精密立式加工中心的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

    隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，制造業(yè)向著高、精、尖方向發(fā)展，特別是汽車、船舶、紡織、電子技術(shù)、航空航天的迅猛發(fā)展，對(duì)機(jī)床的精度和生產(chǎn)率要求也越來越高，急需一大批加工精度為“µ”級(jí)、主軸轉(zhuǎn)速12,000r/min以上、快移速度大于40m/min的高效高精機(jī)床。為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需要，滿足用戶對(duì)高速、高精及強(qiáng)力切削的需求，北京機(jī)床研究所研制了新一代精密立式加工中心µ1000系列。

    全新結(jié)構(gòu)和高性能的立式加工中心µ1000系列基型產(chǎn)品是在分析國(guó)內(nèi)外立式加工中心主流產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)，結(jié)合中國(guó)市場(chǎng)需求，同時(shí)按照高速、高精、高品質(zhì)、高穩(wěn)定性的技術(shù)發(fā)展方向和高性能價(jià)格比的目標(biāo)進(jìn)行開發(fā)的。

設(shè)計(jì)原則

新一代立式加工中心的設(shè)計(jì)原則如下：

在速度和精度方面達(dá)到國(guó)際同類型同規(guī)格產(chǎn)品的先進(jìn)水平，同時(shí)兼顧強(qiáng)力切削，滿足用戶一機(jī)多用的目的；

高剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證機(jī)床設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)；

產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本，形成不同配置的系列產(chǎn)品；

高精度設(shè)計(jì)，滿足µ級(jí)加工精度的需要；

高效率設(shè)計(jì)，滿足現(xiàn)代高生產(chǎn)率的要求；

注重環(huán)保。

主要技術(shù)參數(shù)確定

    根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研確定作為標(biāo)準(zhǔn)配置。µ1000系列的工作臺(tái)面尺寸為500mm×1200mm；坐標(biāo)行程X、Y、Z分別為1000mm、560mm、550mm；主軸功率18.5/22KW，主軸轉(zhuǎn)速15,000r/min，BT40刀柄；換刀時(shí)間(刀到刀)1.5s，最大刀具重量7kg，刀庫(kù)容量24把；快速移動(dòng)速度X、Y、Z分別為48m/min、48m/min、36m/min；全閉環(huán)情況下定位精度≤0.008mm，重復(fù)定位精度≤0.004mm(執(zhí)行GB/T8771.4標(biāo)準(zhǔn))。

    作為系列產(chǎn)品和選用配置，五軸聯(lián)動(dòng)控制時(shí)配兩軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，工作臺(tái)面尺寸為Ø500mm，坐標(biāo)行程X、Y、Z分別為500mm、500mm、415mm(五軸時(shí))；主軸轉(zhuǎn)速12,000r/min、20,000 r/min任選，刀柄可選擇HSKA63。

設(shè)計(jì)過程

    機(jī)床設(shè)計(jì)從常用的功能設(shè)計(jì)進(jìn)一步發(fā)展為機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)、精度設(shè)計(jì)、高速化設(shè)計(jì)、誤差補(bǔ)償技術(shù)、壽命設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)等現(xiàn)代先進(jìn)機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)精密機(jī)床設(shè)計(jì)要求，在機(jī)床設(shè)計(jì)中對(duì)各方面進(jìn)行了綜合考慮。

    為保證機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)基礎(chǔ)件、傳動(dòng)系統(tǒng)、主軸及整機(jī)都進(jìn)行了有限元分析，找出設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)加以改進(jìn)，對(duì)機(jī)床整體性能優(yōu)化和高剛性設(shè)計(jì)起到很好的指導(dǎo)作用。

    在設(shè)計(jì)開發(fā)過程的初期，初步設(shè)計(jì)了外形尺寸和工作區(qū)范圍相同而結(jié)構(gòu)不同的四套方案，即：定梁頂置滑枕式、定立柱十字工作臺(tái)式、橫梁滑座式和定立柱三坐標(biāo)單元式四種結(jié)構(gòu)。通過有限元?jiǎng)偠确治龊图庸ふ`差分析，得出方案1(即定梁頂置滑枕式)的剛度是最大的，且誤差分配也比較合理，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中選擇了方案1。

    按方案1的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了機(jī)床整機(jī)和部件的設(shè)計(jì)，并且根據(jù)設(shè)計(jì)圖對(duì)機(jī)床整機(jī)和部件進(jìn)行了有限元分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)改進(jìn)，避免薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn)。結(jié)論如下：與同類的立式加工中心相比，這臺(tái)機(jī)床在各個(gè)方向的剛度都具有較大的優(yōu)勢(shì)，綜合當(dāng)量剛度約提高40%至兩倍以上，并且三個(gè)方向的剛度值較均勻(見表1)。

表1　與類似規(guī)格加工中心的剛度計(jì)算值比較

機(jī)床名稱 X向剛度

Kx(N/µm) Y向剛度

Ky(N/µm) Z向剛度

Kz(N/µm) 三向綜合當(dāng)量剛度

K(N/µm)

其它類似加工中心 A 46.6 46.8 53.7 48.7

B 32.3 50.0 95.9 45.2

C 20.4 37.2 59.1 29.7

D 32.3 65.1 118.2 48.7

E 31.2 34.2 39.7 34.5

µ1000 59.7 64.9 92.9 68.7

    由計(jì)算結(jié)果可知，機(jī)床整機(jī)的整體性能優(yōu)良，機(jī)床靜態(tài)剛度顯著提高，可以滿足高速、高精、高效的要求。

    這種布局結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：床身、立柱分體，且主要構(gòu)件均呈箱形結(jié)構(gòu)，加工中不易變形，加工工藝性好；結(jié)合面較大，基礎(chǔ)穩(wěn)固，主軸懸伸小，整體結(jié)構(gòu)剛度高；左右完全對(duì)稱式設(shè)計(jì)，主軸X向熱平衡較好；Y向懸伸小，熱變形影響�。籜、Y、Z軸移動(dòng)部件輕，加速性好；構(gòu)件結(jié)構(gòu)穩(wěn)固易于保證導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度，精度穩(wěn)定性好。

    為保證機(jī)床的精度穩(wěn)定，床身、立柱、滑座、主軸箱等都采用有限元分析，應(yīng)用高阻尼性能的優(yōu)質(zhì)鑄鐵制造；合理的截面設(shè)計(jì)和筋格布置，盡量避免行程中出現(xiàn)不合理的懸臂狀態(tài)；導(dǎo)軌采用高剛性滾柱導(dǎo)軌，安裝基面精密刮研。

    µ1000系列機(jī)床打破通常機(jī)床結(jié)構(gòu)形式，床身采用三點(diǎn)支撐，高剛性設(shè)計(jì)，使機(jī)床調(diào)整簡(jiǎn)單，不依賴于地基，機(jī)床可不需特殊地基而直接安裝在水泥地坪上。床身用基于無彎矩的力流原理的特殊筋板設(shè)計(jì)，保證其上構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過程中，負(fù)載重心和切削點(diǎn)始終不離開三點(diǎn)支撐的范圍，并有足夠的支撐剛度，有利于保持精度的穩(wěn)定。

    滑座采用頂置式結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)為高剛性輕型設(shè)計(jì)，使運(yùn)動(dòng)單元靈活，適應(yīng)高速要求。滑座沿立柱導(dǎo)軌作X向運(yùn)動(dòng)，加長(zhǎng)導(dǎo)軌支撐長(zhǎng)度，運(yùn)動(dòng)時(shí)滑座始終不離開導(dǎo)軌，易保證直線度、定位精度和加工精度。工作臺(tái)只作單方向(Y向)移動(dòng)，與十字工作臺(tái)結(jié)構(gòu)相比移動(dòng)部件輕，且承重大，設(shè)計(jì)承重大于800kg。另外工作臺(tái)沿導(dǎo)軌方向運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)剛性好，運(yùn)動(dòng)精度高，避免了傳統(tǒng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)到兩端後直線度降低或超差問題。扁長(zhǎng)的主軸箱結(jié)構(gòu)，使主軸重心盡量靠近X向?qū)к�，主軸中心與導(dǎo)軌距離295mm，比傳統(tǒng)機(jī)床減少五份之二，這樣主軸懸伸小，受彎矩小。另外導(dǎo)軌安裝在主軸箱上，滑塊在滑座上，大大增強(qiáng)了Z向剛性，提高了加工精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，定位精度高。

采用了寬度較大的滾柱導(dǎo)軌，中等預(yù)載荷消除了間隙和爬行，提高系統(tǒng)剛度和運(yùn)動(dòng)精度。

    線性軸驅(qū)動(dòng)采用伺服電機(jī)帶動(dòng)高速滾珠絲杠副，它采取預(yù)緊式單螺母形式，結(jié)構(gòu)緊湊。絲杠的支撐采用兩端固定支撐并施加預(yù)拉伸，以提高傳動(dòng)系統(tǒng)剛度，吸收絲杠發(fā)熱引起的熱伸長(zhǎng)造成的誤差。絲杠與電機(jī)間的聯(lián)軸器選用波紋管形式，其優(yōu)點(diǎn)是：傳動(dòng)效率高、剛性好、傳遞扭矩大、扭轉(zhuǎn)剛度高，且自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，適應(yīng)高速性。適當(dāng)增加座的長(zhǎng)度以增加螺母座及絲杠軸承座與基礎(chǔ)件間結(jié)合面剛度，同時(shí)工藝上采取配刮研技術(shù)，使精度直接進(jìn)入穩(wěn)定期，提高耐沖擊能力。

    高剛性內(nèi)裝式電主軸，前軸承選用中預(yù)載的四列背對(duì)背高速角接觸陶瓷球軸承，軸承內(nèi)徑Ø70，這種組合方式使軸承可同時(shí)承受徑向和軸向載荷，主軸動(dòng)靜剛度高。

    為了減少?zèng)_擊、提高定位精度，控制系統(tǒng)設(shè)定了鐘型加減速功能和HRV(High Response Vector)控制功能，調(diào)整了影響動(dòng)態(tài)性能的位置和速度增益。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中對(duì)一些影響精度和工作性能的關(guān)鍵部件采取了相應(yīng)措施，如：由于主軸軸承用油氣潤(rùn)滑，部分油氣會(huì)進(jìn)入電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間，使電機(jī)被污染而影響使用性能和壽命，為了克服這一點(diǎn)，在電機(jī)前後端均有低壓乾燥清潔氣體吹入，局部形成輕微正壓，以防止油氣進(jìn)入，保證電機(jī)性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)；為避免主軸前端有臟物進(jìn)入軸承，并防止軸承油氣潤(rùn)滑的廢油滲出到主軸端面上，主軸最前端加一路氣，以防止臟物進(jìn)入和吹散廢油；五軸聯(lián)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)直接運(yùn)動(dòng)于工作區(qū)時(shí)，臟物可能進(jìn)入電機(jī)，影響壽命，為此，轉(zhuǎn)臺(tái)上兩個(gè)電機(jī)罩均加有低壓氣體吹氣，形成正壓，阻止異物侵入；為了保證光柵長(zhǎng)久保持精度，提高使用壽命，光柵的讀數(shù)頭上也有乾燥清潔的空氣吹入。

為了保證高精度，多種措施被采用以減少機(jī)床的熱變形和振動(dòng)。如主軸套筒和前後軸承座恒溫循環(huán)冷卻，油氣潤(rùn)滑減少軸承發(fā)熱，後軸承使用圓柱滾子軸承，一旦發(fā)生熱變形，主軸就向後伸長(zhǎng)，不影響加工精度；大流量冷卻刀具和工件，減少切削熱產(chǎn)生；床身上兩個(gè)螺旋排屑器及時(shí)將切屑排出機(jī)體，避免切屑大量堆積引起床身熱變形；機(jī)床對(duì)稱式設(shè)計(jì)，平衡熱變形等；主軸具有中心內(nèi)冷卻功能，內(nèi)冷最大壓力為22 bar，可滿足高速切削、小孔加工和深孔加工對(duì)排屑暢通、及時(shí)帶走加工熱量的要求。

    為了使主軸運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，降低噪聲，減小振動(dòng)，對(duì)主軸采用兩次動(dòng)平衡，一次在主軸與轉(zhuǎn)子熱裝後，第二次在所有回轉(zhuǎn)零件裝配好且?guī)缀尉�度檢驗(yàn)完畢後。這樣動(dòng)平衡精度高，保證回轉(zhuǎn)精度和防止振動(dòng)。另外，在主軸前後位置設(shè)計(jì)有平衡環(huán)以備在線動(dòng)平衡用。刀庫(kù)放在機(jī)床的左側(cè)面，用單獨(dú)地基，這樣在刀庫(kù)和機(jī)械手換刀時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和不平衡不會(huì)傳到主機(jī)上，消除了一部分外加載荷，使機(jī)床精度更穩(wěn)定。

    為了在較高的運(yùn)動(dòng)速度下提高機(jī)床的定位精度和加工精度，特別是定位精度，機(jī)床上安裝了精度為0.003mm的HEIDENHAIN封閉式絕對(duì)光柵尺，進(jìn)行全閉環(huán)控制。但機(jī)床的定位精度只能評(píng)估機(jī)床在特定位置時(shí)的精度，如果遠(yuǎn)離測(cè)量面進(jìn)行加工時(shí)，加工的位置度會(huì)有較大誤差。而傳統(tǒng)的螺距補(bǔ)償只能對(duì)特定位置絲杠的螺距誤差進(jìn)行補(bǔ)償，并不能全面降低整個(gè)加工面的位置度誤差。為盡量消除加工區(qū)域內(nèi)的位置度誤差，提高機(jī)床的加工精度，增加了空間誤差補(bǔ)償功能，通過大量的試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，計(jì)算出機(jī)床在各空間點(diǎn)的幾何誤差，并通過CNC系統(tǒng)給與實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

    主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，電機(jī)、軸承及其它運(yùn)動(dòng)部件會(huì)因摩擦、損耗等產(chǎn)生熱量。如果熱量不能及時(shí)散發(fā)和排出，則會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)床精度。因此，對(duì)主軸電機(jī)外套和軸承座外套用通過恒溫油的方式進(jìn)行循環(huán)冷卻，使主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中絕大部分的熱量隨循環(huán)油帶出機(jī)體，以降低熱變形。但是，冷卻再完善也仍然會(huì)有部分熱量因傳導(dǎo)速度快而不能及時(shí)排出，使主軸產(chǎn)生熱變形。為了進(jìn)一步解決主軸熱變形對(duì)精度的影響，主軸Z向的熱變形可用軟件補(bǔ)償?shù)霓k法進(jìn)行了補(bǔ)償。補(bǔ)償數(shù)據(jù)是通過實(shí)驗(yàn)獲得的。

    為了使補(bǔ)償軟件更具有通用性，變量編程被采用，針對(duì)不同的機(jī)床、不同的使用情況分別給這些變量賦值，便可生成具針對(duì)性、實(shí)用性的補(bǔ)償程序。

    高生產(chǎn)率的實(shí)現(xiàn)是由于具有較高的快速移動(dòng)速度48m/min，高的切削進(jìn)給速度30m/min，最大0.9g的加速度；高的主軸轉(zhuǎn)速12,000~20,000r/min以及高的換刀速度1.5s。主軸電機(jī)選用FANUC的&alphaBi系列內(nèi)裝電機(jī)，具有低速繞組和高速繞組，在低速繞組額定轉(zhuǎn)速在1500r/min以下時(shí)，恒扭矩達(dá)118Nm，即使增高至4000r/min時(shí)，仍有36Nm~44Nm的較大扭矩輸出，在高速繞組下即使20,000r/min時(shí)，也仍有8.8Nm~11Nm的扭矩輸出，恒功率范圍寬，可實(shí)現(xiàn)低速大扭矩切削和高速加工。

    機(jī)床的三點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，便于根據(jù)生產(chǎn)線需要調(diào)整位置實(shí)現(xiàn)快速重組，縮短了機(jī)床安裝調(diào)試周期，節(jié)約了調(diào)整工時(shí)。

    機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在BT40與HSKA63刀柄的互換；轉(zhuǎn)臺(tái)和工作臺(tái)可以方便地互相更換；導(dǎo)軌和絲杠可根據(jù)用戶需求選用不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，如STAR、NSK、THK等。數(shù)控高速銑床、三軸、四軸、五軸加工中心可以快速配置出來。液壓、潤(rùn)滑、冷卻的設(shè)計(jì)以及電氣設(shè)計(jì)均可根據(jù)用戶不同要求及不同配置方便地取舍；根據(jù)用戶不同需求，轉(zhuǎn)臺(tái)傾斜角度也可以改變等，拓寬了用戶的選擇面和使用面。

    全封閉防護(hù)罩確保高速、高效加工條件下工人操作安全。使用油水分離器，將冷卻液中油物分離過濾掉，延長(zhǎng)冷卻液的使用壽命，提高冷卻液使用效果，并且符合環(huán)保要求。

應(yīng)用

µ1000系列立式加

    1154973561l">中心應(yīng)用范圍很廣，機(jī)床為精密級(jí)加工中心，各項(xiàng)精度包括幾何精度、加工精度均為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的精密級(jí)，而定位精度比精密級(jí)還提高一倍。設(shè)計(jì)的高剛性在滿足高精度的前提下，還有很強(qiáng)的切削能力。應(yīng)用范圍如下：汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋、制動(dòng)器、變速箱體、轉(zhuǎn)向節(jié)、減速器等零件的大批量生產(chǎn)和加工；紡織行業(yè)板類零件加工；油泵油嘴行業(yè)、制表行業(yè)、模具行業(yè)等的開關(guān)體、閥體、葉片、葉輪等零件和模具的加工。

    在已售出的機(jī)床中，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋及主、差減速器殼體生產(chǎn)線上的機(jī)床，可改進(jìn)生產(chǎn)線工藝，提高生產(chǎn)率和精度；用于航空航天業(yè)的機(jī)床，能滿足形狀復(fù)雜、精度要求高的零件加工，以及薄壁輕型零件的加工，成為具有強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品，取得了好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)論

    該產(chǎn)品研制成功後進(jìn)行了全面性能實(shí)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)證完全滿足設(shè)計(jì)要求，并且在結(jié)構(gòu)、動(dòng)靜態(tài)剛度和精度方面表現(xiàn)出色。在新產(chǎn)品鑒定會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，Z軸實(shí)測(cè)定位精度3.4µm，重復(fù)定位精度小于1.7µm；用端銑刀銑削鋁件，表面粗糙度為Ra 0.04µm 。它標(biāo)志著機(jī)床在主軸轉(zhuǎn)速、快移速度、位置精度等方面均達(dá)到了較高水準(zhǔn)，并形成了新一代高性能立式加工中心系列；研究成果實(shí)現(xiàn)商品化、系列化、模塊化；產(chǎn)品在整體結(jié)構(gòu)上采用三點(diǎn)支撐高剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基于可靠性增長(zhǎng)分析的部件及元器件設(shè)計(jì)，確保了機(jī)床高速、高精和高可靠性；在熱變形誤差補(bǔ)償和平面位置誤差補(bǔ)償方面具有獨(dú)特的技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，滿足了市場(chǎng)對(duì)精密立式加工中心的需要，已進(jìn)行小批生產(chǎn)和銷售。