加工航空鈦合金零件的擺動頭開發(fā)與應用

秦建宏，姚 瑤，李云霞，劉亞峰，張霞妹

（秦川機床工具集團股份公司，陜西 寶雞721009）

1 開發(fā)背景

航空零件（如：發(fā)動機葉片、機匣等）需要加工的型面（或區(qū)域）比較復雜，表面質(zhì)量要求較高，一直是五軸數(shù)控機床拓展應用的重要領域。作為五軸數(shù)控機床關鍵部件的擺動頭，正是實現(xiàn)五軸加工能力的關鍵技術所在，也是制約機床能否進入高端裝備領域的重要因素。

航空零件大多為鈦合金材料，切削性能不好，表現(xiàn)為：切屑粘性大，不易脫落；導熱系數(shù)小，切削溫度高；剪切應力高；冷硬現(xiàn)象嚴重，加速刀具磨損等[1]。這些特點要求擺動頭具有較高的剛性和加工扭矩，由于轉(zhuǎn)速要求不高，比較適合機械式擺動頭。而市場上的擺動頭多為力矩電機驅(qū)動的電主軸結構，加工扭矩小，剛性差，并不適合鈦合金零件加工。

機械式擺動頭因結構復雜、體積大、成本高，只用在一些特殊場景，大都是機床企業(yè)按照用戶要求特殊定制生產(chǎn)。機械式擺動頭主要形式為A（B）+C的雙擺結構，能夠在鏜銑類機床上實現(xiàn)五軸加工功能[2]。

我公司的車銑復合加工中心剛性好，本身帶有C軸功能，對于實現(xiàn)五軸加工功能有著天然的優(yōu)勢，只需增加一個機械式單擺結構A（B）就可以實現(xiàn)五軸數(shù)控功能。這可以大大降低機械式擺動頭的設計開發(fā)難度，有利于提高開發(fā)應用的成功率。開發(fā)機械式單擺頭（以下簡稱單擺頭）可以增強車銑復合加工中心的五軸數(shù)控功能，能使機床上升為高端加工裝備，進入到五軸技術應用廣泛的航空零件加工領域。

2 技術方案

2.1 總體布局

單擺頭整體采用叉形結構，由一個加工主軸和一個伺服擺動軸組成。加工主軸位于叉形內(nèi)部，和擺動機構相連。擺動機構位于叉形的一側，由伺服電機驅(qū)動，通過皮帶及齒輪轉(zhuǎn)換，帶動加工主軸在一定范圍內(nèi)擺動。加工主軸動力來自于機床主軸，機床主軸電機與減速機構直連，通過長聯(lián)軸器將動力傳遞到單擺頭上端，經(jīng)由叉形另一側的齒輪轉(zhuǎn)換機構傳遞動力到主軸，實現(xiàn)加工主軸銑削加工[3]（總體布局如圖1所示）。

圖1 總體布局圖

2.2 技術參數(shù)確定

鈦合金切削計算

設定銑刀：φ10 mm雙刃，按照60 m/min線速度精加工，計算銑削主軸轉(zhuǎn)速為：

n=60 × 1000/π/10=1 910 r/min

設定銑刀：φ10 mm雙刃，按照50 m/min線速度粗加工，每齒進給0.5 mm，切深1.5 mm，銑削寬度10 mm，計算主切削力為1 154 N；

設定刀具長度200mm，刀尖距離轉(zhuǎn)軸270+200＝470 mm，計算切削力矩為1154×470/1000＝542 N·m；

由上述計算數(shù)據(jù)結合其他擺動頭的相關數(shù)據(jù)，確定開發(fā)單擺頭主要參數(shù)如下：

主軸最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min，主軸扭矩1 200 N·m，擺軸扭矩 2 800 N·m，擺動范圍-100°～+100°（立式安裝，垂直位置為 0°）。

3 結構設計

叉形體殼是單擺頭零件安裝的基座，是保證單擺頭整體剛性的基礎，采用平衡對稱的箱式結構。體殼也作為油底殼使用，維持著叉形兩側的溫度平衡。體殼也是各種接頭、管線的集散地，集成度很高。

3.1 擺動機構設計

擺動機構是單擺頭中重要組成部分，控制加工主軸的運動姿態(tài)，是數(shù)控功能的核心單元。為確保加工主軸的良好工作狀態(tài)，就必須達到以下要求：具有較大的擺動扭矩，以抗衡切削時的抗力；具有較高的剛性，能平穩(wěn)工作；具有可靠的消隙機構，能進行伺服控制；具有位置檢測功能及限位保護措施，能參與數(shù)控聯(lián)動；具有任意位置鎖緊功能，滿足特殊情況使用等。

單擺頭上使用的伺服電機體積不大，限制了輸出扭矩。為獲得較大的扭矩輸出，由一級皮帶傳動和三級齒輪傳動相組合，在擺動軸上實現(xiàn)了大減速比，輸出扭矩為：7.6×380.25＝2889.9 N·m.兩組對稱布置的三級齒輪傳動分別作用在輸入軸的左右齒面，形成可靠的消隙功能[4]。擺動軸上設置一組液壓夾緊裝置，能在任意位置實現(xiàn)擺動軸鎖緊。擺動軸端裝有絕對式角度編碼器，設置軟極限控制擺動的范圍。齒輪軸系使用了錐面滾子軸承，擺動軸使用了交叉滾子軸承，全方位保證了單擺頭具有穩(wěn)定的剛性（擺動機構軸系布置如圖2所示）。

圖2 擺動機構軸系布置圖

3.2 主軸傳動設計

加工主軸是單擺頭中的銑削功能執(zhí)行機構。機床主軸與單擺頭連接后，其動力通過傳送端的兩組錐面齒輪和兩組平行齒輪傳動機構，將動力傳遞到加工主軸，完成銑削加工功能，傳動比1∶1，最大扭矩1 200 N·m.為能確保傳動系統(tǒng)在高速下穩(wěn)定運行，每個齒輪都要有充足的潤滑，尤其是兩組錐齒輪（主軸傳動結構如圖3所示）。

圖3 主軸傳動結構圖

為防止油溫急劇升高，影響到主軸的精度，特別設置一套潤滑油冷卻系統(tǒng)，將油溫控制在一定范圍內(nèi)。油底殼中的熱油經(jīng)由系統(tǒng)外置的油泵抽出，進入油冷機降溫，后隨著進油潤滑管路對各零件進行潤滑，回到單擺頭中。循環(huán)流動的冷卻潤滑油使得單擺頭在一定油溫范圍內(nèi)正常工作（潤滑油冷卻布置如圖4所示）。

圖4 潤滑油冷卻布置圖

加工主軸配置BT50刀柄，集成了自動松拉刀機構，采用可靠的碟簧拉刀、液壓松刀機構，最大拉刀力18 kN，松刀力33 kN.針對鈦合金加工材料，加工主軸也配備了中心刀具冷卻組件和外部工件冷卻噴頭，方便零件加工的水冷需求。主軸軸承選用高精度高剛性的專用軸承，采用脂潤滑，并配備了氣密封結構，防止外界的冷卻水、切屑等其他雜質(zhì)進入主軸內(nèi)部。單擺頭內(nèi)部所有介質(zhì)之間或界面部分全都采用可靠密封措施。

3.3 輔助結構設計

單擺頭使用了冷卻水（內(nèi)冷外冷單獨分開控制），密封吹氣，夾緊油路，打刀油路等介質(zhì)，也就必須為這些介質(zhì)提供相應的獨立管路。該單擺頭設置管路如下：

（1）刀具中心冷卻（或吹氣）管路：給刀具提供冷卻，防止換刀時異物進入主軸。（2）刀具外部冷卻管路：給工件提供外部冷卻。（3）密封吹氣管路（內(nèi)部一分二）：分別作用在前后端軸承，防止異物、雜質(zhì)進入擺頭內(nèi)部。

（4）擺頭夾緊油路：使得擺頭在任意位置鎖緊。（5）主軸松刀油路：完成打刀功能。

（6）進油潤滑油路：給擺頭提供經(jīng)過冷卻的潤滑油液。

（7）熱油循環(huán)管路：確保擺動機構的潤滑，維持兩側的溫度平衡。

（8）回油冷卻管路：將單擺頭內(nèi)熱油排出。

3.4 接口設計

（1）單擺頭與機床主軸機械直連，鍵銷定位，確保連接牢固可靠。

（2）單擺頭與機床主軸間使用了液壓、氣動及電氣自動接插件。

4 在數(shù)控機床上的應用

該單擺頭是為我公司承擔的某項國家重大專項而開發(fā)的關鍵附件，主要用于加工航空鈦合金零件。主機為某型號車銑復合加工中心，剛性好，適合于鈦合金零件加工。其具有三個直線軸（X、Y、Z軸）和一個回轉(zhuǎn)軸（C軸）。機床主軸連接該單擺頭后，系統(tǒng)增加了B軸，使得機床在硬件上具有了五軸基礎，結合高檔五軸數(shù)控系統(tǒng)，形成標準的五軸數(shù)控機床（單擺頭在主機上安裝如圖5所示）。

圖5 單擺頭在主機安裝圖

單擺頭是在機床上進行的聯(lián)調(diào)。在主軸運轉(zhuǎn)之前，先要調(diào)整好各種介質(zhì)管路正常工作，潤滑油冷卻回路運轉(zhuǎn)正常后才開啟主軸試車。主軸在最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min運行一段時間，擺動頭運行平穩(wěn)，無異響。擺動頭-100°～+100°范圍內(nèi)擺動自如，無干涉卡滯現(xiàn)象。任意位置鎖緊試驗達到要求。其余的各項技術指標基本達到了設計要求。單擺頭通過了標準件試切件、NAS試切件的試切驗證，達到了機床的設計要求（單擺頭試切工件如圖6所示）。

圖6 單擺頭試切工件

5 結束語

單擺頭是集成度很高的機床主軸功能部件，在有限的空間內(nèi)整合應用了機械、液壓、電氣、測量等設計技術。既要協(xié)同工作，又要避免相互干擾，穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)設計目標及各項指標。本次設計開發(fā)前期做了大量的預研工作，方案設計階段歷經(jīng)多次評審得以優(yōu)化，制造裝配過程順利進行，沒有出現(xiàn)致命的問題。機床聯(lián)調(diào)階段出現(xiàn)了漏油現(xiàn)象，引起了我們對密封的關注，幾經(jīng)周折找到了原因，問題得以解決。除了技術集成，還有摩擦副的選材設計，主軸拉爪的極限應用等等都提高了認識。后續(xù)可以對單擺頭的安裝接口重新優(yōu)化，并結合用戶的反饋信息，將單擺頭做成通用的功能部件，應用在大部分的車銑復合加工設備上，將機床的應用水平提高到一個新的臺階。