HMC63h 高速臥式加工中心設(shè)計研究

張立彬

（沈陽機(jī)床股份有限公司，遼寧 沈陽 110142）

近年來隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車用戶對汽車的多樣化、個性化的要求及發(fā)動機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和汽車行業(yè)激烈競爭的現(xiàn)狀，迫使汽車企業(yè)的產(chǎn)品換型越來越快，產(chǎn)品品種紛繁多樣。原來單一工件的大批量生產(chǎn)變成了多種工件較小批量迭加而成的大批量生產(chǎn)，因此，多年來在汽車制造行業(yè)占統(tǒng)治地位的組合機(jī)床（專機(jī)）生產(chǎn)線已無法滿足汽車行業(yè)快速更新的現(xiàn)實需要。高精、高效、全柔性加工成為當(dāng)前汽車發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線的基本需求，因此加工中心類機(jī)床成為目前國內(nèi)外汽車發(fā)動機(jī)加工行業(yè)的首選[1]。發(fā)動機(jī)作為汽車的心臟，制造廠商有非?？量痰闹圃旌蜋z驗標(biāo)準(zhǔn)，為了滿足廠商對高速、高效率機(jī)床的要求，高速臥式加工中心應(yīng)運而生，滿足了加工柔性與產(chǎn)量、質(zhì)量的需求。

高速切削機(jī)床是高速切削加工的物質(zhì)基礎(chǔ)[2]，HMC63h 高速臥式加工中心屬于工業(yè)和信息化部“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項，其目的是通過該重大專項的實施，形成高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備主要產(chǎn)品的自主開發(fā)能力，總體技術(shù)水平進(jìn)入國際先進(jìn)行列?！安裼桶l(fā)動機(jī)缸體柔性加工生產(chǎn)線”課題主要針對國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀，結(jié)合柴油發(fā)動機(jī)缸體加工工藝特點，通過對專項中支持的數(shù)控機(jī)床、共性技術(shù)等成果的實際工程應(yīng)用，解決國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)使用過程中存在的實際問題并進(jìn)行示范，從而完善機(jī)床功能，提高機(jī)床精度和可靠性，提高工件加工質(zhì)量和加工效率，達(dá)到推進(jìn)國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床在汽車發(fā)動機(jī)加工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的目的，促進(jìn)國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床設(shè)計制造水平的快速提升。“示范工程”是重大專項的重點任務(wù)之一，其作用是在最終用戶單位建立重大專項成果應(yīng)用平臺，將重大專項的研發(fā)成果在最終用戶處進(jìn)行推廣應(yīng)用。

1 機(jī)床主要用途和適用范圍

HMC63h 高速臥式加工中心是具有高速度、高精度、高效率的金屬加工機(jī)床，采用630 mm×630 mm雙交換工作臺、高速大扭矩電主軸、高速進(jìn)給系統(tǒng)和快速換刀系統(tǒng)，大大提高了加工效率并減少輔助時間?？稍谝淮窝b夾中完成零件多個工作面的銑、鉆、鏜和攻絲等工序，是箱體、殼體、閥體等零部件加工的理想設(shè)備，廣泛適用于汽車、摩托車、儀表、液壓件等行業(yè)，尤其適合發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋、變速箱殼體等零件的成套加工生產(chǎn)線。

2 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)

機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)

表1（續(xù)）

3 機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)、性能

3.1 床身部與Z 軸驅(qū)動介紹

機(jī)床為T 字形鑄造整體床身，為中心排屑結(jié)構(gòu)，下方均布有8 個地腳螺栓，可以保證機(jī)床本身具有較高的剛性和穩(wěn)定性。床身部主要部件包括調(diào)節(jié)床身-立柱位置的調(diào)整塊和定位銷、交換機(jī)構(gòu)的調(diào)整塊、整機(jī)吊裝時用的吊環(huán)、Z軸驅(qū)動、Z軸直線導(dǎo)軌、Z軸光柵尺以及接水盤。

Z軸直線導(dǎo)軌能無間隙輕快地運動，可以獲得較高的移動速度和定位精度，具有較強(qiáng)的剛性，容許負(fù)荷大，并且能長期維持高精度，有出色的高速性，維護(hù)保養(yǎng)非常簡便。數(shù)控轉(zhuǎn)臺在床身部Z軸直線導(dǎo)軌上移動實現(xiàn)Z軸運動，并且在行程兩端向外各預(yù)留出25 mm 距離作為安全沖程。兩導(dǎo)軌之間設(shè)有滾珠絲杠副，滾珠絲杠的兩端有軸承座支承，滾珠絲杠的軸端用聯(lián)軸器與伺服電機(jī)相連，采用一端固定一端支撐的安裝方式，滾珠絲杠螺母的法蘭盤固定在數(shù)控轉(zhuǎn)臺下部的支承面上，伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠使數(shù)控轉(zhuǎn)臺沿床身前、后移動，其最大進(jìn)給速度為60 m/min，最大移動速度為60 m/min。

滾珠絲杠的螺母由絲杠制造廠預(yù)先調(diào)好預(yù)應(yīng)力，以消除絲杠與螺母滾道間間隙。

3.2 立柱部與X 軸驅(qū)動介紹

立柱為鑄造“回”形結(jié)構(gòu)，通過20 根M24 的加強(qiáng)螺栓固定于床身之上，使其定位可靠、穩(wěn)定。立柱部主要部件包括X軸直線導(dǎo)軌、X軸上驅(qū)動、X軸下驅(qū)動、X軸上光柵尺、X軸下光柵尺、走線槽以及撞塊和支座。

滑板在X軸直線導(dǎo)軌上移動實現(xiàn)X軸運動，并且在行程兩端向外各預(yù)留出20 mm 距離作為安全沖程。機(jī)床X軸采用了伺服電機(jī)直聯(lián)雙滾珠絲杠副同步驅(qū)動技術(shù)，配置精密光柵檢測系統(tǒng)形成閉環(huán)控制[3]。立柱采用雙驅(qū)動結(jié)構(gòu)，使滑板在立柱上運行時更加平穩(wěn)。兩導(dǎo)軌之間設(shè)有兩組滾珠絲杠副，滾珠絲杠的兩端有軸承座支承，滾珠絲杠的軸端用聯(lián)軸器與伺服電機(jī)相連，采用一端固定一端支撐的安裝方式，滾珠絲杠螺母的法蘭盤分別固定在滑板背部的支承面上，伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠使滑板沿立柱左、右移動，其最大進(jìn)給速度為60 m/min，最大移動速度為60 m/min。

3.3 滑板部與Y 軸驅(qū)動介紹

滑板采用雙絲母驅(qū)動，滑塊安裝面與X軸滑塊緊密貼合使其定位可靠、穩(wěn)定。滑板部主要部件包括Y軸驅(qū)動、Y軸光柵尺、限位開關(guān)、Y軸直線導(dǎo)軌、平衡氣缸及拖鏈支架。

主軸箱在Y軸直線導(dǎo)軌上移動實現(xiàn)Y軸運動，并且在行程上端、下端分別向外各預(yù)留出10 mm、15 mm距離作為安全沖程。兩導(dǎo)軌之間設(shè)有滾珠絲杠副，滾珠絲杠的兩端有軸承座支承，滾珠絲杠的軸端用聯(lián)軸器與伺服電機(jī)相連，采用一端固定一端支撐的安裝方式，滾珠絲杠螺母的法蘭盤固定在主軸箱后部的支承面上，伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠使主軸箱沿滑板上、下移動，其最大進(jìn)給速度為60 m/min，最大移動速度為60 m/min。Y軸驅(qū)動的伺服電機(jī)帶有機(jī)械抱閘裝置，可以實現(xiàn)斷電保護(hù)，避免主軸突然下落對刀具、工件及機(jī)床造成的損害。

3.4 主軸箱部與電主軸介紹

主軸箱絲母安裝座與滑板的Y軸絲母緊密貼合，滑塊安裝面與Y軸導(dǎo)軌滑塊連接使其定位可靠、穩(wěn)定。主軸箱部主要部件包括電主軸、主軸外冷、尾桶及固定架。

機(jī)床配置電主軸，該電主軸配有主軸外冷和主軸中心出水的功能，最高轉(zhuǎn)速為8 000 r/min。主軸錐孔型式為HSK-A100，此類型刀柄可實現(xiàn)大扭矩、高轉(zhuǎn)速的加工，配合中心出水冷卻的功能，可更好地保護(hù)刀具和工件，使加工效果更佳。

電主軸在正常運轉(zhuǎn)中，如果沒有刀具，則電主軸的最高轉(zhuǎn)速不能超過500 r/min，且主軸的錐柄部分的卡爪要根據(jù)具體情況進(jìn)行潤滑，每次工作前必須確定水冷已經(jīng)打開，且要注意主軸的溫升是否在允許的范圍之內(nèi)。

3.5 數(shù)控轉(zhuǎn)臺與交換臺站結(jié)構(gòu)介紹

單個工作臺最大承載量為1 200 kg，最高轉(zhuǎn)速為30 r/min，可以進(jìn)行聯(lián)動加工。數(shù)控轉(zhuǎn)臺與床身直線導(dǎo)軌滑塊和絲杠緊密貼合、交換臺站與床身前部緊密結(jié)合，并由螺釘緊固，保證其穩(wěn)定可靠。

交換臺站帶動交換叉進(jìn)行升起、降落運動，升降行程為45 mm，工件自身回轉(zhuǎn)最大直徑為1 000 mm。在使用過程中，工件必須固定牢固，而且應(yīng)避免頻繁的單側(cè)偏載使用，偏載最大質(zhì)量為300 kg。交換叉在交換臺站的電機(jī)驅(qū)動下實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，完成2 個工作臺的交換。另可通過調(diào)整輸入液壓缸的液壓油的流量來調(diào)整工作臺上下運動的速度、電機(jī)的轉(zhuǎn)速等。

前工位處的工作臺在交換之前必須通過傳感器信號確認(rèn)是否處于鎖緊狀態(tài)，并位于可以交換的位置，方可進(jìn)行交換。前工位處的防護(hù)門在機(jī)床工作過程中必須是處于關(guān)閉鎖緊狀態(tài)，應(yīng)通過電氣按鈕控制，不可人為隨便開啟。當(dāng)操作工人手工上、下料或通過機(jī)器人上、下料時，雖然工作臺可以進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)，但是出于安全的考慮，前工位必須在每隔90°的位置進(jìn)行鎖緊和工作，其他角度位置不允許上、下料。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺滑座帶動托盤在床身導(dǎo)軌上沿Z向運動，采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)B軸旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臺頂面裝有2 個定位銷和4 個錐形夾緊塊。通過油缸控制夾緊塊內(nèi)的夾爪，抓緊或松開安裝在托盤底部的銷釘，實現(xiàn)數(shù)控轉(zhuǎn)臺對托盤的夾緊、松開功能。

主軸中心距工作臺面最小距離為160 mm，主軸端面距轉(zhuǎn)臺中心的最小距離為110 mm，工件最大高度為1 000 mm（如使用卡具，則需要考慮卡具底座的高度，適當(dāng)降低工件的高度，避免托盤交換不能順利進(jìn)行）。工件加工時需要合理的裝卡，以避免由于裝卡等原因?qū)е鹿ぜ系哪承┨卣骷庸げ坏健９ぷ髋_卡緊和松開狀態(tài)、工作臺是否處于交換位置都由傳感器來確認(rèn)。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺頂面中心裝有快換接頭的下接頭，與裝在托盤中心的快換接頭上接頭配合，可向用戶提供6個用來夾緊、清潔夾具的液/氣接口。

3.6 刀庫結(jié)構(gòu)及刀具檢測裝置介紹

本機(jī)床刀庫選擇的是鏈?zhǔn)降稁?，刀庫的換刀機(jī)械手能承受的最大刀具質(zhì)量為單側(cè)25 kg，最大換刀長度為450 mm。刀庫所能容納的最大刀具直徑：滿刀時為125 mm，臨位空刀為250 mm。

刀具檢測裝置采用刀庫內(nèi)檢測機(jī)構(gòu)，主要用來檢測刀具破損、斷裂情況等。每次換刀完成后，刀具進(jìn)入待刀區(qū)，刀具檢測開始，檢測完成后數(shù)據(jù)反饋回系統(tǒng)。

3.7 機(jī)床的防護(hù)系統(tǒng)

本機(jī)床采用的是整體防護(hù)形式。除排屑器水箱和水冷機(jī)外，其他都在防護(hù)間內(nèi)，由于排屑器和水箱整體連接，故放在防護(hù)之外，便于拆卸。另液壓站沒有防護(hù)門，便于觀察及維護(hù)。防護(hù)間前工位為左右電氣控制拉門，刀庫側(cè)為平開門，防護(hù)間右側(cè)的拉門可使操作者方便對刀、檢測工件和手動換刀。

4 計算

4.1 X 軸電機(jī)的選擇

根據(jù)參考同類機(jī)床和實際經(jīng)驗，本機(jī)床的X軸傳動絲杠外徑d=50 mm，導(dǎo)程Ph=25 mm。選用西門子1FT7102 型伺服電機(jī)，X軸采用雙驅(qū)結(jié)構(gòu)，電機(jī)直聯(lián)傳動，減速比為1∶1。

4.2 旋轉(zhuǎn)扭矩的計算

等速時需要的旋轉(zhuǎn)扭矩Tt計算過程如下：

式（1）（2）中：T1為外部載荷引起的摩擦扭矩，N·mm；Fa為加速時軸向載荷，N；Ph為進(jìn)給絲杠的導(dǎo)程，mm；η1為進(jìn)給絲杠的正效率（取值查詢絲杠樣本）；μ為導(dǎo)向面上的摩擦系數(shù)；m為運送物的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；f為導(dǎo)向面的阻力（無負(fù)荷時），N。

式（2）中，各量具體取值如下：μ=0.003，m=2 158 kg，f=1 000 N。則Fa=0.003×2 158×9.8+1 000=1 063 N。

式（1）中，各量具體取值為Ph=25 mm，η1=0.96。并將式（2）的結(jié)果代入式（1）得：

加速時需要的旋轉(zhuǎn)扭矩TK計算過程如下：

式（3）—式（6）中：T2為加速時扭矩，N·mm；J為負(fù)載慣性力矩，kg·m2；ω為角加速度，rad/s2；Nm為電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速，r/min；t為加速時間，s。

其中，Nm=3 000 r/min，t=0.2 s，Jm=0.009 14 kg·m2。則J=2158×106=0.0343kg·m2，=1 570 rad/s2，T2=0.034×2 093×103=91.03 N·m，TK=4.4+91.03=95.43 N·m。

4.3 減速時需要的旋轉(zhuǎn)扭矩Tg

Tg的計算公式如下：

代入上述求得的數(shù)據(jù)得：

5 校核

5.1 最大扭矩TMAX

負(fù)載最大扭矩必須等于或小于電機(jī)的最大扭矩值，即TMAX≤MMAX。電機(jī)最大扭矩值MMAX=120 N·m，負(fù)載最大扭矩值TMAX=TK=95.43 N·m，即TMAX＜MMAX。

5.2 扭矩的有效值Trms

負(fù)載扭矩的有效值必須等于或小于電機(jī)的額定扭矩，即Trms≤MN。

X軸采用雙驅(qū)結(jié)構(gòu)，根據(jù)經(jīng)驗公式，負(fù)載扭矩有效值小于2 個電機(jī)扭矩有效值的70%，即可滿足要求。

電機(jī)額定扭矩值：MN=2×20×70%=28 N·m，負(fù)載扭矩有效值：Trms=25.8 N·m，即Trms＜MN。

5.3 慣性力矩的校核

負(fù)載慣量比選取的過大，會造成電機(jī)的控制不穩(wěn)定，調(diào)試電機(jī)將十分困難。同時，還會使得加工表面的精度與粗糙度降低，定位時間變長。推薦選取范圍：負(fù)載慣量/電機(jī)慣量為3～5。

通過計算得出結(jié)論，電機(jī)選型滿足要求。

6 主要成果

高速加工中心是數(shù)控機(jī)床中加工精度、生產(chǎn)率和自動化程度最高的綜合性機(jī)床，也是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中最具代表性和技術(shù)附加值的產(chǎn)品。隨著中國裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級和自主創(chuàng)新能力提升，從綜合技術(shù)性能和發(fā)展應(yīng)用趨勢分析，高速加工中心應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，日后將成為主流制造裝備[4]。

本機(jī)床研究課題開展了國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床性能驗證、可靠性測評及國外同類產(chǎn)品對比試驗研究，機(jī)床技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)達(dá)到同類型國外高速、高精機(jī)床水平，總投資相比同類進(jìn)口設(shè)備節(jié)省30%以上，采取“產(chǎn)、學(xué)、研、用”聯(lián)合開展研究，采取沈陽機(jī)床與最終用戶聯(lián)合開展的方式，為沈陽機(jī)床培養(yǎng)一批具有高素質(zhì)、專業(yè)化的技術(shù)人才，同時對“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項“十一五”科研成果進(jìn)行示范，開展高速臥式加工中心機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生產(chǎn)線規(guī)劃技術(shù)研究等。同時對“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項“十一五”科研成果在示范工程上進(jìn)行展示，從而滿足用戶需求、使機(jī)床制造廠掌握自主高速臥加技術(shù)、成線技術(shù)，并對以國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床為主的高檔自動生產(chǎn)線進(jìn)行示范及推廣。