用于曲軸加工的重型五軸車銑復(fù)合機(jī)床研究

溫華棟

摘要：近些年來，一些大型零部件在生產(chǎn)加工當(dāng)中經(jīng)常存在著加工難的問題，而且一些零件很難實(shí)現(xiàn)有效車銑復(fù)合加工融合，而本文則針對(duì)曲軸加工的相關(guān)工藝展開分析，同時(shí)提出HTM125系列車床的相關(guān)結(jié)構(gòu)介紹。希望本文的論述，能夠?yàn)閲?guó)產(chǎn)機(jī)床實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步良好發(fā)展，提升國(guó)內(nèi)自主品牌效應(yīng)，提供一些幫助和借鑒。

關(guān)鍵詞：曲軸;加工;重型五軸車銑復(fù)合機(jī)床

中圖分類號(hào)：TG502.31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0085-03

0? 引言

近些年來，伴隨著我國(guó)大型工程項(xiàng)目不斷發(fā)展，我國(guó)許多大型工程項(xiàng)目的零部件急需要進(jìn)行生產(chǎn)和加工[1]。這些大型工程項(xiàng)目包含水利工程、船舶建造、礦山機(jī)電工程等等。而且一部分大型零部件，存在著國(guó)內(nèi)加工難的問題。由此就導(dǎo)致在某種程度上，需要完全依賴進(jìn)口或者進(jìn)口設(shè)備加工的不良情況。由此就需要國(guó)內(nèi)的相關(guān)機(jī)床廠家，不斷地針對(duì)此類零部件設(shè)計(jì)出更加適宜的加工設(shè)備。這些大型零部件的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為尺寸較大、重量較大、加工工序繁多、加工過程漫長(zhǎng)。而且在加工過程當(dāng)中，需要采用多臺(tái)設(shè)備、多道工序才能加工完成。在加工過程當(dāng)中，還需要應(yīng)用多種類的刀具，并配合粗加工精加工車床和銑床才能夠完成[2]。由此不難看出，此類加工零件明顯存在著加工效率低、依賴進(jìn)口設(shè)備的不良情況，國(guó)外相對(duì)于車銑復(fù)合中心的研發(fā)、使用時(shí)間較早，在此方面擁有著十分成熟的開發(fā)技術(shù)和加工工藝。譬如奧地利的WFL公司德國(guó)的尼爾森公司，在車系復(fù)合加工中心的研發(fā)設(shè)計(jì)、裝配和加工等方面都是處于國(guó)際的領(lǐng)先地位[3]。車銑復(fù)合加工中心通常配偶單一的旋轉(zhuǎn)刀架、旋轉(zhuǎn)刀具和車削刀具，并且全身動(dòng)力軸較長(zhǎng)、剛性相對(duì)不高。而本文則針對(duì)此類零件的加工問題進(jìn)行了探究，同時(shí)提出由我廠所自主研發(fā)、生產(chǎn)的重型五軸車銑復(fù)合機(jī)床，并圍繞此機(jī)床展開全面的探究。

1? 大型零件加工工藝分析

1.1 典型零件

本文首先結(jié)合船舶零部件的曲軸和軋輥為例（見圖1和圖2），此類原材料零件多數(shù)是鑄鐵或者鍛鋼。毛坯余量一般在20毫米到30毫米之間，并且毛坯不夠均勻、存在著相對(duì)較高的硬度、外形的表現(xiàn)多數(shù)是長(zhǎng)軸，表現(xiàn)多處有曲柄。曲柄的回轉(zhuǎn)軸明顯存在著和主軸徑不同心的情況，并且曲柄圍繞主軸徑存在著較大的回轉(zhuǎn)直徑，曲柄輪廓在多個(gè)部位表現(xiàn)為不同心的圓弧。曲軸兩端其有孔相對(duì)較深，曲柄上其斜油孔相對(duì)角度不夠規(guī)則，因此需要使用重型五軸車銑復(fù)合機(jī)床，來完成此類零部件的相關(guān)加工。

1.2 未采用重型五軸車銑復(fù)合機(jī)床前曲軸加工工藝

我國(guó)國(guó)內(nèi)某零件加工企業(yè)加工上述曲軸類零部件，所使用的加工工藝是由多道工序、多種設(shè)備協(xié)同配合來完成的。首先，使用鏜床將中心孔進(jìn)行打出，并對(duì)兩端的斷面進(jìn)行找平。然后將此零件轉(zhuǎn)移到雙頭主軸車床上，進(jìn)行出粗車和精車，主要車削部位為主軸徑和曲柄外側(cè)。之后對(duì)兩主軸箱上，專用夾具來進(jìn)行相關(guān)調(diào)整，讓連桿頸轉(zhuǎn)移到主軸的回轉(zhuǎn)直徑方向上。之后開展工件定位、工件找正夾緊工件，并對(duì)連桿徑和曲柄內(nèi)側(cè)進(jìn)行粗加工，以及精加工;之后將零部件移至銑床上。對(duì)于零件進(jìn)行粗銑和精銑;最后，再將工件放置于鉆床之上，對(duì)于斜油孔、兩端深孔，進(jìn)行鉆削加工。

此種工藝加工方案是建立在普通機(jī)床架構(gòu)之上，來加工完成的。其最大的缺點(diǎn)是工作效率十分低下、消耗掉大量的工時(shí)，以及大量的人力。而且在加工過程當(dāng)中，對(duì)于夾具的精度要求相對(duì)較高，如果多道工序之中存在某一道工序的偏差，那么就會(huì)對(duì)工件的整體加工精度產(chǎn)生不良影響。

1.3 采用進(jìn)口臥式車銑復(fù)合加工中心曲軸加工工藝

近些年來，伴隨著我國(guó)船舶行業(yè)的良好發(fā)展，曲軸在全部行業(yè)當(dāng)中得到了有效的應(yīng)用。所以，曲軸的加工精度，以及需求量也在呈現(xiàn)出逐年上升的態(tài)勢(shì)。而在曲軸加工領(lǐng)域之中，奧地利的WFL公司，德國(guó)的尼爾森公司都是處于國(guó)際領(lǐng)先地位。而為了實(shí)現(xiàn)避免對(duì)進(jìn)口過度的依賴，必須要不斷的鉆研國(guó)產(chǎn)化的曲軸重型五軸復(fù)合車銑加工機(jī)床的相關(guān)研究。此類機(jī)床，其要實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸的半加工和靜加工，要盡量實(shí)現(xiàn)一次性的裝卡。而伴隨著曲軸的應(yīng)用需求不斷增多，國(guó)內(nèi)的相關(guān)機(jī)床制造商也在不斷的鉆研探索，并且推出了更加優(yōu)質(zhì)的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型五軸車銑復(fù)合機(jī)床，而本文則針對(duì)HTM 125系列重型五軸車銑復(fù)合機(jī)床，進(jìn)行了探究。

2? 重型五軸車銑復(fù)合機(jī)床技術(shù)

2.1 總體布局

HTM125系列重型五軸車銑復(fù)合機(jī)床的總體布局，詳見圖3所示，整體上其結(jié)構(gòu)分為以下幾個(gè)方面，分別是其床身為斜床身、兩側(cè)裝配由左側(cè)主軸箱和右側(cè)主軸箱、立柱為側(cè)掛式單立柱、在兩側(cè)的掛箱上分別設(shè)有雙刀架的機(jī)構(gòu)、刀架的進(jìn)刀方向?yàn)橹亓Ψ较?，并配有刀具檢測(cè)刀庫(kù)管理、水冷裝置、恒溫冷卻裝置、排屑裝置、電氣保護(hù)裝置和防護(hù)裝置，所使用的系統(tǒng)是西門子840D系統(tǒng)。

設(shè)備的控制軸為（X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2、 B1、 B2、Cf1、Cf2）軸，可以實(shí)現(xiàn)五軸任意方向聯(lián)動(dòng)，兩側(cè)有雙主軸，主要是實(shí)現(xiàn)雙主軸CF f軸同步功能，并配有中心架和第二主軸，可以沿著Z軸方向進(jìn)行自主控制的移動(dòng)[4]。車銑復(fù)合其加工功能，主要是實(shí)現(xiàn)重載刀具鏜削和深孔加工，并配有高壓內(nèi)冷卻、檢測(cè)機(jī)構(gòu)，檢測(cè)方面可以實(shí)現(xiàn)在線的刀具檢測(cè)管理。

2.2 與國(guó)外同規(guī)格機(jī)床技術(shù)參數(shù)對(duì)比

對(duì)比奧地利WFL的M120機(jī)床，本系列HTM125機(jī)床相對(duì)于功率扭矩承載能力等方面，存在著十分突出的優(yōu)點(diǎn)。而且此機(jī)床的生產(chǎn)突破了國(guó)外對(duì)于曲軸相關(guān)加工的技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)了有效的技術(shù)突破。車銑復(fù)合加工中心其有刀架大直徑刀盤的配置，可以在一臺(tái)機(jī)床上連續(xù)實(shí)現(xiàn)粗、精加工的有效完成，進(jìn)一步收獲了高效率、高精度的加工情況。左側(cè)刀架可以與車床C軸實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)合插補(bǔ)移動(dòng)。而具體的與國(guó)外同規(guī)格機(jī)床參數(shù)對(duì)比，詳見表1所示。

3? 設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新

3.1 各軸導(dǎo)軌、絲杠、齒條布置結(jié)構(gòu)

在導(dǎo)軌、絲杠、齒條布置結(jié)構(gòu)的技術(shù)創(chuàng)新方面，導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)了與水平面從低角度的結(jié)構(gòu)，具體傾斜角度為30度。床身平面采用磨削加工，進(jìn)一步保證不會(huì)出現(xiàn)屑死角。床身后里面裝配斜齒齒條，主要作用是用于幫助立柱實(shí)現(xiàn)縱向的移動(dòng)，齒條下部裝配有光柵尺，光柵尺生產(chǎn)廠家為德國(guó)海德漢，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)立柱在縱向移動(dòng)，形成了閉環(huán)的控制。床身全長(zhǎng)支撐在多個(gè)可調(diào)墊鐵上，保證其擁有更加理想的高剛性，更加適合曲軸的重載加工。立柱所采用的結(jié)構(gòu)是側(cè)掛式，上面配有輔助導(dǎo)軌。Z軸使用的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為主從驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以通過減速器對(duì)于齒輪軸進(jìn)行直接的傳動(dòng)。幫助其在齒條上形成良好的運(yùn)動(dòng)。立柱左右兩側(cè)配有雙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，雙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要作用?？梢员ＷC進(jìn)給機(jī)構(gòu)在X軸上良好的位移 移動(dòng)。立柱左刀架裝配有雙光柵尺，生產(chǎn)廠家也為德國(guó)海德漢。光柵尺的作用主要是對(duì)X1軸方向移動(dòng)位移進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)有效的差補(bǔ)，具體導(dǎo)軌、絲杠、齒條布置結(jié)構(gòu)，詳見圖4所示。

3.2 左右主軸箱

主軸箱潤(rùn)滑采用恒溫油潤(rùn)滑，主軸前支撐外部配有油冷卻循環(huán)裝置，可靠的控制了主軸的溫升。機(jī)床主軸軸承選用進(jìn)口的高精度軸承，兩支承結(jié)構(gòu)，不僅使其具有足夠的剛度，加工、裝配工藝性也好。主軸前端裝有液壓剎車裝置，將主軸與箱體之間實(shí)現(xiàn)近于剛性連接，提供必要的銑削制動(dòng)扭矩。左右主軸箱如圖5所示。

C軸進(jìn)給采用1FT6交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)無間隙減速箱降速后，在油缸的擺動(dòng)下，帶動(dòng)安裝在減速箱上的小齒輪與此大直齒輪嚙合，使主軸獲得合理的銑削扭矩。主軸后端安裝有海德漢角度編碼器，實(shí)現(xiàn)與其它軸的聯(lián)動(dòng)。右主軸箱可沿床身上的齒條移動(dòng)，液壓鎖緊，配有液壓驅(qū)動(dòng)的可伸縮頂尖。左主軸箱有Z向固定和可移動(dòng)兩種。

3.3 左側(cè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)

左側(cè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)配備旋轉(zhuǎn)刀具和車削刀具的安裝位置，其中旋轉(zhuǎn)刀具可以進(jìn)行銑削、鉆削和攻絲;車削刀具可以進(jìn)行外圓和內(nèi)孔等部位的車削加工，可選配通過轉(zhuǎn)位油缸實(shí)現(xiàn)刀具180°轉(zhuǎn)位，無需換刀即可對(duì)工件的另一側(cè)面進(jìn)行加工的模塊;B軸可在-90～+90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并配有2.5°位置齒盤鎖緊和任意位置液壓鎖緊機(jī)構(gòu)。同時(shí)在該進(jìn)給機(jī)構(gòu)上可以選配加長(zhǎng)刀桿，用于特殊部位加工。

左側(cè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用內(nèi)置式技術(shù)，西門子電主軸配雙速減速機(jī)，向刀具主軸提供了2400Nm的動(dòng)力、3150rpm轉(zhuǎn)速。用于安裝電主軸和減速機(jī)的箱體孔為多階梯深孔形式，機(jī)加難度大，采用灌膠工藝有效的解決了這一難題。

3.4 右側(cè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)

右側(cè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)為滑枕結(jié)構(gòu)，78kW的主軸電機(jī)經(jīng)齒型帶及自制雙速減速箱的減速后，可提供12000Nm的輸出扭矩。滑枕在Y2軸方向的運(yùn)動(dòng)通過安裝在右側(cè)滑板上的伺服電機(jī)、減速機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)的;定點(diǎn)銑削時(shí)，采用多個(gè)油缸鎖緊Y2軸，避免絲杠受力，保證機(jī)床的精度;刀具可沿Y2軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)工作位置可保證一次裝卡下對(duì)曲軸兩端的連桿頸的加工時(shí)，不與兩端的卡盤發(fā)生干涉。右側(cè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)詳見圖6所示。

3.5 刀庫(kù)結(jié)構(gòu)介紹

本機(jī)床配有換刀機(jī)械手、刀庫(kù)。刀庫(kù)位于立柱左側(cè)面，由立柱帶動(dòng)，落于床身導(dǎo)軌上。為左側(cè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)提供刀具。另可選配第二刀庫(kù)，該刀庫(kù)位于左主軸箱上方，五個(gè)刀位，自制V型定位塊，彈簧片鎖緊，配有巴魯夫檢測(cè)開關(guān)。該刀庫(kù)的配置，對(duì)大型設(shè)備尤為重要，可有效的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，避免手動(dòng)換刀安全性能低，效率低。刀具長(zhǎng)度超過500mm的，安裝在第二刀庫(kù)內(nèi)（如深孔鉆）。

3.6 拖動(dòng)機(jī)構(gòu)

HTM125系列第二主軸和中心架的移動(dòng)采用了專用的拖動(dòng)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)動(dòng)力固定在床身右端，它驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)達(dá)10m的燕尾導(dǎo)軌在Z向上運(yùn)動(dòng)，配合中心架上的插銷機(jī)構(gòu)、第二主軸上的齒條機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意部件單元的Z向位置的改變。該機(jī)構(gòu)較采用多個(gè)伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，性價(jià)比高。

3.7 與雄克聯(lián)合開發(fā)的專用中心架

卡盤多種配置形式：采用增力機(jī)構(gòu)自制的手動(dòng)四爪卡盤，德國(guó)雄克手動(dòng)四爪卡盤，德國(guó)雄克自定心氣動(dòng)卡盤，用戶可根據(jù)主軸需要的轉(zhuǎn)速選配。

4? 發(fā)展?fàn)顩r

近些年來，我國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家針對(duì)于重型五軸車銑復(fù)合機(jī)床，進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)和研究。但是加工直徑通常是被設(shè)定在1250mm，其配有的外銑刀盤為1400mm，承重為30噸左右。所采用的結(jié)構(gòu)是斜床身、單立柱、全防護(hù)和半防護(hù)。而相對(duì)于中速機(jī)曲軸大型五軸重載機(jī)床來說，在國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)床生產(chǎn)廠家的實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程當(dāng)中。并沒有實(shí)現(xiàn)有效的裝配和設(shè)計(jì)。因此是，與國(guó)際上的五軸車銑加工中心很難有效的匹敵，國(guó)際的知名企業(yè)主要有奧地利公司W(wǎng)FL公司、德國(guó)的尼爾森公司[6]。這兩家企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品，所用的床身結(jié)構(gòu)為斜床身、上刀方向?yàn)樾焙蠓?，但是中心架承載能力不夠理想，并不能夠?qū)崿F(xiàn)重載的大規(guī)格外銑加工[5]。而同比起國(guó)際機(jī)床來說，HTM125系列機(jī)床，其在精度上和重載加工方面表現(xiàn)的十分優(yōu)秀，而且最主要體現(xiàn)是價(jià)格優(yōu)勢(shì)十分巨大。此機(jī)床在生產(chǎn)之后，國(guó)內(nèi)相關(guān)加工企業(yè)紛紛采購(gòu)，如此不難看出，我國(guó)的整體裝備水平、設(shè)計(jì)水平和加工水平，同比起國(guó)際先進(jìn)技術(shù)來說，都實(shí)現(xiàn)了有效的追趕，甚至是在某一方面明顯超越對(duì)方，進(jìn)一步也為我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，奠定下濃厚的技術(shù)基礎(chǔ)和實(shí)力體現(xiàn)。

5? 經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益

近些年來伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷飛速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床呈現(xiàn)出精度、質(zhì)量不斷向上飛躍的良好發(fā)展態(tài)勢(shì)。但是同比起大型重載五軸車銑復(fù)合機(jī)床的生產(chǎn)研發(fā)來說，依舊與國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家存在著一定的差距，但是HTM125系列車床的誕生，突破了國(guó)際生產(chǎn)廠家的技術(shù)壟斷，也逐漸縮短了同國(guó)外機(jī)床廠家所產(chǎn)生的距離，為我國(guó)國(guó)際數(shù)控機(jī)床的核心競(jìng)爭(zhēng)力提升，提供了極大的幫助，進(jìn)一步也降低了國(guó)內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)廠家采購(gòu)成本，減少了設(shè)備維護(hù)方面所需要投入的費(fèi)用。HTM125系列機(jī)床為我國(guó)船舶領(lǐng)域、礦山領(lǐng)域、大型工程的相關(guān)零件加工，提供了巨大的幫助和偉大的貢獻(xiàn)，為相關(guān)行業(yè)提供了十分理想的技術(shù)支持和設(shè)備幫助，其最關(guān)鍵的體現(xiàn)還是在產(chǎn)品的加工效率方面，以及技術(shù)知識(shí)方面，并且為相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展提供了極大的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭兵.車銑復(fù)合加工過程阻尼與切削穩(wěn)定性研究，2018.

[2]李健.淺談車銑復(fù)合加工的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用前景，2019.

[3]劉亞峰，李云霞，張霞妹，孫璐，張勇.新型復(fù)合材料加工用大型五軸車銑復(fù)合機(jī)床[J].裝備制造技術(shù)，2018（08）：1-4.

[4]鄒小堤，胡純.五軸聯(lián)動(dòng)車銑復(fù)合制造工藝技術(shù)應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版），2018，36（04）：487-490.

[5]第十三屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)（CIMT2013·北京）展品預(yù)覽（三）[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2017（02）：63-99.

[6]于思遠(yuǎn).中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)CCMT 2008參觀導(dǎo)引和重點(diǎn)展品介紹[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2018（04）：13-28.