一種臥式五軸加工中心的研究與應(yīng)用

張傳思，侯延星，范春宏

（科德數(shù)控股份有限公司 沈陽(yáng)分公司，沈陽(yáng) 110041）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，為飛機(jī)提供飛行動(dòng)力。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)的各種機(jī)匣、葉盤是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部件，其加工質(zhì)量決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。目前，加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類的數(shù)控機(jī)床主要依賴于進(jìn)口，不僅設(shè)備價(jià)格昂貴、貨期長(zhǎng)，而且售后周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，且經(jīng)常受到發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)限制和封鎖。因此，研究一種用于加工機(jī)匣類等回轉(zhuǎn)體、多面體復(fù)雜型面、難加工材料的臥式五軸加工中心機(jī)床具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為此，以用戶工藝為導(dǎo)向，充分分析國(guó)外該類產(chǎn)品的典型結(jié)構(gòu)與特征，依托國(guó)內(nèi)某航空零件制造企業(yè)，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類、葉盤類等零件的工藝特征和工藝需求，設(shè)計(jì)了一種KHMC80 U型臥式五軸加工中心機(jī)床，并成功應(yīng)用于該類零件的加工，達(dá)到部分替代進(jìn)口。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

KHMC80 U臥式五軸加工中心的設(shè)計(jì)主要由床身組件、立柱組件、滑鞍組件、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)組件，擺頭組件等部分組成[1]，如圖1所示。機(jī)床床身水平布置，L形立柱固定于床身之上，滑鞍通過(guò)滑塊在立柱導(dǎo)軌上左右移動(dòng)為X軸，擺頭通過(guò)滑塊在滑鞍導(dǎo)軌上上下移動(dòng)為Y軸，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)通過(guò)滑塊在床身導(dǎo)軌上前后移動(dòng)為Z軸，擺頭繞X軸旋轉(zhuǎn)形成A軸，工作臺(tái)繞Y軸旋轉(zhuǎn)形成B軸，機(jī)床X、Y、Z、A、B五軸五聯(lián)動(dòng)。機(jī)床側(cè)面安裝有自動(dòng)換刀裝置，進(jìn)行刀具的自動(dòng)交換，提高加工效率，同時(shí)刀庫(kù)具備刀具的RFID讀寫功能，能夠?qū)Φ毒哌M(jìn)行智能化管理。機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱布局設(shè)計(jì)，受熱均勻。采用重心驅(qū)動(dòng)原理，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)傾覆力矩。整機(jī)研發(fā)過(guò)程中，采用有限元分析軟件，對(duì)單件、整機(jī)進(jìn)行了靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析，通過(guò)分析，增加了支撐固定件的支撐剛度。在保證運(yùn)動(dòng)部件剛度的前提下盡量輕量化，增加動(dòng)態(tài)特性。經(jīng)過(guò)反復(fù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升了整機(jī)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，為整機(jī)高效、高精度的加工提供保證。

圖1 KHMC80 U型臥式五軸加工中心結(jié)構(gòu)示意圖

2 主要結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.1 床身組件

KHMC80 U型臥式五軸加工中心的床身為整機(jī)支撐件，立柱、滑鞍、擺頭及回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等都置于床身之上，因此，床身要有足夠的剛度，以滿足穩(wěn)定地支撐其上的其他運(yùn)動(dòng)組件要求。特殊的床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證足夠的排屑角度，實(shí)現(xiàn)整機(jī)中央后排屑，加工過(guò)程排屑順暢；床身采用高強(qiáng)度的鑄鐵鑄造而成，具有良好的吸振特性，采用時(shí)效處理消除鑄件的殘余內(nèi)應(yīng)力，采用有限元分析方法[2]，優(yōu)化布置內(nèi)部筋格型式及厚度，以保證床身和機(jī)床整機(jī)具有足夠的剛度和精度穩(wěn)定性。

2.2 立柱組件

立柱組件作為滑鞍組件及擺頭組件的支撐部件，要保證足夠的支撐剛度。立柱采用L形墻式結(jié)構(gòu)，保證其上運(yùn)動(dòng)部件的重心在立柱內(nèi)部。同時(shí)在其內(nèi)部合理地布置縱向和橫向的環(huán)形筋板，并經(jīng)有限元?jiǎng)?、靜態(tài)特性分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證立柱具備足夠的抗彎剛度。采用3根高剛度滾柱導(dǎo)軌支撐導(dǎo)向，保證其上運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)行精度。

2.3 滑鞍組件

滑鞍組件用來(lái)支撐擺頭組件，擺頭組件在滑鞍組件上上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)滑鞍組件沿立柱橫向運(yùn)動(dòng)。因此，滑鞍需具有足夠的抗彎剛度和抗扭剛度。同時(shí)，滑鞍組件及其上的擺頭組件整體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，在滿足強(qiáng)度、剛度的情況下，要盡量較少其組件的質(zhì)量，使其具有較高的動(dòng)態(tài)特性。滑鞍采用對(duì)稱的封閉式結(jié)構(gòu)，經(jīng)有限元?jiǎng)印㈧o態(tài)特性分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到減輕運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量的效果，提升動(dòng)態(tài)特性的同時(shí)且保證足夠的抗彎與抗扭剛度。

2.4 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)組件

回轉(zhuǎn)工作臺(tái)組件由滑座、回轉(zhuǎn)軸和工作臺(tái)3部分組成[3]，如圖2所示。滑座布置于床身之上，采用伺服電動(dòng)機(jī)直聯(lián)絲杠，雙驅(qū)同步控制，使回轉(zhuǎn)工作臺(tái)具有高的動(dòng)態(tài)特性?；剞D(zhuǎn)軸由安裝在滑座內(nèi)的B軸驅(qū)動(dòng)力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，繞B軸回轉(zhuǎn)中心做360°范圍的連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)、無(wú)級(jí)傳動(dòng)，高效率、零間隙傳動(dòng)，滿足高動(dòng)態(tài)特性和高剛度加工需求。采用重心驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原理，不受工件質(zhì)量變化的影響?；O(shè)計(jì)成熱對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，受熱均勻，采用重心驅(qū)動(dòng)原理，使其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中更加平穩(wěn)，提高零件的加工精度和表面質(zhì)量。配有高承載能力、高傾覆剛度、高精度的YRT轉(zhuǎn)臺(tái)軸承，使轉(zhuǎn)臺(tái)承重大。工作臺(tái)可聯(lián)動(dòng)加工，也可通過(guò)液壓夾緊與松開剎車片，進(jìn)行定位加工，液壓鎖緊力矩大。配置絕對(duì)式角度編碼器，全閉環(huán)控制，保證高精度的定位精度與重復(fù)定位精度。

圖2 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)組件

2.5 擺頭組件

擺頭組件包括擺頭箱體、旋轉(zhuǎn)主軸箱和電主軸3部分。擺頭箱體由安裝在滑鞍上的Y軸雙驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)，沿滑鞍導(dǎo)軌做垂直上下運(yùn)動(dòng)，雙驅(qū)同步控制實(shí)現(xiàn)高速、平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)主軸箱由安裝在擺頭箱體內(nèi)的A軸驅(qū)動(dòng)力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，繞A軸旋轉(zhuǎn)中心連續(xù)擺動(dòng)，擺角范圍可達(dá)165°（以主軸呈水平狀態(tài)為零點(diǎn)），向上可擺動(dòng)60°，向下可擺動(dòng)105°，如圖3所示。旋轉(zhuǎn)主軸箱驅(qū)動(dòng)側(cè)采用高剛度的轉(zhuǎn)臺(tái)軸承支撐，以提高旋轉(zhuǎn)部分的支撐剛度。A軸采用增壓式鎖緊機(jī)構(gòu)，鎖緊力矩大，鎖緊穩(wěn)定可靠；采用高精度絕對(duì)式角度編碼器，全閉環(huán)控制，定位精度高。旋轉(zhuǎn)主軸箱內(nèi)裝有電主軸，其最高轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為312 N·m，能夠滿足多種材料的高效加工需求。

圖3 A軸擺角示意圖

2.6 直線伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)

X、Y、Z直線伺服軸均采用伺服電動(dòng)機(jī)直聯(lián)絲杠，各軸均雙驅(qū)同步控制，增大了驅(qū)動(dòng)力，提升了動(dòng)態(tài)特性。采用高剛度的圓柱滾子直線導(dǎo)軌，導(dǎo)向精度高，摩擦因數(shù)小，有利于移動(dòng)部件的高速平穩(wěn)運(yùn)行。

2.7 數(shù)控系統(tǒng)

采用科德自主研發(fā)的GNC62數(shù)控系統(tǒng)，如圖4所示。具有高速信息交互——GLNK光纖運(yùn)動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、精密的位置/角度感知——傳感細(xì)分技術(shù)、精準(zhǔn)的高頻控制調(diào)度——GRTK實(shí)時(shí)內(nèi)核技術(shù)。

圖4 科德GNC62數(shù)控系統(tǒng)

3 主要技術(shù)參數(shù)

在充分調(diào)研用戶群體的前提下，分析了國(guó)外產(chǎn)品現(xiàn)有機(jī)型及技術(shù)指標(biāo)的情況下，結(jié)合典型用戶零件的工藝特征、加工工藝性，提出了主要適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 KHMC80 U型臥式五軸加工中心主要技術(shù)參數(shù)

4 應(yīng)用

KHMC80 U型臥式五軸加工中心已成功應(yīng)用于某些航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠家，用來(lái)加工機(jī)匣[4]（如圖5）、葉盤類（如圖6）等零件，并得到了用戶的充分認(rèn)可與肯定，同時(shí)用戶也提出了寶貴的優(yōu)化升級(jí)建議，將促進(jìn)產(chǎn)品的不斷完善與提升，同時(shí)也請(qǐng)相關(guān)高校、科研機(jī)構(gòu)共同參與了基礎(chǔ)共性技術(shù)的研究，也將不斷提升機(jī)床性能的穩(wěn)定性與精度保持性，充分地發(fā)揮了產(chǎn)學(xué)研用的機(jī)制，有利地促進(jìn)了產(chǎn)品的升級(jí)迭代。

圖5 機(jī)匣

5 結(jié)語(yǔ)

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷發(fā)展，新一代的難變形材料、輕質(zhì)合金、復(fù)合材料應(yīng)用步伐加快，針對(duì)上述材料的大量應(yīng)用，其高效加工必將成為航空制造業(yè)不斷追求的目標(biāo)。而針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類的設(shè)備，主要依賴進(jìn)口，因此研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的臥式五軸加工中心，用于機(jī)匣類等多面體類零件的加工，有著廣泛的市場(chǎng)需求和廣闊的市場(chǎng)前景。研制的KHMC80 U型臥式五軸加工中心，能夠部分滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類等多面體類零件的高效、高精度加工的要求，但較國(guó)外設(shè)備還有一定差距，希望通過(guò)國(guó)家政策的不斷引領(lǐng)和企業(yè)用戶的不斷應(yīng)用反饋，持續(xù)提升產(chǎn)品的性能和各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，使設(shè)備最終能替代進(jìn)口產(chǎn)品，達(dá)到自主化、技術(shù)可控，免于國(guó)外的技術(shù)限制與封鎖，最終促進(jìn)我國(guó)航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展。