jī)驅(qū)動。機(jī)床螺紋運(yùn)動是由頭架主軸伺服電動機(jī)與旋風(fēng)銑頭縱向運(yùn)動伺服電動機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動而形成。高速銑削主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用交流變頻的方法，實(shí)現(xiàn)銑刀恒線速切削。銑頭縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動均采用高精度滾珠絲杠副和直線導(dǎo)軌副傳動。銑頭縱向運(yùn)動配置光柵尺，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，可校正加工工件螺距的累積誤差和相鄰誤差。工件冷卻采用了壓縮空氣冷卻，不需回收、無污染。

1．1 旋風(fēng)銑削基本工作原理

旋風(fēng)銑削是用安裝在刀盤上的多把成形刀具，借助于刀盤旋轉(zhuǎn)中心與工件旋轉(zhuǎn)中心的偏心量來完成漸進(jìn)式高速銑削外螺紋的方法。該方法比傳統(tǒng)加工效率提高5倍以上，切屑長而薄，可帶走大部分熱量，旋銑切削力小，工件變形小，加工后的零件具有高精度和小表面粗糙度值。旋銑刀片可多次重磨使用，提高經(jīng)濟(jì)效益，而且可依據(jù)不同零件設(shè)計(jì)相應(yīng)的刀盤和刀片。

1．2 機(jī)床控制軸數(shù)

Z軸:銑頭拖板縱向運(yùn)動;X軸:銑頭橫進(jìn)給運(yùn)動;C軸:頭架主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動;U1軸:左跟刀架垂直運(yùn)動;U2軸:右跟刀架垂直運(yùn)動;V1軸:1號中心架垂直運(yùn)動;V2軸:2號中心架垂直運(yùn)動;V3軸:3號中心架垂直運(yùn)動;V4軸:4號中心架垂直運(yùn)動。

1．3 機(jī)床主要規(guī)格參數(shù)（表1）

1．4 機(jī)床主要部件結(jié)構(gòu)

（1）床身

床身為鑄鐵件，分上、下兩部分。上床身安裝導(dǎo)軌、驅(qū)動電動機(jī)、絲杠、拖板、銑頭和尾架等部件;下床身安裝頭架、中心架等部件。

（2）頭架

固定于床身左邊，主軸采用活頂尖結(jié)構(gòu)，前部安裝三爪卡盤，后部直連空心旋轉(zhuǎn)編碼器。伺服電動機(jī)經(jīng)精密減速機(jī)、無間隙聯(lián)軸器、雙片消隙齒輪將動力傳遞給主軸，驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動工件轉(zhuǎn)動。

表1

（3）銑頭（如圖2所示）

垂直安裝于小拖板上，加工時刀盤套在絲杠上進(jìn)行旋銑。主軸電動機(jī)經(jīng)皮帶驅(qū)動刀盤高速旋轉(zhuǎn)。根據(jù)工件直徑不同，選擇不同的刀盤，根據(jù)齒形不同，選擇不同的刀具。刀盤上最多可安裝12把刀具，刀具切削線速度最大可達(dá)240 m/min。

（4）拖板

安裝于床身正面，呈L形，上部安裝在一副直線導(dǎo)軌上，承受整個拖板及小拖板和銑頭的重量，拖板下部垂直安裝直線導(dǎo)軌承受拖板的顛覆力。在拖板上部外側(cè)安裝伺服電動機(jī)、滾珠絲杠副，采用絲杠固定、螺母旋轉(zhuǎn)的方式驅(qū)動拖板在Z軸方向縱向移動。小拖板由伺服電動機(jī)、滾珠絲杠副驅(qū)動，在垂直面內(nèi)實(shí)現(xiàn)進(jìn)、退刀運(yùn)動。

（5）尾架

安裝在上床身右邊，根據(jù)工件長度不同，可通過齒輪齒條在導(dǎo)軌上移動，移動到需要位置后，通過兩個拉桿鎖緊。搖動手輪可以驅(qū)動頂尖產(chǎn)生進(jìn)、退動作。尾架分上下兩層，通過調(diào)節(jié)扳手可調(diào)整尾架與頭架、跟刀架在同一軸線上。

（6）中心架

用于對長工件支撐。伺服電動機(jī)經(jīng)一對齒輪將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給滾珠絲杠副，通過上、下移動V形支撐塊實(shí)現(xiàn)托起、釋放工件的動作;驅(qū)動油缸可實(shí)現(xiàn)中心架55°的擺動。

（7）跟刀架

用于夾持工件，在銑頭左、右各有一個，安裝于拖板上，跟隨拖板一起縱向移動。伺服電動機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給一副有正、反螺紋的滾珠絲杠，使兩個卡爪反向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)工件的夾緊、松開動作。

2 HJ092×80數(shù)控螺紋旋風(fēng)銑床關(guān)鍵技術(shù)

2．1 絲杠（硬度為62 HRC）雙圓弧成形銑削刀具設(shè)計(jì)技術(shù)

（1）絲杠（硬度為62 HRC）雙圓弧成形銑削刀具材料優(yōu)選與修磨

絲杠滾道齒形要求高，材料經(jīng)熱處理后硬度為62 HRC，這就要求刀具型線精確，刀具材料具有硬度高、抗沖擊性強(qiáng)、耐磨損、耐高溫等特性，常用有CBN、金剛石和陶瓷刀具材料。

研究CBN刀具、金剛石刀具、陶瓷刀具等超硬材料在切削加工大型螺紋過程中，刀具在高溫、高壓摩擦力下以及力、熱沖擊作用下，微觀組織的變化機(jī)理與規(guī)律及材料成分?jǐn)U散機(jī)理與規(guī)律的理化特性，選擇一種最佳刀具材料。

研究刀具切削角度、刀尖圓角半徑等，獲得最佳刀具幾何參數(shù)。

研究高精度雙圓弧成形加工刀具設(shè)計(jì)和多次修磨技術(shù)，降低刀具使用費(fèi)。

（2）大型螺紋旋風(fēng)硬銑削刀具刃口強(qiáng)化與精化

針對硬切削刀具特性與工件材料性能之間的關(guān)系，研究刀具角度和刃口圓弧半徑等對刃口精化的影響規(guī)律;研究激光沖擊微晶化對刀具強(qiáng)化的影響機(jī)理;研究涂層對于刃口強(qiáng)化的影響;研究刀具強(qiáng)化和精化在精密高效切削大型螺紋的耦合關(guān)系;研究刀具刃口強(qiáng)化和精化對刀具耐用度和加工表面完整性的影響，對刀具刃口進(jìn)行強(qiáng)化與精化。

2．2 旋風(fēng)硬銑削高精度、高剛度定位刀盤設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

旋銑刀盤是影響高精度絲杠旋銑加工的重要因素之一。要求刀盤具有旋轉(zhuǎn)精度高、動靜剛度高、多刀具位置精度高等特點(diǎn);刀盤制造精度須達(dá)到微米級，才能加工出高精度絲杠。

研究刀盤結(jié)構(gòu)以及刀片定位方式，緊固方式對刀具系統(tǒng)靜態(tài)精度的影響以及動態(tài)切削過程中刀片空間位置精度的影響;研究高剛度整體結(jié)構(gòu)定位刀盤對刀具摩擦、磨損機(jī)理與規(guī)律的影響;研究高精度刀盤的制造工藝。

2．3 高速切削刀盤回轉(zhuǎn)軸系結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與抑振技術(shù)

高速切削刀盤回轉(zhuǎn)軸系的徑向跳動和軸向竄動、振動直接影響到絲杠齒形和螺距精度，采用計(jì)算機(jī)三維動態(tài)仿真技術(shù)和有限元分析方法對軸系進(jìn)行軸承配置優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究回轉(zhuǎn)精度對切削振動的影響，選用高剛性、高精度軸承;進(jìn)行傳動形式優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究電動機(jī)轉(zhuǎn)動對切削振動的影響;優(yōu)化刀盤結(jié)構(gòu)，研究刀盤剛性、刀具安裝方式對切削振動的影響。

2．4 外圓定位自適應(yīng)夾持系統(tǒng)及控制技術(shù)

外圓定位自適應(yīng)夾持系統(tǒng)是機(jī)床的關(guān)鍵部件之一，影響到尺寸精度、螺距精度、中徑的一致性、螺紋滾道粗糙度、刀具使用壽命等。在結(jié)構(gòu)上改變了傳統(tǒng)中心孔定位方式，用工件外圓作為加工定位面，解決工件加工和使用基準(zhǔn)一致性問題。通過對該系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)制造出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度、高可靠性的外圓定位自適應(yīng)夾持系統(tǒng)。

研究自適應(yīng)夾持系統(tǒng)工作原理及實(shí)現(xiàn)方法;動態(tài)定位夾持與多點(diǎn)自適應(yīng)夾持系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系;自適應(yīng)夾持系統(tǒng)自動讓刀控制策略;自適應(yīng)夾持系統(tǒng)高精度重復(fù)定位結(jié)構(gòu)體系。

2．5 高速旋風(fēng)硬銑削控制及軟件開發(fā)

控制及軟件開發(fā)技術(shù)包括:①硬銑削自動循環(huán)控制軟件;②自適應(yīng)夾持系統(tǒng)夾緊力控制方法;③工件多點(diǎn)支撐控制方法;④建立硬旋銑加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫;⑤熱伸長提前預(yù)報補(bǔ)償方法;⑥長絲杠接刀旋銑精度控制方法;⑦刀具磨損補(bǔ)償方法。

3 結(jié)語

針對大型滾珠絲杠副高效螺紋銑削加工需求，研制開發(fā)大型高效數(shù)控旋風(fēng)銑床。打破了國外技術(shù)壟斷和封鎖，解決了國內(nèi)大型、精密、高效、數(shù)控螺紋加工設(shè)備設(shè)計(jì)理論與工藝基礎(chǔ)問題、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與制造技術(shù)問題、硬銑削加工精度控制與動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)問題;掌握了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高效螺紋硬銑削加工機(jī)床制造技術(shù)。該產(chǎn)品在加工精度和加工效率方面達(dá)到國外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，替代進(jìn)口并投入生產(chǎn)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大型、高速、重載、精密滾珠絲杠國產(chǎn)化加工。