張愛華，張志英

（南京數(shù)控機床有限公司，江蘇南京 211100）

0 引言

我國數(shù)控機床經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了較為完整的系列，品種、規(guī)格、檔次都有很大的提高，但高速、高精密、柔性化、復合化、環(huán)保和智能化的數(shù)控機床仍是數(shù)控機床未來發(fā)展的趨勢。。

南京數(shù)控機床公司在研發(fā)高速、高精度數(shù)控車床和車削中心有一定的經(jīng)驗，而且與國際同類產(chǎn)品相比，產(chǎn)品具有很高的性價比，根據(jù)市場的信息反饋，對一些精度高、特別是一些零件自身有偏心孔、槽、平面，并且有相互關(guān)系，要求一次裝夾完成加工，此時二軸聯(lián)動的數(shù)控車床就無法滿足。顧客如用數(shù)控車床加其他的鉆、銑床多臺機床加工，或用C軸分度精度較低的第一代、第二代車削中心加工，精度、效率均達不到要求。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)一些軍工企業(yè)在加工一些航空、航天所需精密零件，因其形狀復雜、精度達IT5級、角度誤差在15"以內(nèi)、粗糙度在Ra0.8以上，國內(nèi)數(shù)控車削中心基本無法達到要求，大中型規(guī)格的精密數(shù)控車削中心機床在加工新型導彈的伺服裝置的關(guān)鍵件領(lǐng)域也有很大的市場需求，在國際上也將有很強的市場競爭力。

為了滿足市場的需求，同時促進大規(guī)格精密數(shù)控車削中心的技術(shù)進步，公司在2010年申報“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項課題，并獲批準立項，開展課題產(chǎn)品CKH1463S/1500型精密數(shù)控車削中心的相關(guān)研究與應用。

1 整體結(jié)構(gòu)方案（圖1）

圖1 機床整體結(jié)構(gòu)方案

產(chǎn)品x，z，c三軸聯(lián)動，全閉環(huán)控制。主傳動采用德國西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的電主軸，將機床主軸與主軸電動機融為一體的新技術(shù)，主軸電動機矢量控制、交流伺服控制，分度定位精度高，在全部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有更大的扭矩和更高的功率，快速啟動、停止，使主軸具備連續(xù)分度和準停功能。采用SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)。兩拖板采用交流伺服電動機與滾珠絲桿驅(qū)動，兩軸絲杠均預加負荷;采用A211號主軸，精密主軸組經(jīng)精確動平衡，精度高、剛性好;主軸軸承采用進口成組預加負荷高速球軸承，內(nèi)填進口長效潤滑脂，10年不需更換;主軸箱采用熱對稱結(jié)構(gòu)，主軸受熱時軸線不會發(fā)生偏移，同時采用循環(huán)冷卻方式將由于電主軸產(chǎn)生的熱量帶走;液壓動力夾緊裝置;整體鑄造床身底座，后置傾斜;采用線性滾動導軌，具有較好的動態(tài)特性;后置進口12工位刀架可配各種動力刀具，可完成徑向偏心孔、平面的鉆、銑等功能;機床采用模塊化設計，可配置帶B軸的動力刀架，實現(xiàn)真正意義上的銑削功能;液壓動力尾座。該機床能對零件的內(nèi)外圓、端面進行車削加工，還可以加工各種螺紋，鉆、鉸、鏜孔以及徑向偏心孔、平面的鉆、銑等。既適用于盤類零件加工，也適用于軸類零件加工，尤其適用于形狀復雜、精度高、多工序、品種多變的單件或批量生產(chǎn)。該機床可廣泛應用于航空航天、船舶、汽車、發(fā)電設備、精密模具、軍工等行業(yè)。

2 CKH1463S/1500型主要技術(shù)參數(shù)

床身上最大回轉(zhuǎn)直徑d700

床身上最大車削直徑d630

拖板上最大車削直徑d440

最大車削長度 1 500

刀架縱向行程 1 550

刀架橫向行程 330

電主軸功率（AC）kW 23.6/33

主軸最高轉(zhuǎn)速r/min 5 000

主軸頭部尺寸 GB5900.1－1997－A211

回轉(zhuǎn)刀架工位 12

動力刀具工位 12

動力刀具最高轉(zhuǎn)速（r/min） 10 000

相鄰刀位換刀時間/S 1

外圓刀桿尺寸 32×32

內(nèi)孔刀具刀桿直徑d50

兩軸快速進給速度x/z（m/min） 36/36

尾架套筒 MK5

尾架套筒直徑/行程d115/130

c軸最小分辯率 0.001°

c軸重復定位精度 12″

c軸定位精度 24″

x/z軸重復定位精度 0.003

x/z軸定位精度 0.006

主軸徑向跳動 0.000 5

主軸軸向跳動 0.001

機床質(zhì)量 9 000 kg

機床外形尺寸（長×寬×高）

4 210 mm ×2 171 mm ×1 954 mm

3 主要解決的技術(shù)難點

3.1 高速主軸（5 000 r/min）系統(tǒng)主軸回轉(zhuǎn)精度（徑向跳動≤0.000 5 mm，端面跳動≤0.001 mm）的控制技術(shù)

1）高速高精度主軸回轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、摩擦磨損、冷卻潤滑、配合、預緊、溫控、軸承選擇等優(yōu)化，對主軸箱體進行有限元分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，同時對主軸硬件系統(tǒng)采取措施，保證高速主軸系統(tǒng)實際達到的水平與理論分析一致。

2）主軸系統(tǒng)選用P2級高速球軸承。

3）提高主軸箱體的加工精度。

4）提高主軸的加工精度。

5）提高主軸組動平衡精度等級，達到G0.4級，以保證主軸在高速運轉(zhuǎn)時平穩(wěn)可靠。

3.2 電主軸系統(tǒng)熱平衡、整機熱變形控制和補償技術(shù)

1）建立機床整機熱平衡溫度場模型，研究機床主要發(fā)熱部件引起的熱應力變化對加工精度的影響程度，提出控制及補償策略。

2）以主軸部件穩(wěn)態(tài)熱分析的溫度場為依據(jù)，在箱體上合理布置散熱筋，以達到散熱均勻，減小主軸的熱變形。

3）對整機的溫度場進行分析，對關(guān)鍵部位，如電主軸進行溫度控制，保持22℃±2℃，減少因高速產(chǎn)生的熱變形對機床精度的影響。

4）采用油霧潤滑方式對主軸軸承強制冷卻潤滑。

3.3 高速回轉(zhuǎn)主軸動平衡技術(shù)和制動控制技術(shù)

1）通過提高主軸組動平衡精度要求（G0.4級），從而保證主軸在高速運轉(zhuǎn)時平穩(wěn)可靠。

2）c軸采用阻尼制動控制技術(shù)，聯(lián)動銑削時處于阻尼狀態(tài)，定位銑削時處于制動狀態(tài)，保證銑削的平穩(wěn)性。

3.4 伺服參數(shù)優(yōu)化技術(shù)

重點對伺服增益、伺服響應時間常數(shù)等參數(shù)進行優(yōu)化，以滿足機床要求。

3.5 微量進給技術(shù)

x，z軸全閉環(huán)控制，采用高精度光柵尺作位置環(huán)檢測元件，同時利用系統(tǒng)的分頻，一方面提高伺服系統(tǒng)傳動裝置的精度，另一方面滿足機床微量進給的要求，x，z軸分辨率達到0.000 1 mm。

3.6 y軸設計制造技術(shù)

1）聯(lián)動銑削時處于阻尼狀態(tài)。

2）定位銑削時處于制動狀態(tài)。

3）可以完成徑向偏心孔、平面的鉆銑功能。

3.7 整機減振隔振技術(shù)

1）利用有限元分析技術(shù)，建立機床整機模態(tài)分析模型。

2）結(jié)合試驗模態(tài)測試結(jié)果矯正上述模型，進而設計出合理的隔振裝置，一些結(jié)合面安裝隔振裝置。

3）采取必要的減振措施，對關(guān)鍵部件進行測試，在其內(nèi)部填充減振物，提高其固有共振頻率，將由于振動對機床精度影響的因素降低到最小。

3.8 整機動態(tài)性能分析和優(yōu)化設計技術(shù)

利用有限元分析，對機床基礎(chǔ)件、部件和整機的靜、動態(tài)參數(shù)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)修改和動態(tài)優(yōu)化設計，同時對機床部件和整機的靜、動態(tài)特性模態(tài)試驗與分析，改進不合理的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)加工精度的最優(yōu)化設計方案。

3.9 開展可靠性增長研究

1）對關(guān)鍵技術(shù)從理論分析入手，分析機床精度保持與動態(tài)性能、振動、熱變形的關(guān)系。

2）對關(guān)鍵基礎(chǔ)件通過試驗，掌握使用壽命與承載能力的關(guān)系。

3）與國內(nèi)主要功能部件生產(chǎn)廠家合作研究，選用高可靠性、高品質(zhì)的配套件。

4）通過可靠性工藝設計，對機床零部件加工品質(zhì)、機床裝配品質(zhì)、檢測技術(shù)和配套件品質(zhì)進行控制和規(guī)范。

4 主要技術(shù)創(chuàng)新點研究

1）運用有限元分析技術(shù)進行機床模態(tài)分析、溫度場分析及優(yōu)化設計，機床整機具有足夠的剛性及防振性，同時對溫度補償提出策略。

2）c軸阻尼制動控制技術(shù)，聯(lián)動銑削時處于阻尼狀態(tài)，定位銑削時處于制動狀態(tài)，保證銑削的平穩(wěn)性。

3）采用帶阻尼制動重載直線滾柱導軌，具有較好的動態(tài)特性，提高伺服系統(tǒng)傳動裝置的精度。

4）主軸軸承采用成組預加負荷高速球軸承，精密主軸組經(jīng)精確動平衡，能實現(xiàn)主軸高速回轉(zhuǎn)，高精度及高剛性。

5）主傳動采用內(nèi)藏電動機式主軸，通過高精度反饋元件實現(xiàn)閉環(huán)控制。

6）主軸箱采用熱對稱結(jié)構(gòu)，主軸受熱時軸線不會發(fā)生偏移;電主軸采用強制冷卻，溫度控制22℃ ±2℃。

5 結(jié)語

經(jīng)過兩年的研究開發(fā)，大規(guī)格精密數(shù)控車削中心的研究開發(fā)已取得階段性成果，完成了課題產(chǎn)品CKH1463S/1500型精密數(shù)控車削中心的試造，技術(shù)指標基本符合課題合同指標要求。課題產(chǎn)品CKH1463S/1500型精密數(shù)控車削中心，已經(jīng)先后參加了2011年北京國際機床展覽會和2012年南京機床展覽會兩屆機床展覽會的展出，受到觀眾及與會代表們的好評。另配置國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)及配套件的課題產(chǎn)品CKH1463S/1500已設計開發(fā)完成，目前正在試造中。

課題產(chǎn)品CKH1463S/1500型精密數(shù)控車削中心實物圖片如圖2所示。

圖2 CKH1463S/1500型精密數(shù)控車削中心

［1］“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項課題任務合同書大規(guī)格精密數(shù)控車床和車削中心系列化產(chǎn)品研究與應用.南京數(shù)控機床有限公司，2010.

［2］國家標準機床主軸端部與花盤互換性尺寸.中國標準出版社，2009.

［3］HEIDENHAIN角度編碼器.海德漢（中國）有限公司，2003.

［4］FAG滾動軸承.FAG中國有限公司，2002.

［5］同飛制冷綜合樣本.同飛制冷設備有限公司，2011.