具有自主知識產權的精密高效臥式加工中心的開發

時間:2011-05-26 08:08:57 來源:未知

當前，汽車工業已經成為中國國民經濟發展的重要驅動力之一。汽車工業的發展對金屬切削機床的大量需求成為推動機床行業發展的巨大動力，同時，汽車工業對制造裝備的要求也越來越高，主要表現在以下幾個方面：

加強推進高效化。提高機床的動靜剛度，通過數控機床高速化、高輸出功率扭矩，使其達到甚至超過專用的組合機床的生產效率。
確保精度穩定提升。用以滿足汽車向運行平穩、噪聲低和壽命長等方向發展而對加工精度提出的要求，并有足夠的精度儲備。通常以過程能力指數Cp來表徵，常取Cp=1.67-2.0,以保證獲得穩定的加工精度。近十幾年，汽車的一些關鍵件，如發動機的缸體、缸蓋、曲軸、制動器以及模具等在精度要求上有明顯的提高。
柔性化及信息化。具有調整的靈活性，能滿足汽車產品的更新和變型要求，并能方便地融入大批量生產、多機集成控制的制造系統中去。
注重結構簡約化。貫徹高剛性設計原則，降低故障率和提高可靠性，并有利于節約成本。

μ2000系列臥式加工中心即是我所針對汽車行業對以上幾個方面的要求所開發的新產品，其定位精度可達0.008mm，重復定位精度可達0.004mm，稱為μ系列臥式加工中心，以體現其高精度、高剛度等性能。

本文從以下六個方面對μ2000系列臥式加工中心的開發及應用進行介紹。

一、μ2000系列臥式加工中心所包括的產品

μ2000系列臥式加工中心包括：μ2000/800H和μ2000/5-630H臥式加工中心兩種產品，其中μ2000/800H為帶自動交換臺的結構型式，而則是五軸聯動結構型式，在兩種產品中均體現了高效率的設計μ2000/5-630H理念，同時在宜人性和環保方面進行了較多考慮。
參數范圍μ2000/800Hμ2000/5-630H工作臺面尺寸800×800mmØ630mm工作臺承重1500kg650kg工作行程1200×1000×900mm820×1000×900mm主軸電機最大功率22/25(15min)kW22/25(15min)kW主軸最高轉速8000r/min8000r/min快速移動速度X、Y：48m/minX、Y：48m/minZ：36m/minZ：36m/min刀柄形式BT50HSK A100換刀時間(刀-刀)7s7s刀庫容量3838定位精度/全行程X、Y、Z：0.008mmX、Y、Z：0.008mm重復定位精度X、Y、Z：0.004mmX、Y、Z：0.004mm傾斜角度--20°～+100°回轉軸定位精度-10”

二、機床設計目標和主參數的確定#p#分頁標題#e#

由于本系列機床具有很強的針對性，特別是針對汽車發動機缸體孔方面的特殊要求，詳細確定了機床的設計目標。主要體現在機床的高剛性、高速度方面，從而為機床最后的高精度、高效率提供保障。

機床的主參數如表1所示。

三、總體布局方案及確定

總體設計的原則：(1)要滿足開發輸入參數的要求，統籌考慮機床的加工精度、加工效率及高速性能；(2)確保機床具有相應的剛度、抗振性、熱變形及噪聲水平；(3)應用現有技術，減少開發風險，縮短開發周期，最大限度地考慮機床的系列化和部件的通用化程度；(4)注重采用新技術，同時新技術的應用及其風險要盡可能小；(5)便于觀察加工過程，便于操作、調整和維修機床，便于輸送、裝卸工件和排除切屑，注意機床防護，確保安全生產；(6)考慮宜人性和環保要求；(7)巿場前景好，開發及生產成本低。

本系列產品在總體方案階段主要設計考慮了兩種技術方案。方案1為倒T字型結構，整體床身及整體立柱、工作臺左右移動，立柱前后移動，主軸箱上下移動。優點：該結構對所正在生產銷售的傳統臥式加工中心具有借鑒性，如果采取新的設計手段和方法，采用新技術，在規格提升的同時大幅度提高剛性，在主軸及伺服進給、刀庫及轉臺等方面有較大提高，技術相對成熟，可節約設計研發時間。其缺點主要表現在立柱上具有兩個直線坐標軸的傳動，因而較重，此方向的線性軸在高速移動方面可能會有所犧牲。

圖1 μ2000系列臥式加工中心布局結構

方案2為正T字型結構，工作臺前后移動，立柱左右移動，主軸箱上下移動。優點：立柱較輕，適合高速移動。其缺點主要是：當選用分度工作臺時，該結構只可在前方配置回轉式雙工位交換工作臺，一般雙工位交換工作臺與主機為一體設計，為必選配置，不能根據用戶的要求，靈活選擇是否配置；同時對傳統產品沒有較多借鑒性，設計研發周期相對較長。

根據總體設計原則，方案2雖然較方案1高速性能好，但與現有技術的兼容性差，技術風險相對高，研發周期較長。對于方案1，通過選擇高特性伺服電機，可滿足對立柱、轉臺的驅動要求，同時可以實現48m/min 的快速移動。同時，通過減少結合部、非常規布筋等方式增強機床的剛度，可以滿足機床的精度要求。因此，方案1能夠更好地滿足總體設計的原則標準，最終確定按方案1進行機床設計(圖1)。

圖2 本機床的主軸部件外形圖

四、具體結構優化設計

高剛性、高速度的主軸部件
衡量數控機床水平的高速精密電主軸在中國還主要依賴進口，但我所在電主軸的技術方面一直擁有自主產權。
圖2的內裝式電機主軸單元，由于是零傳動的方式，降低了噪聲、發熱、振動和功率損失，在加工中心的應用上越來越廣泛。
1. 主軸電機的選擇
  主軸電機功率—扭矩曲線圖如圖3。
  
  圖3 主軸電機功率—扭矩曲線圖
  
  電機功率22/25kW，具有高速和低速雙繞組電機，短時間扭矩可達到600Nm ，允許使用較大刀具迅速通過低轉速的切削操作。主軸最高轉速可達8000r/min，可實現低速大扭矩和高速切削的功能，在高剛性和高速度方面達到良好的統一。
2. 主軸軸承的選擇 #p#分頁標題#e#
  采用角接觸球軸承與單列圓柱滾子軸承結合的支承方式，可承受徑向和軸向力，而單列圓柱滾子軸承的采用，克服了主軸熱伸長造成的主軸彎曲變形。
3. 主軸的拉刀機構
  主軸錐柄標準配置為BT50，也可選用HSKA100錐柄。BT50為標準配置，可以滿足用戶需要通用性刀柄的情況。HSK是國際標準，錐度為1：10，錐面接觸的同時端面也接觸，它的特點是：拉刀時靠刀柄的彈性變形與主軸錐面過盈配合，接觸角為自鎖角，這樣配合穩定，不易松動，刀柄拉緊后端面緊密接觸，使刀具接觸剛度好，提高切削剛度，傳遞大扭矩，提高切削能力和加工精度。由于端面接觸，所以與傳統主軸不同的是主軸端面和錐孔均有清潔空氣吹出，以保證刀具與主軸的配合精度。裝刀時刀具肩面與主軸靠上后開始拉刀，拉刀力分解為徑向和軸向，故主軸端面處會有一定的過盈。另外，刀柄質量較輕(空心柄)，故轉動慣量小，離心力小，適于高速運轉和高速切削。
  由于HSK型錐柄要求端面(控制刀具軸向尺寸變形)與錐面(主要是定心作用)同時與主軸貼緊，對主軸錐孔及端面均有較高要求，在設計及制造方面均是一個難題，我所對此難題進行了攻關，并達到了良好的效果，積累了比較成熟的經驗。
4. 主軸中心內冷卻功能及高速回轉密封技術
  主軸中心內冷卻功能可滿足高速切削、小孔加工和深孔加工時對排屑暢通、及時帶走加工熱量的要求。本機床主軸單元內冷卻最大壓力為30bar，高速回轉接頭使用碳化硅密封表面，確保密封可靠；采用軸承結構，其獨特的彈性膜片，能夠使其在沒有冷卻壓力時使密封面“脫開”，壓力恢復后再恢復閉合狀態，其鋁制擋油環組件能夠將密封滲漏從軸承中導至殼體出口，防止因軸承污染而引起接頭故障。
5. 主軸的冷卻
  高速加工時，發熱是必須首先考慮的問題。
  本機床前后軸承及內裝式電機均采用室溫跟蹤式恒溫油冷卻的方式，使冷卻液循環通過主軸電機套筒、軸承套筒的循環槽，帶走主軸運轉時的熱量，控制主軸發熱，防止主軸及主軸箱熱變形引起機床整體精度降低，提高主軸壽命，充分實現電機、軸承、主軸的高性能使用。無論環境溫度如何變化，主軸也能夠用一致的精度加工工件。設計中采用有限元分析的方法，對主軸的熱變形進行了預期的分析和控制。
6. 主軸單元的動平衡
  主軸單元在高速運轉時，對動平衡提出了較高的要求，才能保證主軸的高精度。本機床主軸采用兩次動平衡，動平衡精度高，最大可能地提高主軸運轉平穩性，降低噪聲，減小振動。平衡時采用增重的方式，采用螺釘增重，增重準確易操作。
7. 主軸單元的實驗裝置
  在主軸單元裝配完成后，在試驗臺上進行無負荷實驗、溫升試驗等項目，以保證主軸單元的可靠性。性能良好的主軸單元以單元的型式安裝到主軸箱即可。
8. 主軸的有限元分析
  在主軸單元的設計中，除了對主軸軸承及各參數進行詳細計算之外，也借助了有限元分析的手段，對主軸的變形量及熱變形進行了分析，對主軸懸伸量、主軸跨距等的確定及主軸結構的優化設計起到了很好的指導作用。同時對兩者進行對比，可達到彼此驗證的效果。
圖4 整體床身的外形圖和結構圖

圖5 整體立柱的外形圖和結構圖

圖6 主軸箱的外形圖和結構圖
基礎件的高剛性設計
1. 整體床身的高剛性設計
  作為機床最基本的支承基礎件，床身的剛性對機床的精度具有舉足輕重的作用。本機床采用整體床身的結構型式(圖4)，合理布筋，采用高規格鑄鐵鑄造，使整體床身達到很高的剛性。同時整體床身型式的采用，使機床的精度在加工階段得到很好的保證，便于裝配時的調整，提高了裝配的效率。 #p#分頁標題#e#
2. 整體立柱部件的高剛性設計
  本機床采用整體立柱的型式(圖5)，立柱、立柱滑座及螺母座為一個整體，相對于傳統的立柱滑座和立柱分開的結構型式，具有更高的剛性，同時整體立柱型式的采用，使機床的精度在加工階段得到很好的保證，便于裝配時的調整，提高了裝配的效率。
  由于立柱要在機床上進行Z向的運動，在高剛性的同時，還應具有高速度的特性，因此立柱的設計除了保證高剛度，還采用了輕型設計的原則，降低了移動部件的重量，為機床高速性的實現奠定了基礎。
3. 主軸箱部件的高剛性設計
  圖6為本機床的主軸箱的外形圖和結構圖。
  從結構圖可以看出，主軸箱也采用了多層布筋、對稱布置的型式，同時考慮主軸箱要在機床上進行Y向運動，主軸箱也采用了輕型設計的原則，由于主軸直接安裝在主軸箱內，主軸的發熱必然影響到主軸箱，因此主軸箱的設計同時兼顧了高剛性、高速度及熱對稱性。
4. 基礎件設計中的有限元分析
  在基礎件的設計中，利用有限元分析的手段，當不同的布筋和開孔情況下應變及位移量均呈現不同的狀況，比較其受力及變形的情況，可進行基礎件結構的優化設計。

高特性的伺服進給系統

伺服進給系統承擔了加工中心各直線坐標軸的定位和切削進給，伺服進給系統不僅僅是帶動運動部件穩定地運動，更重要的是要進行精確定位，因此將直接影響整機的運行狀態和精度指標，而進給傳動鏈中的間隙及其剛度則直接影響著定位精度和重復定位精度。

圖7 本機床的高速精密滾珠絲杠副伺服進給系統

本機床采用高精度超靜音滾珠絲杠(圖7)，其dmn值可以達到18萬，比普通的滾珠絲杠提高33%。與傳統的滾珠絲杠相比，其球徑相等，但球數增加，由外循環變成內循環，其承載能力增加。滾珠絲杠副采用預緊的方式，在預緊后提高剛度和消除軸向間隙。

為了消除間隙，提高剛度，設計中采取了一系列措施：電機與絲杠采用鋼制波紋管聯軸器聯接，具有精度高、慣量低等優良特性，并可補償軸偏移量；軸承采用高精度專用組合滾珠絲杠軸承；為了增加螺母座及絲杠軸承座與運動部件間結合面剛度，適當增加了座的長度，同時工藝上采取配刮研技術，保證精度的穩定性。絲杠兩端均為固定支承，可以進行預拉伸安裝，減少或消除因絲杠自重而產生的彎曲變形，減少或消除熱膨脹的影響。

機床導軌

導軌的型式決定了摩擦力的大小，而摩擦力影響著伺服進給系統的靜態誤差和動態誤差，因此導軌對進給系統起著重要的作用。為配合快速移動的要求，三個坐標軸的導軌均采用高精度、高剛性圓柱滾子直線滾動導軌，具有定位精度高、進給速度快、動態性能好、壽命長、性能可靠以及不需要費時保養等優良性能。滾動導軌的采用，不僅節省了加工時間，更方便了產品的裝配，提高了產品的生產率。同時進給系統的定位精度和重復定位精度也得到了更好的保證。

潤滑方式的全新選用和設計

系統采用電動齒輪潤滑泵與電子控制器組成機電一體化潤滑裝置。內裝有溢流閥，控制泵的工作壓力，防止潤滑泵工作壓力超負荷，以保護泵的工作安全；并具有自動卸壓、低壓發訊與低油位發訊等功能，其運行時只需在控制器上設定運行和停止時間，即可實現自動供送油劑；并在設定的運行時間內，由電子控制器監控系統異常發訊。

潤滑系統采用定量加壓式稀油計量件，此計量件屬直壓動作型，由潤滑泵輸送的壓力油劑推動內設的活塞，將上次已儲存在計量腔內的油劑強制地壓向潤滑點，并采用兩道密封，以防止排出的油劑逆流，確保計量準確、排油靈敏暢通。

定時定量潤滑及故障報警技術確保了機床的潤滑效果。在機床上不會出現由于潤滑點的距離遠近和高低不同而造成潤滑不均的可能，從而可確保機床的各個潤滑點均可得到良好的潤滑效果。 #p#分頁標題#e#

關于機床轉臺、刀庫、雙工位交換臺、全封閉防護等部分，限于篇幅，本文不涉及。

五、整機靜動態性能分析及試驗

整機有限元分析
1. 整機有限元模型的建立
  
  圖8 整機的有限元模型及網構圖
  
  對基礎結構件的小圓角、小倒角全部以直角處理；小角度斜面以平面處理，對分析無影響或影響較小的搭子面、螺孔及孔內部筋孔等去除，安裝地腳螺釘的凹槽去除，安裝導軌壓板的斜槽去除，安裝光柵的支撐臺去除，主軸以實心處理；主軸與轉子及軸承內圈做一體處理；定子與軸承外圈及外部支撐冷卻件做一體處理；工作臺以內部布筋的箱體來簡化，使計算模型與實際零件保持最大限度的同一性。有限元網格的劃分采用了局部手工劃分與自由劃分相結合的方法，選取SOLID45 8節點六面體單元作為局部劃分網格用單元，SOLID95 20節點六面體單元為程序自動劃分網格用單元，選取 COMBIN14阻尼彈簧拉壓單元。絲杠、導軌及軸承移動結合部采用了等效彈簧連接，固定結合部采用了粘接方式。共劃分單元數115226個，節點總數208914個。計算用圖依次為：實體裝配圖、結合部網格、主軸網格、主軸箱網格、整機有限元模型(圖8)。
2. 計算及檢測結果
  對比來看，計算及檢測的結果之間具有相似性。X軸方向的靜、動剛度較Y、Z軸方向低，機床的薄弱環節在X軸方向。對加工影響較大的兩種優勢固有頻率的振型見圖9，從中可見，振動的薄弱點均發生在大結構件之間的導軌結合部處，因此，導軌結合部處的剛度成為機床整體剛度的薄弱環節，是今后改進設計，進一步提高機床剛度、改進機床性能的關鍵。
  
  圖9整機的有限元分析結果(兩種固有頻率下的振型)
機床主軸的熱變形及補償試驗
補償方法：
在機床上有兩個溫度傳感器，一個設置于主軸外部作為基準溫度，另一個設置于主軸內部，測量主軸的溫度，二者之差作為補償溫度。
通過試驗的方法得到溫度與主軸伸長量的關系曲線，然后將此曲線的數據通過溫度輸入模塊輸入到PMC的數據表中，PMC用插補計算的方法將溫差計算出來并作為補償依據，通過數控系統對主軸熱伸長進行實時補償。
按照ISO230-3的測量方法及要求，使用HEIDENHAIN的熱效應精密測量儀、可伸縮式精密位移傳感器，對主軸進行熱變形試驗。
根據所測得的曲線，在系統里可對主軸進行補償。主軸熱補償功能，可以消除因熱伸長引起的誤差，從而提高機床精度。圖10為補償前和補償后的比較圖，補償前主軸熱伸長為0.033mm，補償后為0.009mm，具有明顯的效果。

a)補償前(最大值33µm)

b)補償后(最大值9µm)
圖10 補償前后主軸熱伸長的實測結果