RY-GB8550BF5橋式五軸聯(lián)動龍門加工中心關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

山東永華機械有限公司 劉衛(wèi)國

一、概述

數(shù)控機床是制造裝備業(yè)的工作母機，是實現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石，是保證高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國防軍工現(xiàn)代化的戰(zhàn)略裝備。而五軸聯(lián)動數(shù)控機床則象征著目前機床制造業(yè)的最高水準(zhǔn)，也是世界各制造大國不遺余力發(fā)展的重點對象。隨著工業(yè)化的發(fā)展，五軸聯(lián)動數(shù)控機床更被認(rèn)為是航空航天、船舶、精密儀器、發(fā)電等行業(yè)加工關(guān)鍵部件最重要的加工工具，是實現(xiàn)飛機發(fā)動機懸掛架、船用發(fā)動機葉輪、葉片、螺旋槳、重型發(fā)電機轉(zhuǎn)子、汽輪機轉(zhuǎn)子、大型柴油機曲軸等加工的重要手段，屬于國家及行業(yè)重點鼓勵產(chǎn)品，且市場需求量大，技術(shù)水平高、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度強、經(jīng)濟(jì)帶動力大，有利于引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，促進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

當(dāng)前，五軸聯(lián)動數(shù)控機床在國外已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，更被廣泛應(yīng)用于市場，以歐美、日本為代表的國家掌握著該產(chǎn)品領(lǐng)域高端的核心技術(shù)，他們的五軸聯(lián)動數(shù)控機床代表了當(dāng)今五軸聯(lián)動數(shù)控機床發(fā)展的最高水平。目前國外著名機床廠五軸聯(lián)動數(shù)控機床的技術(shù)發(fā)展重點可歸結(jié)為：高速、高精度、環(huán)保、智能、復(fù)合化。

但是，由于我國工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，加上國外同類產(chǎn)品的技術(shù)封鎖，國內(nèi)的五軸聯(lián)動數(shù)控機床相對于國外整體水平還比較低，具體體現(xiàn)在關(guān)鍵功能部件不能自主研發(fā)，直線電機、力矩電機、多軸聯(lián)動應(yīng)用編程等核心應(yīng)用技術(shù)尚無法成熟應(yīng)用，五軸聯(lián)動機床的設(shè)計、制造、應(yīng)用仍處于起步階段，產(chǎn)品的穩(wěn)定性、精度等與國外相比相差較大。面對巨大的消費市場，國內(nèi)機床生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)能力無法滿足迅速膨脹的市場需求，多數(shù)五軸聯(lián)動數(shù)控機床仍需從國外進(jìn)口，給我國眾多加工制造業(yè)造成了很大的成本壓力。

因此，要想充分滿足國內(nèi)日益增長的高端需求，盡快擺脫受制于人的進(jìn)口局面，必須加快自主創(chuàng)新進(jìn)程，走“高質(zhì)、高效、高端”的轉(zhuǎn)型升級發(fā)展道路，大力發(fā)展高檔五軸聯(lián)動數(shù)控機床。在此背景下，我公司提出了“RY-GB8550BF5橋式五軸聯(lián)動龍門加工中心”的項目建設(shè)。

二、產(chǎn)品性能介紹

本項目產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)為工作臺落地固定式，兩條高架式床身分別放置在工作臺兩側(cè)，橫梁沿床身縱向方向運動（X軸），運動橫梁上配有橫向滑板及滑枕，橫向滑板沿橫梁導(dǎo)軌左右運動（Y軸），滑枕沿橫向滑板的豎直導(dǎo)軌做垂直上下運動（Z軸），滑枕中的內(nèi)置旋轉(zhuǎn)軸繞Z軸旋轉(zhuǎn)（C軸）。在工作臺后方放置有四個頭庫（三個），用于放置附件頭，立臥轉(zhuǎn)換刀庫可實現(xiàn)各附件頭的自動換刀功能，機床總體布局圖如圖1所示。

圖1 機床總體布局圖

高架橋式框架結(jié)構(gòu)由左右床身、左右滑座、固定橫梁組成剛性框架。X軸雙側(cè)同步驅(qū)動，單側(cè)為雙齒輪—齒條直接驅(qū)動，且裝有制動單元和安全緩沖裝置；Z軸采用兩根精密滾動絲杠驅(qū)動，具有良好的快速響應(yīng)特性；C軸內(nèi)置于垂直滑枕中，采用西門子力矩電機直接驅(qū)動，可明顯減少傳動環(huán)節(jié)，提高傳動效率和精度；垂直滑枕采用600mm×600mm全包方滑枕結(jié)構(gòu)，有效保證了滑枕的抗震性及切削剛性。主軸采用驅(qū)動變速系統(tǒng)，1:1、1:5兩級變速，集成氣幕系統(tǒng)和溫度傳感系統(tǒng)；主軸及C軸采用恒溫水冷卻，可確保主軸及C軸的精度。

機床的高架橋床身采用礦物質(zhì)鑄件，保證了良好的熱穩(wěn)定性及減震性；橫梁、橫向滑板、滑枕采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，在保證高剛性低撓性變形的基礎(chǔ)上，降低了重量，可有效保證機床的高速運行；橫梁、橫梁滑板、滑枕形成箱中箱式結(jié)構(gòu)，保證了各個方向切削的剛性及熱變形的對稱性，也大大提升了機床對冷硬模具鋼以及鈦合金等特殊材料的切削剛度。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

工作臺參數(shù)工作臺尺寸（寬×長） 3500mm×9000mm兩立柱間距離（不含防護(hù)罩） 5000mm T型槽寬 36mm T型槽間距 250 mm工作臺最大承載 5000kg/m2橫梁移動（X軸）縱向行程 8500 mm進(jìn)給速度 10～20000mm/min快速移動速度 28000mm/min橫向滑板移動參數(shù)（Y軸）橫向行程 4000mm進(jìn)給速度 10～20000mm/min快速移動速度 28000mm/min主軸箱參數(shù)（Z軸）垂直行程 1500mm進(jìn)給速度 10～15000mm/min快速移動速度 20000mm/min主軸箱截面尺寸 600mm×600mm C軸轉(zhuǎn)速 12r/min C軸轉(zhuǎn)角 ±185°銑頭參數(shù)B軸擺頭電主軸電機功率 56kW電主軸最高轉(zhuǎn)速 12000r/min電主軸最大輸出扭矩 89N·m B軸轉(zhuǎn)速 6r/min B軸轉(zhuǎn)角 -110°/+5°主軸錐孔 HSKA63立銑頭功率 60kW最高轉(zhuǎn)速 6000r/min最大扭矩 1830N·m直角銑頭功率 60kW最高轉(zhuǎn)速 4000r/min最大扭矩 1830N·m

刀庫刀庫容量 60把刀柄形式 HSK-A100 20把、HSK-A63 40把運動精度定位精度（全閉環(huán)）X軸 0.01mm Y軸 0.01mm Z軸 0.01mm C軸 8″A軸 8″重復(fù)定位精度（全閉環(huán)）X軸 0.005mm Y軸 0.005mm Z軸 0.005mm C軸 4″A軸 4″

三、關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用情況

1.“箱中箱”結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用

（1）概要

“箱中箱”結(jié)構(gòu)的主要特點是采用框架式的箱形結(jié)構(gòu)，將可移動的方滑枕嵌入前后溜板的框架箱中，保證各個方向切削的剛性及熱變形的對稱性。

圖2a所示為“箱中箱”結(jié)構(gòu)第一部分，方滑枕1嵌入前后滑板2的框架箱中，Y軸滑板2對滑枕導(dǎo)軌3包容長度長，保證方滑枕1在伸出加工時切削平穩(wěn)，剛性好。方滑枕1沿橫向滑板導(dǎo)軌3垂直往復(fù)運動，利用滾珠絲杠5實現(xiàn)Z軸直線運動。Y軸滑板2上裝有兩只對角安裝的液壓平衡油缸4，用來平衡方滑枕的重量，減小Z軸滾珠絲杠5的空載扭矩，減少滾珠絲杠5的磨損，保證絲杠的精度穩(wěn)定性，同時也可消除因自重產(chǎn)生的上下的不平衡力矩，提高機床快速響應(yīng)。

（2）創(chuàng)新點

本項目在原有“箱中箱”結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步的優(yōu)化，圖2b所示為“箱中箱”結(jié)構(gòu)第二部分，滑板5整體嵌入前橫梁6與后橫梁7組成的框架中，前、后橫梁通過橫梁托架8連接，形成完全對稱的結(jié)構(gòu)方式。相對于單側(cè)動梁結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢在于：前、后橫梁均勻受力，減少橫梁的變形量，保證Z軸相對于X、Y軸的垂直度；此結(jié)構(gòu)可以承受更大的來自于Y軸滑板2、方滑枕1（見圖2a）的重力，為600mm×600mm的方滑枕1截面尺寸提供了條件，較大的截面尺寸進(jìn)一步提升了機床方滑枕1的懸伸切削剛性。

圖2 箱中箱結(jié)構(gòu)

2.機床運動部件采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)的技術(shù)應(yīng)用

（1）概要

對于機床運動部件，目前國內(nèi)多數(shù)機床廠家仍采用傳統(tǒng)的灰鑄鐵鑄造而成，因鑄件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，型腔多，開模、造型工藝過程繁瑣；且產(chǎn)品生產(chǎn)周期長、能耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重、制造成本高、產(chǎn)品更新?lián)Q代慢。隨著消費者逐漸對機床加工效率及加工精度要求的提高，加之國內(nèi)對環(huán)境污染治理程度的監(jiān)管，機床大件的生產(chǎn)面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

（2）創(chuàng)新點

本項目打破傳統(tǒng)機床運動部件所用灰鑄鐵的限制，首次采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮鋼的彈性模量遠(yuǎn)大于鑄鐵彈性模量的優(yōu)勢，對 ‘橫梁、滑板、滑枕’等運動部件優(yōu)化設(shè)計，選取焊接結(jié)構(gòu)所需的截面形狀、筋板厚度，優(yōu)化布置筋板位置及數(shù)量（見圖3），在保證高剛性低撓性變形的基礎(chǔ)上，重量較比鑄鐵件有效降低30%，有效保證機床的高速運行。

同時采用預(yù)置補償?shù)姆醋冃渭庸すに嚕龣M梁彎曲變形導(dǎo)致的部分空間誤差；建立“橫梁-溜板-主軸箱”裝配體產(chǎn)生的空間誤差模型，通過CNC系統(tǒng)實現(xiàn)機床空間誤差的強制補償，進(jìn)一步提高了機床精度。

圖3 焊接結(jié)構(gòu)橫梁示意圖

3.滑枕內(nèi)置C軸結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

（1）概要

一般的五軸聯(lián)動龍門鏜銑加工中心方滑枕只設(shè)置有導(dǎo)軌和主軸驅(qū)動系統(tǒng)，主軸直接安裝于方滑枕底端，方滑枕只作為Z軸運動部件；而C軸作為附件銑頭的功能部分。當(dāng)機床配置需C軸旋轉(zhuǎn)的附件銑頭時，各個附件銑頭均需具備C軸功能，造成了此功能的重復(fù)性設(shè)置，提高了機床成本。附件銑頭設(shè)置的C軸部分，占據(jù)了原有機床Z軸行程的部分空間，減少了機床有效加工行程。且傳統(tǒng)的附件銑頭的C軸要么只能連續(xù)旋轉(zhuǎn)，要么只能分度定位，無法集成兩種功能，使得加工受到限制。

（2）創(chuàng)新點

本項目產(chǎn)品主要研究滑枕內(nèi)置C軸結(jié)構(gòu)，解決附件銑頭C軸功能重復(fù)性設(shè)置，C軸占用有效加工空間，C軸無法集成連續(xù)旋轉(zhuǎn)和分度定位等技術(shù)問題。

采用主要技術(shù)方案：滑枕橫截面為600×600mm正方形，方滑枕相對的兩個側(cè)面各設(shè)置有一對導(dǎo)軌副，另外一個側(cè)面設(shè)置有直線測量系統(tǒng)，方滑枕頂端設(shè)置有連接液壓平衡的支架。方滑枕內(nèi)部設(shè)置有主軸驅(qū)動系統(tǒng)，集成有C軸，包括C軸主軸、力矩電機以及定位夾緊系統(tǒng)，C軸主軸底部設(shè)置有附件銑頭松夾系統(tǒng)，附件銑頭可通過銑頭松夾系統(tǒng)與C軸主軸連接，實現(xiàn)C軸旋轉(zhuǎn)（見圖4）。

圖4 內(nèi)置 C 軸結(jié)構(gòu)示意圖

4.新型環(huán)保的礦物鑄件新材料的應(yīng)用

（1）概要

鑒于國內(nèi)環(huán)保壓力的大增，傳統(tǒng)鑄鐵件已無法滿足公司生產(chǎn)需求，礦物鑄件是一種面向未來的環(huán)保材料，它是以人造花崗石為主要原料，環(huán)氧樹脂為輔料，加入流動劑、固化劑等添加劑，經(jīng)過混合攪拌、振動密實而制成的新型礦物鑄造產(chǎn)品，具有良好的熱穩(wěn)定性和抗震性，更節(jié)能環(huán)保，故以其價格和性能的優(yōu)勢在某些應(yīng)用方面可以替代傳統(tǒng)的鑄鐵。

（2）創(chuàng)新點

本項目產(chǎn)品床身采用整體式結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)各三節(jié)床身拼接而成，這種結(jié)構(gòu)橫梁在全支撐床身上運動，保證了機床的整體剛性和穩(wěn)定性，圖5為礦物鑄件材料床身整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 礦物鑄件材料床身整體結(jié)構(gòu)示意圖

該床身長度為4000mm，可根據(jù)客戶需求增加床身進(jìn)行拼接，保證橋式龍門的可擴展性，故在立柱1的側(cè)邊，鑄造有鋼板2，在鋼板2上再進(jìn)行打孔攻絲，進(jìn)行立柱的連接固定，可自由拓展X軸行程。在床身1底面鑄造有鋼板3，在鋼板3上攻絲，與機床墊鐵連接。

5.雙刀柄自動換刀系統(tǒng)的應(yīng)用

（1）概要

一般的龍門鏜銑加工中心換刀機構(gòu)只設(shè)置有兩套刀爪，只能實現(xiàn)一種刀柄刀具的自動更換。當(dāng)龍門鏜銑加工中心配置功能銑頭時，若要實現(xiàn)自動換刀，只能配置與主銑頭刀柄形式相同的銑頭，則銑頭功能受到限制；若配置不同刀柄形式的銑頭，則無法實現(xiàn)自動換刀。

（2）創(chuàng)新點

為實現(xiàn)不同的切削功能，本項目產(chǎn)品配置多個功能銑頭（見圖6）；為最大程度的提高機床的自動化水平，在加工中心的后側(cè)配置有自動換刀系統(tǒng)2（見圖7），自動換刀系統(tǒng)設(shè)置有刀庫3和換刀臂4。刀庫中布置兩種刀柄形式的刀套，換刀臂為十字結(jié)構(gòu)，其中兩相對的刀爪為HSK-A63刀柄，另外兩相對刀爪為HSK-A100刀柄。通過四個刀爪與刀庫的配合，實現(xiàn)不同刀柄形式的功能銑頭的自動換刀，進(jìn)一步提升機床的加工效率。

圖6 機床整體布局

圖7 自動換刀系統(tǒng)

四、成果應(yīng)用及推廣情況

本項目產(chǎn)品與日本SNK、德國瓦德利希-科堡、意大利FIDIA等公司同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平相當(dāng)，部分參數(shù)如快移速度高達(dá)28m/min，比國內(nèi)一般的10m/min提高了近3倍，并高于國外先進(jìn)水平，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。

本項目將重點突破精密五軸機床關(guān)鍵技術(shù)，有效填補國內(nèi)空白，新材料、新技術(shù)、新工藝在該項目上的應(yīng)用，將顛覆傳統(tǒng)機床行業(yè)的認(rèn)知，進(jìn)一步提高國內(nèi)橋式五軸鏜銑加工中心的技術(shù)水平和整體品質(zhì)，提升我國五軸機床的創(chuàng)新能力和核心競爭力，帶動高端裝備制造業(yè)的發(fā)展；還可進(jìn)一步打破國外的先進(jìn)技術(shù)壟斷，替代進(jìn)口，為國家節(jié)約更多的外匯；并將促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)增長，帶動社會就業(yè)，實現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)、社會效益。 □