國產大中型立臥轉換式五坐標銑車復合加工中心研發(fā)及測試

王華僑 ，張守明，董維新，劉亞峰，高嵩 ，鄭武

1.湖北三江航天紅陽機電有限公司 湖北孝感 432000

2.秦川機床工具集團股份公司 陜西寶雞 721009

3.華中科技大學 湖北武漢 430073

4.武漢華中數控股份有限公司 湖北武漢 430223

1 序言

近年來五軸加工中心發(fā)展很快，不僅規(guī)格齊全，而且軟件、硬件功能也越來越強大。本文基于國產華中數控系統控制的大型五坐標聯動銑車復合龍門玻璃鋼加工中心進行研究，并且對其各項功能進行測試。

2 五坐標銑車復合加工中心結構

2.1 結構形式

國產大型銑車復合加工中心采用定柱動梁式龍門結構形式（見圖1），主軸頭沿橫梁水平移動（X軸），工作臺前后移動(Y軸)，橫梁沿龍門立柱上下移動（Z軸），擺動主軸頭繞B軸做45°旋轉，回轉工作臺（C軸）在車削工作時提供主切削力，在銑削加工時，實現數控旋轉分度，可實現X、Y、Z、B及C軸五軸聯動控制與加工。加工中心配有華中數控HNC-848C數控系統、液壓系統、整齊美觀的全封閉式防護罩、自動換刀裝置及吸塵除塵系統，加工中心實物如圖2所示。

圖1 銑車復合加工中心結構

圖2 加工中心

為滿足新型復合材料加工需求，對機械部件進行了二次防塵保護，并配有吸塵除塵系統，有效解決了加工過程中的環(huán)境污染問題。加工中心具有間隙補償、螺距補償、刀具補償、直線插補、圓弧插補及自動報警顯示等功能，在一次裝夾中，可實現車、銑、鉆、鏜等多工序的復合加工，不僅減少了裝夾次數，而且大大縮短了輔助時間，提高了加工效率、定位精度和加工精度。可滿足航空航天、核工業(yè)、船舶和印刷等領域中復雜幾何形狀的零件、復雜平面/曲面和異型零件的加工制造要求。

2.2 銑車復合加工中心特點

銑車復合立臥式轉換運動狀態(tài)如圖3所示，系統配備國產華中數控系統HNC848，采用高精密光柵尺、圓鋼柵尺及全閉環(huán)位置反饋控制，其中機床床身、立柱、橫梁、滑座、旋轉工作臺和主軸箱等主要基礎件及關鍵結構件均采用鑄造結構，確保機床具有高剛度和良好的精度穩(wěn)定性。X、Y、Z直線軸均采用高精度直線導軌支承，由伺服電動機帶動高精度滾珠絲桿來實現移動，對直線導軌和滾珠絲杠采用雙層防護，以防止加工粉塵的污染。

圖3 銑車復合立臥式轉換運動狀態(tài)

銑車復合旋轉工作臺支承采用交叉滾子軸承，驅動采用雙電動機帶動變速齒輪箱驅動工作臺旋轉，工作臺在車削工作時提供主切削力，在銑削工作時可實現數控旋轉分度。主軸系統采用繞45°回轉的B軸擺動頭，使主軸實現立、臥轉換，安裝車刀和旋轉刀具的主軸可使加工中心具有車、銑復合功能，實現車、銑加工。主軸配備HSK A100高速銑削刀柄及CAPTO車削刀柄，設備主軸轉速可達10000r/min。機床左側裝配40把鏈式自動換刀裝置，換刀時間＜5s。

加工中心配備平行于床身的2個螺旋排屑器和1個鏈板式排屑器，這樣可以將切屑順利地排入積屑箱。采用自動潤滑系統，定量對各軸及其他運動副自動潤滑，自帶系統報警提示，以保證機床穩(wěn)定工作。機床配有大功率吸塵除塵系統，有效地解決了復合材料加工過程中粉末的收集與處理，以減少對環(huán)境的污染。加工中心切削轉速高，機床主體及電氣系統防護等級高，切削粉塵大，環(huán)境污染大，不能被切削液和液壓油污染，機床防護系統采用全封閉機床的防護設計與制造，導軌采用雙層防護設計與制造，刀庫、頭庫通過防護罩防護設計與制造，機床電氣系統采用單獨的防護設計與制造。

2.3 銑車復合加工中心主要參數

該大型銑車復合加工中心填補了國產高檔數控機床的空白，具體的技術規(guī)格參數見表1。

表1 銑車復合加工中心技術參數

3 核心功能部件系統解決方案

3.1 銑車復合雙驅轉臺

銑車復合雙驅轉臺采用雙電動機驅動，通過雙速換擋齒輪箱驅動工作臺回轉。轉臺在車削工作時，電動機以主從模式控制兩個電動機的功率疊加，可以實現大轉矩切削，為車削主軸提供主切削力。在銑削工作時，兩個電動機可以轉換為電氣預載模式，可使數控旋轉的C軸消除反向間隙，實現數控旋轉分度。轉臺支承采用交叉滾子軸承，該軸承承載大，能承受高傾覆力矩，保證了工作臺的徑向和軸向剛度。在工作臺旋轉中心裝有高精度反饋裝置，對臺面（C軸）進行位置反饋和對車削主軸進行速度反饋，保證了加工工件分度精度和車削精度。雙驅轉臺運動及實物如圖4、圖5所示。

圖4 雙驅轉臺驅動運動示意

圖5 雙驅轉臺實物

3.2 主軸銑頭45°復合擺動

擺動主軸頭結構如圖6所示。圖中繞45°回轉的B軸擺動主軸頭，在－30°～180°擺動，0°時為立式，180°為臥式，可實現主軸立、臥轉換。B軸采用力矩電動機直接驅動，以恒力矩輸出動力，采用全閉環(huán)位置反饋，具有大轉矩、承載能力強和動態(tài)響應快的特點。帶有自動鎖緊機構，在斷電情況下能自動鎖緊。主軸采用電主軸結構，具有車、銑復合功能，既可安裝車刀，也可安裝旋轉刀具，實現車削、銑削復合加工。主軸帶有車削自動鎖緊機構，保證車削剛性。車削刀具與銑削刀具在刀庫上可自動交換，提高加工效率。配備的銑車主軸功率、轉矩曲線如圖7所示，通過數據可以看出，這種配置既可以實現大轉矩低速切削，又可以實現鋁合金、復合材料的高速切削。

圖6 45°擺動主軸頭結構示意

圖7 銑車主軸功率、轉矩曲線

3.3 高效除塵系統及防護

粉塵從除塵器進風口進入，煙塵進入預處理裝置，大顆粒的粉塵和火花被分離后直接落入集塵盒，較細的粉塵進入除塵器過濾段，粉塵氣體均勻的流入過濾器，粉塵吸附在濾筒外表面，在負壓作用下過濾后的潔凈氣體進入濾筒內，再經出風口進入大氣。規(guī)避粉塵污染裝備采取了導軌密封防護措施，如圖8所示。

圖8 導軌密封防護結構

4 華中數控系統配套解決方案

華中數控H N C848高檔數控系統框架（見圖9），它不僅具有8軸聯動的控制功能，而且支持8通道。系統最小分辨率為0.001μm，插補時間為0.125ms，G代碼前瞻段數可達2000段。

圖9 華中數控HNC848高檔數控系統

1）華中數控HNC848系統和五坐標機床配套。根據航天復雜結構件的特點和實際加工要求，開展了基于零件工藝性和機床性能的研究，包括基于機床機構參數的加工精度與控制模塊的開發(fā)，分別進行高檔數控系統與六軸龍門玻璃鋼加工中心雙模式五坐標聯動匹配性、適應性技術研究，基于六軸雙模式五坐標聯動后處理模塊開發(fā)等工作內容。通過研究及測試，機床的定位精度進行分析和測試、運動精度及功能可靠性均滿足要求。

2）機床定位精度與運動精度分析與測試。依據復合材料航天結構件的工藝需求，有選擇性地進行各運動部位在數控裝置控制下運動所能達到的直線運動定位精度（X、Y、Z）和重復定位精度、回轉定位精度（A、B、C）、回轉運動重復定位精度及各軸機械動態(tài)特性等控制保障。功能可靠性和精度保持性分析與試驗方面有選擇性地進行空運轉試驗、主軸和進給軸加載試驗、實際切削試驗、空運轉加速試驗、安全試驗、進給軸和旋轉軸的精度保持性測試以及主軸回轉精度保持性測試等。

5 五坐標機床標準件加工檢測

5.1 國家標準三坐標立式與臥式綜合測試

針對五坐標機床有立式和臥式兩種加工狀態(tài)，且需按照標準的三軸國家標準試件進行加工，還增加了2處3°斜角檢測斜度精度，增加4處圓孔檢測孔的位置度，圓孔中增加臺階孔檢測兩孔的同軸度。經加工及檢測，產品合格，如圖10所示。

圖10 立臥轉換三坐標聯動標準件試驗切削件

5.2 五軸國際標準NASA及S件加工測試

圖11 為五軸聯動側刃加工國際標準五坐標NASA件，圖12為五軸聯動側刃加工中國國際標準五坐標S件，經多次反復試驗加工測試，產品表面質量合格，精度達到國際標準和國家標準要求。

圖11 國際標準五坐標NASA件

圖12 中國國際標準五坐標S件側刃切削測試

6 金字塔形件五坐標加工測試

某金字塔形件（見圖13）采用五軸銑削加工成形，其綜合考核了五軸端銑、五軸側銑、五軸鉆孔、五軸鏜孔及五軸攻螺紋等綜合反應五坐標機床的整體性能指標。針對不同類型的五軸機床，可分別采用鋁合金、不銹鋼、鈦合金和高溫合金等材料進行相應的高速切削、強力切削，從而綜合考核五坐標機床及其配套的刀具，在不同行業(yè)進行機床綜合驗收及應用驗證的判定。

圖13 金字塔形件

6.1 五軸三聯動粗加工

正式加工塔形件前，分別完成機床三維模型運動仿真構建、后處理程序開發(fā)和程序加工機床運動模擬仿真。粗加工使用XD20R0銑刀，在風冷的冷卻條件下，留0.4mm余量，對2A12的鋁塊進行粗加工，達到了粗加工要求無過切現象。五軸三聯動銑削粗加工分為立式和臥式兩種狀態(tài)下的鏜銑4處φ16mm的銷孔、鉆側壁槽上的4處φ8.5mm底孔并剛性攻螺紋M10×1.5mm，經過檢測后合格。

6.2 五軸底刃加工斜面

使用φ10mm端銑刀底刃進行五軸聯動端面加工，基本滿足要求，但是加工平面有小的凹痕，深度為0.01mm，還需繼續(xù)優(yōu)化。

6.3 五軸側刃加工斜面

使用XD10R0 側刃半精加工金字塔外形塔身，表面粗糙度基本滿足要求，但在圓角拐角處有縱向的凹陷（見圖14），其深度為0.02～0.04mm。通過對曲面進行離散化后重新編制程序并進行精加工，滿足表面粗糙度要求。

圖14 圓角拐角處有縱向的凹陷

6.4 DMU125P五軸聯動對比切削

針對上述五軸聯動側刃和底刃加工質量，使用DMU125P設備分別加工了如下兩個試驗件，在DMU12P機床上加工得較好。選用DMU125P是因該設備結構為工作臺旋轉C軸，機床頭為45°傾斜B軸，結構運動方式同本銑車復合加工中心基本完全相同，運動插補合成原理方式相同，使用進口設備加工，以此驗證對比。采用進口高檔機床DMU125P進行金字塔件及NASA件銑削對比，經檢測對比分析，采用國產華中數控系統所控制的大型銑車復合加工中心達到國外高檔機床同等技術水準。

7 結束語

基于國產華中數控系統控制的大型五坐標聯動銑車復合龍門玻璃鋼加工中心研究應用示范，所取得的技術創(chuàng)新亮點較多。具體有如下幾個方面。

1）采用固定式龍門橫梁雙驅+銑車復合旋轉工作臺整體結構，通過雙電動機驅動橫梁上下移動，實現了橫梁8m/min高速升降的平穩(wěn)性和精確性，有利于減小加工過程中的刀具振顫；規(guī)避單電動機驅動及切削運動過程中的不平穩(wěn)性。

2）系統采用X、Y、Z三個線性軸+主軸復合擺頭+旋轉工作臺五坐標配置模式，通過12000r/min的HSK A100主軸刀柄配置CAPTO車削刀柄共用1個刀庫，實現五坐標聯動銑車復合加工。不但實現了箱體類零件的五面體立臥轉換加工，同時可以利用回轉工作臺進行艙體類零件五軸聯動加工，有效拓寬了產品的加工對象；同時利用回轉工作臺高速車削功能，實現了艙體外型面及端面的車削加工。

3）采用國產華中數控系統HNC848控制，各伺服驅動電動機全部采用國產電動機，實現X、Y、Z三個線性軸分別轉速達到15m/min、12m/min和8m/min，復合擺頭5r/min，回轉工作臺5r/min的銑削速度和150r/min的車削速度；采用RTCP編程控制加工中心刀具；基于UGNX模式的五坐標聯動銑削+立式端面車削+臥式外圓車削的車銑復合自行切換，實現了國產機床的安全自主可控。

4）采用力矩電動機直接驅動復合擺頭主軸，配備HSKA100主軸刀柄，通過20kW的主軸電動機及201N·m的恒轉矩切削，既可以實現鋁合金、復合材料的高速精密切削，也可以實現不銹鋼、鈦合金及高溫合金等難加工材料的強力切削。

5）大力矩驅動和鎖緊高速精密旋轉工作臺，可實現5r/min精密銑削和150r/min高速旋轉車削。基于5r/min的精密回轉工作臺控制聯合主軸復合擺頭實現五軸聯動；利用150r/min高速旋轉工作臺，通過配置CAPTO刀柄，同時實現大型零件的車削加工。

6）主機系統配備全封閉石墨吸塵裝置和導軌防護裝置，吸收切削加工過程中的石墨、玻璃鋼粉塵等，在保護環(huán)境的同時也保護了機床的導軌磨損和機床控制系統電氣安全。