影響車銑復(fù)合機床雙主軸系統(tǒng)精度的因素分析

劉桂芝，周永良

(1.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)(2.南京數(shù)控機床有限公司，江蘇 南京 211100)

影響車銑復(fù)合機床雙主軸系統(tǒng)精度的因素分析

劉桂芝1，周永良2

(1.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)(2.南京數(shù)控機床有限公司，江蘇 南京 211100)

主軸系統(tǒng)的精度是決定雙主軸車銑復(fù)合機床整機加工精度的重要因素，而主軸系統(tǒng)的精度又受機床的多方面因素如機床的幾何精度、靜態(tài)和動態(tài)剛度及熱性能等的影響。因此，機床設(shè)計的關(guān)鍵就歸結(jié)為如何提高主軸系統(tǒng)的精度。通過對復(fù)合加工機床雙主軸系統(tǒng)精度影響因素的分析，提出相應(yīng)的解決方法。

雙主軸復(fù)合車銑機床；幾何精度；加工精度

數(shù)控機床作為工作母機在機械加工制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著數(shù)控加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機床向著高速、高精、高效、復(fù)合和環(huán)保的方向發(fā)展，以滿足加工行業(yè)對零件加工精度不斷提高的要求和對零件加工高速高效的不斷追求。復(fù)合加工機床(Complex Machine Tools)也稱之為完全加工機床(Complete Machining Machine Tools)，其基本含義就是要在單臺復(fù)合加工機床上實現(xiàn)零件的大部分或全部工序的加工。隨著機械加工市場不斷增加的對復(fù)合加工機床的需求，國際上復(fù)合加工機床將進入激烈的競爭時代?，F(xiàn)代的復(fù)合加工不僅僅只是車、銑、鉆、鏜等的復(fù)合加工，而是將車削、銑削、鏜削、鉆削、磨削、淬火、電火花加工、超聲波加工、激光加工等不同加工方法都組合到一臺機床上，使復(fù)合加工技術(shù)成為推動機床結(jié)構(gòu)和制造工藝發(fā)展的一個新熱點，成為數(shù)控機床發(fā)展的重要方向之一。

基于上述目的，設(shè)計研制了一種雙主軸數(shù)控車銑復(fù)合加工機床(以車削為基礎(chǔ)的復(fù)合加工機床)，其具備雙主軸及雙主軸的C1軸、C2軸功能；帶有12工位動力刀具單刀架及刀具主軸功能；具有X,Y,Z,W4個直線軸；能實現(xiàn)七軸控制，任意兩直線軸、任意C軸及主軸的四軸聯(lián)動，以完成零件的復(fù)合曲面的加工。對高速、高效、高精的雙主軸車銑復(fù)合加工機床來說，影響其加工精度的主要因素就是機床的雙主軸系統(tǒng)。本文從數(shù)控復(fù)合機床主軸系統(tǒng)精度的驗收要求出發(fā)，闡述在設(shè)計、加工、裝配時保證機床雙主軸精度所采取的技術(shù)措施。

1 數(shù)控復(fù)合機床有關(guān)主軸系統(tǒng)的精度檢驗標(biāo)準(zhǔn)[1-4]

根據(jù)國家對數(shù)控加工中心精度的驗收要求，對雙主軸復(fù)合加工機床的精度檢驗項目由3部分組成，即幾何精度、位置精度和工作精度。工作精度最終體現(xiàn)在機床所能加工零件的尺寸精度、形狀和位置偏差、表面粗糙度等上。要保證機床工作精度達到機床精度標(biāo)準(zhǔn)或機床用戶使用的要求，在設(shè)計、加工、裝配及機床調(diào)試過程中就要嚴(yán)格控制機床的幾何精度和位置精度在一定的范圍內(nèi)。在國家有關(guān)機床制造標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定中對主軸系統(tǒng)幾何精度有以下幾點要求：

a.主軸端面的精度要求。

(1)定心軸徑的徑向跳動：0.008mm；(2)周期性軸向竄動：0.005mm；(3)主軸端面跳動：0.010mm。如圖1所示。

圖1 主軸端面的精度要求

b.Z軸運動對主軸軸線的平行度的要求。

(1) 在ZX平面內(nèi)：0.015mm(只許偏向刀具)；(2)在YZ平面內(nèi)：0.020mm。如圖2所示。

c.主軸、副主軸軸線對。

圖2 Z軸運動對主軸軸線的平行度的要求

(1)X軸線在ZX平面內(nèi)運動的垂直度如圖3所示，全行程≤300mm，垂直度為0.015mm ，α1≤90°，α2≤90°；(2)Y軸線在YZ平面內(nèi)運動的垂直度如圖4所示，全行程≤300mm，垂直度為0.020mm。

圖3 X軸線在ZX平面內(nèi)運動的垂直度

圖4 Y軸線在YZ平面內(nèi)運動的垂直度

d.兩主軸箱主軸的同軸度要求。

(1)在ZX平面內(nèi)：0.015mm；(2)在YZ平面內(nèi)：0.015mm。如圖5所示。

圖5 兩主軸箱主軸的同軸度要求

以上4項檢驗標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確地描述了復(fù)合加工機床對主軸組的幾何精度要求，與機床床身的幾何精度、X向、Y向及Z向拖板的幾何精度共同影響著機床的靜態(tài)精度，并且形成影響機床加工精度的決定性因素。

雙主軸車銑復(fù)合數(shù)控機床雙主軸配置圖如圖6所示。

2 解決影響機床主軸系統(tǒng)精度的技術(shù)措施[5-6]

根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或機床用戶對機床精度的要求，在進行車銑復(fù)合數(shù)控加工機床雙主軸系統(tǒng)設(shè)計時，為滿足機床的精度要求，需要考慮解決以下幾方面問題：

a.主軸系統(tǒng)幾何精度的影響因素及解決措施。

圖6 雙主軸配置圖

(1) 進行主軸系統(tǒng)設(shè)計時要綜合考慮機床主軸箱體的幾何精度(零件的尺寸精度、形位誤差及表面粗糙度等)、主軸軸系零件的幾何精度等對機床主軸系統(tǒng)幾何精度的影響，合理地選擇主軸系統(tǒng)零件的形狀、位置公差以及表面粗糙度；進行合理的工藝分析，使主軸系統(tǒng)零件加工的工藝性達到最好；在確定機床軸承精度的前提下，合理地選擇軸承的安裝方式及保證各軸承端面的高低點錯位安裝，保證主軸軸承系統(tǒng)的支撐剛性。

(2) 裝配時嚴(yán)格控制與機床主傳動系統(tǒng)前后支承軸承配合的零件的精度，如主軸箱體與支承軸承外圈、主軸與支承軸承內(nèi)圈等配合零件的尺寸公差、形位公差及表面粗糙度等必須滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝要求，必要時可進行配磨或研磨控制，以保證設(shè)計所要求的配合精度。機床的主軸和主軸組在裝配時需按設(shè)計要求的精度等級進行相應(yīng)的動平衡，根據(jù)機床設(shè)計主軸的最高轉(zhuǎn)速和主軸組的質(zhì)量，確定剩余不平衡量U，以盡量減少由于零件制造誤差而引起的雙主軸系統(tǒng)加工精度的影響[7-8]。

U=m·e

(3)在機床裝配過程中，第一主軸箱和底座的固定結(jié)合面間、第二主軸箱與其可移動的拖板固定安裝面間一定要進行刮研并作著色檢驗，從而保證第一主軸箱與底座固定結(jié)合面、第二主軸箱與可移動拖板固定安裝面的結(jié)合面的接觸剛度，間接保證第一、第二主軸軸線在主切削平面和次切削平面內(nèi)達到國家規(guī)定的同軸度要求。

(4)為保證主軸發(fā)熱時主軸軸線不會產(chǎn)生偏移，在設(shè)計機床主軸箱時，采用熱對稱設(shè)計——使機床主軸箱外側(cè)的加強筋呈對稱分布，當(dāng)機床主軸箱受熱時會均勻膨脹，散熱時同樣會均勻冷卻，從而保證了機床主軸軸線空間位置的固定、不偏移。

b.靜態(tài)及動態(tài)剛度對主軸系統(tǒng)的影響因素及解決措施。

(1)要根據(jù)機床的加工精度要求和切削負荷類型，選擇合適的軸承類型，確定預(yù)加載荷形式。在進行主軸支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通過動力學(xué)分析，計算出機床主傳動系統(tǒng)的一階、二階固有頻率，使其一階固有頻率、二階固有頻率避開機床主軸工作轉(zhuǎn)速的低速區(qū)和最高轉(zhuǎn)速，從而避免主軸系統(tǒng)產(chǎn)生共振，以消除由于主傳動系統(tǒng)的振動對機床加工精度的影響。

裝配時根據(jù)設(shè)計確定的預(yù)加載荷量，參照所選用的軸承手冊提供的參數(shù)，用力矩扳手嚴(yán)格地控制對機床主軸軸承所施加的預(yù)加載荷，通過消除支承軸承的軸向、徑向游隙和彈性變形，提高主軸支承軸承的剛度和主軸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)精度，保證機床設(shè)計負載的要求。

(2)在上述的幾項幾何精度要求中，機床整體剛性對機床主軸系統(tǒng)的加工精度影響很大，特別是“Z軸運動對主軸軸線平行度的要求”和“主軸、副主軸軸線對X軸線在ZX平面內(nèi)運動的垂直度及Y軸線在YZ平面內(nèi)運動的垂直度”這兩項精度對機床整體剛性的要求體現(xiàn)得尤為顯著。因此，機床設(shè)計時要考慮機床的局部變形對機床加工精度的影響，避免局部剛度不足引起機床結(jié)構(gòu)的變形。只有足夠的剛度才能保證足夠的精度，因此在進行機床鑄件設(shè)計時就要求機床底座要有足夠的剛性、較好的排屑能力和良好的加工工藝性。通過動態(tài)設(shè)計建立CAD模型，并由CAE系統(tǒng)建立有限元模型，通過動態(tài)分析、仿真計算，確定原設(shè)計中的機械結(jié)構(gòu)缺陷，進行動態(tài)優(yōu)化、修正模型、驗證模型的正確性，從而得到理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計。進一步改進機床支承鑄件筋板的布局形式、結(jié)構(gòu)尺寸等來提高機床床身的剛度，使機床在加工過程中由于受力而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)、彎曲振動頻率盡可能提高，使機床的振型更趨合理。

c.主軸系統(tǒng)熱性能的影響因素及解決措施。

雙主軸復(fù)合數(shù)控加工機床的雙主軸系統(tǒng)采用的是雙電主軸系統(tǒng)，在電主軸系統(tǒng)中電機的轉(zhuǎn)子是機床的主軸，定子則安裝在雙主軸車銑復(fù)合機床的兩主軸箱的箱體孔內(nèi)，因此機床的整個主傳動系統(tǒng)就是一發(fā)熱體，高速回轉(zhuǎn)時，機床主傳動系統(tǒng)的主軸前后支承軸承也就變?yōu)榘l(fā)熱體。因此在設(shè)計時要綜合考慮如下因素：

(1)雙主軸車銑復(fù)合機床的主傳動系統(tǒng)采用零傳動的電主軸系統(tǒng)，電機是機床主軸系統(tǒng)的主要發(fā)熱源，對這種傳動結(jié)構(gòu)降溫采取的最直接措施就是采用外循環(huán)冷卻方式，即將外循環(huán)冷卻水套裝在電主軸的定子外套外面，通過溫控裝置對外循環(huán)冷卻水套內(nèi)的冷卻水進行獨立循環(huán)控制，使兩主軸電機產(chǎn)生的熱量由循環(huán)冷卻水迅速帶走，從而保證雙主軸車銑復(fù)合機床兩電主軸系統(tǒng)在22℃±2℃的恒溫下工作，實現(xiàn)車銑復(fù)合雙電主軸系統(tǒng)的熱平衡，有效地控制雙主軸系統(tǒng)在高速運行時因熱變化產(chǎn)生變形對機床雙主軸系統(tǒng)精度的影響。

(2)機床工作時，機床主軸高速旋轉(zhuǎn)，主軸組零件預(yù)載后，預(yù)加載荷越大，軸承運轉(zhuǎn)克服摩擦作的功就越多，其摩擦轉(zhuǎn)化成的熱量就越大，造成軸承溫升就越大，這樣雙主軸系統(tǒng)的溫度就會快速提高，使主軸系統(tǒng)的精度產(chǎn)生偏離。因此，在裝配時，主軸軸承必須進行合理的潤滑和冷卻。在進行雙主軸車銑復(fù)合機床主軸軸承系統(tǒng)設(shè)計時，采用具有良好品質(zhì)的鋰基脂潤滑，并且通過合理控制潤滑脂填充量，有效控制主軸系統(tǒng)的溫升。

(3)在機床的鑄件設(shè)計時，要應(yīng)用CAE技術(shù)，利用有限元分析軟件，系統(tǒng)地研究高速精密數(shù)控車床主軸系統(tǒng)的溫度場及其熱性能，建立主軸系統(tǒng)溫度場模型，通過對主軸系統(tǒng)的熱源及軸承發(fā)熱量的計算、應(yīng)用熱接觸單元模擬系統(tǒng)各結(jié)合面間熱量的傳遞以及對模型熱邊界條件的合理簡化，使得所建的主軸系統(tǒng)溫度場模型與實驗結(jié)果能很好地吻合。進一步進行主軸系統(tǒng)的熱特性研究，從理論上保證主軸端部的徑向跳動及端面跳動誤差在允許的范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

影響復(fù)合加工機床雙主軸系統(tǒng)精度的因素很多，本文僅從設(shè)計、加工、調(diào)試幾個方面提出了提高主軸系統(tǒng)的靜態(tài)精度的措施，但在實際生產(chǎn)過程中還有其他諸多因素如配套件的質(zhì)量、機床關(guān)鍵零件的制造工藝水平和機床裝配綜合調(diào)試水平等的影響，但只要根據(jù)機床的負載大小、精密等級進行主軸系統(tǒng)合理的設(shè)計，就可獲得所要求精度的雙主軸車銑復(fù)合機床的主軸系統(tǒng)。

[1] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 16462.1-2007數(shù)控車床和車削中心檢驗條件[S]．

[2] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) JB/T 8771.2-1998 加工中心檢驗條件 第 2 部分：立式加工中心 幾何精度檢驗[S]．

[3] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) JB/T 8771.4-1998 加工中心檢驗條件 第 4 部分：線性和回轉(zhuǎn)軸線的定位精度和重復(fù)定位精度檢驗[S]．

[4] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)JB/T8771.7-1998加工中心檢驗條件 第7部分：精加工試件精度檢驗[S].

[5] 周永良.數(shù)控車床精度分析及提高精度保持性措施[J].中國制造業(yè)信息化,2010,39(5)：78-80,84.

[6] 劉桂芝.影響機床主軸系統(tǒng)加工精度的分析[J].機械制造與自動化,2006(4)：57-60.

[7] 機床設(shè)計手冊編寫組．機床設(shè)計手冊(第三卷)：部件機構(gòu)及總體設(shè)計[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1992.

[8] 浦林祥．金屬切削機床夾具設(shè)計手冊 [M]．2版．北京：機械工業(yè)出版社，1995.

Analysisonthefactorsaffectedtothetwinspindlessystemprecisionforturning-millingmachinetools

LIU Guizhi1, ZHOU Yongliang2

(1.Nanjing Institute of Technology, Jiangsu Nanjing, 211167, China)(2.Nanjing CNC Machine Tool Co., Ltd., Jiangsu Nanjing, 211100, China)

The precision of spindle system is the important factor to the machining precision of turning-milling machine tools with twin spindles system. The precision of spindle system is up to many factors such as geometry precision, static and dynamical rigidity and thermal performance. Therefore the most important in machine tools design is how to guarantee the high precision of the spindle system. This paper puts forward the solution for the factors effecting about the precision of twin spindles of combined machine tools.

turning-milling machine tools with twin spindles; geometry precision; machining precision

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.12.014

2014-11-28

江蘇省第十批“六大人才高峰”資助項目(ZBZZ-044)

劉桂芝(1964—)，女，江蘇徐州人，南京工程學(xué)院教授級高工，主要從事教學(xué)、數(shù)控機床的設(shè)計與開發(fā)工作。

TP202

B

2095-509X(2014)12-0059-04