立式雙軸車削中心助力高效、高柔性加工

    隨著機(jī)床產(chǎn)品呈現(xiàn)出多軸化、復(fù)合化的發(fā)展趨勢(shì)，并具有高效、多能和高精度的特點(diǎn)，東風(fēng)汽車有限公司設(shè)備制造廠開發(fā)出對(duì)置雙主軸立式車削中心，該機(jī)床可適應(yīng)常用金屬材料零件兩端完全粗、精加工的高柔性、高精度加工，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)，并能很方便地連入自動(dòng)生產(chǎn)線中，或者與同類機(jī)床串聯(lián)形成新的具有高度柔性的加工自動(dòng)線。 
    汽車、摩托車生產(chǎn)中存在大量軸、盤轂類回轉(zhuǎn)體零件加工，往往數(shù)量大、品種多、要求高、工藝內(nèi)容復(fù)雜，對(duì)車削設(shè)備提出了高效率、高柔性、高精度和多功能的要求，促進(jìn)了車削設(shè)備的快速發(fā)展。許多刀輔具、電力驅(qū)動(dòng)及控制、傳動(dòng)及測(cè)量等方面的新技術(shù)在其中得到應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也使得機(jī)床結(jié)構(gòu)變得多種多樣。

圖1 對(duì)置雙主軸立式車削中心

    國(guó)外先進(jìn)機(jī)床行業(yè)在數(shù)控車削中心的設(shè)計(jì)制造上技術(shù)成熟，其機(jī)床產(chǎn)品呈現(xiàn)多軸化、復(fù)合化的發(fā)展趨勢(shì)，具有高效、多能和高精度的特點(diǎn)，代表了此類機(jī)床的發(fā)展方向。順應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，我廠開發(fā)了對(duì)置雙主軸立式車削中心（如圖1），填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)此類設(shè)備空白。
機(jī)床總體布局和性能特點(diǎn) 
    引入全新立車設(shè)計(jì)理念，結(jié)合主軸倒置立車與傳統(tǒng)立車結(jié)構(gòu)形式，采用克服傳統(tǒng)車床缺陷的機(jī)床結(jié)構(gòu)布局方案，機(jī)床設(shè)計(jì)目標(biāo)期望滿足下列要求：
1. 高度自動(dòng)化從而實(shí)現(xiàn)高效率，易于自動(dòng)化連線。
2. 易于排屑，可靠定位，從而有利于加工自動(dòng)化和加工質(zhì)量的保障。
3. 適應(yīng)常見金屬零件兩端完全粗、精加工的高柔性、高精度車削。
4. 先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用（大扭矩電主軸開發(fā)應(yīng)用、高速度高精度進(jìn)給系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用以及動(dòng)力刀架應(yīng)用等）和先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)，適應(yīng)國(guó)內(nèi)機(jī)床應(yīng)用維護(hù)水平的進(jìn)步。
    機(jī)床由床身、十字滑臺(tái)、移動(dòng)倒置主軸I、電動(dòng)刀架I、固定正置主軸II、伺服動(dòng)力刀架II、下料機(jī)械手、電氣、液壓、自動(dòng)集中潤(rùn)滑、氣路和自動(dòng)冷卻排屑系統(tǒng)等部件構(gòu)成，根據(jù)具體零件加工條件，另配備相應(yīng)刀輔具、夾具和上下料自動(dòng)滾道，編制相應(yīng)數(shù)控加工程序，即構(gòu)成完整的自動(dòng)化制造系統(tǒng)（如圖2）。

圖2  完整的自動(dòng)化制造系統(tǒng)

    機(jī)床工作循環(huán)為：工件通過(guò)上料機(jī)動(dòng)滾道到達(dá)上料位置→主軸I下行(Z1軸),上料油缸頂起工件實(shí)現(xiàn)端面定位,夾具I由回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)夾緊→主軸I抓起工件沿 Z1、X1軸運(yùn)行到刀架I加工區(qū)間→工件按程序加工→主軸I沿Z1、X1軸運(yùn)行到主軸II,將工件放置主軸II，夾具II夾緊，主軸I 返回進(jìn)入下一循環(huán)→刀架II沿X2、Z2軸運(yùn)行到主軸II→工件按程序加工→夾具II松開，刀架II安裝臺(tái)上的下料機(jī)械手抓起工件沿X2、Z2軸運(yùn)行到下料滾道并放下工件→下料機(jī)動(dòng)滾道將工件送出機(jī)床。
    由此顯見，主軸I（夾具I）和刀架II的二坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)除完成切削進(jìn)給功能外，還兼有自動(dòng)上下料運(yùn)動(dòng)的功能，配備自動(dòng)滾道后，全自動(dòng)化生產(chǎn)變得簡(jiǎn)便易行，數(shù)控的主軸和進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)保證了加工的靈活性。加工盆形工件時(shí)盆形向下，刀架I加工盆內(nèi)特征，刀架II加工盆外特征，排屑順暢，定位可靠，利于加工。對(duì)置雙主軸+上下雙刀架配置簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)工件兩端完全加工，比較兩臺(tái)單軸立車組線，機(jī)床部件和占地面積更少，工件輸送更簡(jiǎn)單、可靠，這些構(gòu)成了機(jī)床結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)。
    比較國(guó)外類似機(jī)床，本機(jī)床結(jié)構(gòu)吸取了其優(yōu)點(diǎn)，且主要技術(shù)性能指標(biāo)已處相同水平，各進(jìn)給坐標(biāo)軸快進(jìn)速度達(dá)40m/min，加速度達(dá)0.4g，定位精度和重復(fù)定位精度分別達(dá)0.008mm和0.005mm。
    機(jī)床可加工工件最大直徑φ350mm，最大高度250mm，兩刀架均為8刀位，足以滿足較復(fù)雜工件加工，配置伺服動(dòng)力刀架，更可以對(duì)工件進(jìn)行銑鏜、鉆孔、攻絲等加工，也可配置自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)以具備刀具補(bǔ)償和自動(dòng)對(duì)刀功能，豐富、靈活的配置極大地滿足了功能集成化、多工序工藝復(fù)合化的要求。
主要技術(shù)要點(diǎn)
1. 大扭矩車削電主軸的開發(fā) 
    立車主軸I需要快速移動(dòng)，因此采用伺服電主軸（如圖3）驅(qū)動(dòng)方式，比較傳統(tǒng)機(jī)械主軸，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、噪音小和傳動(dòng)慣量小，快速響應(yīng)好，能實(shí)現(xiàn)極高的速度、加速度。

圖3  主軸結(jié)構(gòu)

    一般立車主軸上裝較大夾具及工件，要求電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)較低、扭矩相對(duì)較大，這一點(diǎn)與加工中心用電主軸顯著不同，為此專門開發(fā)了本機(jī)床使用的電主軸，其轉(zhuǎn)速額定1000r/min，最大2800r/min，扭矩額定260Nm，最大340Nm。
    主軸尾端裝有齒輪式絕對(duì)編碼器，用于主軸轉(zhuǎn)速和周向位置控制反饋，實(shí)現(xiàn)主軸C軸功能，使得機(jī)床具備周向特征加工功能，如鉆孔、攻絲和銑槽等。
    車削工件環(huán)狀端面時(shí)，往往采取恒線速、變轉(zhuǎn)速切削，直到限制轉(zhuǎn)速后再恒轉(zhuǎn)速切削，有利于提高效率和表面加工質(zhì)量。配置德國(guó)INDRAMAT公司MTC200-R數(shù)控系統(tǒng)和DIAX04系列全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，使其得以方便實(shí)現(xiàn)。
    采用進(jìn)口精密角接觸球軸承組，軸承采用全壽命免維護(hù)高級(jí)脂潤(rùn)滑，采用氣密封，0.1MPa壓力氣流經(jīng)端蓋與主軸表面間隙外泄，阻擋污物進(jìn)入，空氣過(guò)濾精度0.001mm且經(jīng)過(guò)干燥，這種密封比接觸式密封和迷宮密封效果更好。
    內(nèi)裝主軸電機(jī)作為高功率密度的伺服電機(jī)，電流較大，定子繞組電流和轉(zhuǎn)子感應(yīng)渦流產(chǎn)生大量熱量，進(jìn)而影響到軸承溫度，對(duì)其強(qiáng)制冷卻是必需的。主軸箱體設(shè)計(jì)了通過(guò)轉(zhuǎn)子、軸承外部的水冷通道，采用壓力低于0.3MPa溫度低于40℃的水強(qiáng)制冷卻，水中加防銹劑。水冷系統(tǒng)的可靠工作極為重要，水冷系統(tǒng)具備溫度、壓力監(jiān)控報(bào)警，防止主軸損壞。
    機(jī)床自動(dòng)化運(yùn)行，采用進(jìn)口回轉(zhuǎn)油缸和液壓動(dòng)力卡盤。
    主軸箱體采用鑄造鋁合金材料，重量比鑄鐵減輕 60%，減小慣量利于提高加速性能，同時(shí)利于主軸散熱�？紤]硬度較低，容易擦傷，其主軸孔不宜直接安裝配合較緊的軸承，主軸孔內(nèi)襯以鋼套，確�？啥啻胃呔�度重復(fù)裝配。箱體壁內(nèi)加工出氣、液通道孔，管線全從主軸尾端接入，整齊美觀。
    主軸旋轉(zhuǎn)部分經(jīng)動(dòng)平衡，等級(jí)G2.5，主軸高速區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無(wú)振動(dòng)，利于使用壽命和加工質(zhì)量。
2. 高速、高精度進(jìn)給系統(tǒng)開發(fā)
    進(jìn)給系統(tǒng)包括X1、X2、Z1、Z2四軸伺服控制直線運(yùn)動(dòng)，完成兩個(gè)工位的進(jìn)給功能。
    采用進(jìn)口高剛性精密滾柱直線導(dǎo)軌，滿足粗加工高負(fù)載和精加工高精度兩方面要求；使用進(jìn)口光柵尺作為滑臺(tái)位置測(cè)量反饋元件，組建機(jī)床全閉環(huán)控制系統(tǒng)。
    使用伺服電機(jī)和進(jìn)口精密滾珠絲杠組成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)負(fù)載、慣量匹配性能和系統(tǒng)剛性進(jìn)行精心設(shè)計(jì)校核。各軸負(fù)載慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比控制在1.0～1.5之間，保證其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)迅速；采用絲杠兩端固定并對(duì)絲杠預(yù)拉伸，提高系統(tǒng)剛度，保證實(shí)現(xiàn)微細(xì)進(jìn)給。
3. 電控系統(tǒng)
    配置INDRAMAT公司MTC200-R數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高性能、高柔性和高可靠性等特點(diǎn)，有豐富的NC編程指令集，可以滿足各種通用、專用機(jī)加工機(jī)床的加工要求，該數(shù)控系統(tǒng)還集成了PLC控制器、PLC編程器，人機(jī)接口等功能；配置INDRAMAT公司的DIAX04系列全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，該系列伺服系統(tǒng)具有高精度、高速度和高可靠性等特點(diǎn)，并具有完善的故障診斷、狀態(tài)提示功能；配備10.4in（1in=25.4mm）彩色液晶TFT顯示器作為人機(jī)接口，實(shí)時(shí)顯示機(jī)床的狀態(tài)，包括各伺服軸的運(yùn)動(dòng)速度、當(dāng)前位置、各機(jī)床檢測(cè)開關(guān)的狀態(tài)以及執(zhí)行元件的狀態(tài)等；該機(jī)床還有操作提示功能、故障診斷和顯示功能，指導(dǎo)操作及維修人員進(jìn)行使用、維修機(jī)床。
結(jié)語(yǔ)
    新型立式車床具有結(jié)構(gòu)緊湊、敞開性好和排屑流暢的特點(diǎn)，可適應(yīng)常用金屬材料零件兩端完全粗、精加工的高柔性、高精度加工，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)，并能很方便地連入自動(dòng)生產(chǎn)線中，或者與同類機(jī)床串聯(lián)形成新的具有高度柔性的加工自動(dòng)線。該機(jī)床于2005年成功研制后，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，投入生產(chǎn)使用良好，并獲得2006年中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)春燕獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、2007年中國(guó)汽車工業(yè)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)項(xiàng)。