劉桂芝，周永良

(1.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)(2.南京數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 南京 211100)

影響車銑復(fù)合機(jī)床雙主軸系統(tǒng)精度的因素分析

劉桂芝1，周永良2

(1.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)(2.南京數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 南京 211100)

主軸系統(tǒng)的精度是決定雙主軸車銑復(fù)合機(jī)床整機(jī)加工精度的重要因素，而主軸系統(tǒng)的精度又受機(jī)床的多方面因素如機(jī)床的幾何精度、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛度及熱性能等的影響。因此，機(jī)床設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就歸結(jié)為如何提高主軸系統(tǒng)的精度。通過(guò)對(duì)復(fù)合加工機(jī)床雙主軸系統(tǒng)精度影響因素的分析，提出相應(yīng)的解決方法。

雙主軸復(fù)合車銑機(jī)床；幾何精度；加工精度

數(shù)控機(jī)床作為工作母機(jī)在機(jī)械加工制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著數(shù)控加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床向著高速、高精、高效、復(fù)合和環(huán)保的方向發(fā)展，以滿足加工行業(yè)對(duì)零件加工精度不斷提高的要求和對(duì)零件加工高速高效的不斷追求。復(fù)合加工機(jī)床(Complex Machine Tools)也稱之為完全加工機(jī)床(Complete Machining Machine Tools)，其基本含義就是要在單臺(tái)復(fù)合加工機(jī)床上實(shí)現(xiàn)零件的大部分或全部工序的加工。隨著機(jī)械加工市場(chǎng)不斷增加的對(duì)復(fù)合加工機(jī)床的需求，國(guó)際上復(fù)合加工機(jī)床將進(jìn)入激烈的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)代?，F(xiàn)代的復(fù)合加工不僅僅只是車、銑、鉆、鏜等的復(fù)合加工，而是將車削、銑削、鏜削、鉆削、磨削、淬火、電火花加工、超聲波加工、激光加工等不同加工方法都組合到一臺(tái)機(jī)床上，使復(fù)合加工技術(shù)成為推動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu)和制造工藝發(fā)展的一個(gè)新熱點(diǎn)，成為數(shù)控機(jī)床發(fā)展的重要方向之一。

基于上述目的，設(shè)計(jì)研制了一種雙主軸數(shù)控車銑復(fù)合加工機(jī)床(以車削為基礎(chǔ)的復(fù)合加工機(jī)床)，其具備雙主軸及雙主軸的C1軸、C2軸功能；帶有12工位動(dòng)力刀具單刀架及刀具主軸功能；具有X,Y,Z,W4個(gè)直線軸；能實(shí)現(xiàn)七軸控制，任意兩直線軸、任意C軸及主軸的四軸聯(lián)動(dòng)，以完成零件的復(fù)合曲面的加工。對(duì)高速、高效、高精的雙主軸車銑復(fù)合加工機(jī)床來(lái)說(shuō)，影響其加工精度的主要因素就是機(jī)床的雙主軸系統(tǒng)。本文從數(shù)控復(fù)合機(jī)床主軸系統(tǒng)精度的驗(yàn)收要求出發(fā)，闡述在設(shè)計(jì)、加工、裝配時(shí)保證機(jī)床雙主軸精度所采取的技術(shù)措施。

1 數(shù)控復(fù)合機(jī)床有關(guān)主軸系統(tǒng)的精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[1-4]

根據(jù)國(guó)家對(duì)數(shù)控加工中心精度的驗(yàn)收要求，對(duì)雙主軸復(fù)合加工機(jī)床的精度檢驗(yàn)項(xiàng)目由3部分組成，即幾何精度、位置精度和工作精度。工作精度最終體現(xiàn)在機(jī)床所能加工零件的尺寸精度、形狀和位置偏差、表面粗糙度等上。要保證機(jī)床工作精度達(dá)到機(jī)床精度標(biāo)準(zhǔn)或機(jī)床用戶使用的要求，在設(shè)計(jì)、加工、裝配及機(jī)床調(diào)試過(guò)程中就要嚴(yán)格控制機(jī)床的幾何精度和位置精度在一定的范圍內(nèi)。在國(guó)家有關(guān)機(jī)床制造標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定中對(duì)主軸系統(tǒng)幾何精度有以下幾點(diǎn)要求：

a.主軸端面的精度要求。

(1)定心軸徑的徑向跳動(dòng)：0.008mm；(2)周期性軸向竄動(dòng)：0.005mm；(3)主軸端面跳動(dòng)：0.010mm。如圖1所示。

圖1 主軸端面的精度要求

b.Z軸運(yùn)動(dòng)對(duì)主軸軸線的平行度的要求。

(1) 在ZX平面內(nèi)：0.015mm(只許偏向刀具)；(2)在YZ平面內(nèi)：0.020mm。如圖2所示。

c.主軸、副主軸軸線對(duì)。

圖2 Z軸運(yùn)動(dòng)對(duì)主軸軸線的平行度的要求

(1)X軸線在ZX平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的垂直度如圖3所示，全行程≤300mm，垂直度為0.015mm ，α1≤90°，α2≤90°；(2)Y軸線在YZ平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的垂直度如圖4所示，全行程≤300mm，垂直度為0.020mm。

圖3 X軸線在ZX平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的垂直度

圖4 Y軸線在YZ平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的垂直度

d.兩主軸箱主軸的同軸度要求。

(1)在ZX平面內(nèi)：0.015mm；(2)在YZ平面內(nèi)：0.015mm。如圖5所示。

圖5 兩主軸箱主軸的同軸度要求

以上4項(xiàng)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確地描述了復(fù)合加工機(jī)床對(duì)主軸組的幾何精度要求，與機(jī)床床身的幾何精度、X向、Y向及Z向拖板的幾何精度共同影響著機(jī)床的靜態(tài)精度，并且形成影響機(jī)床加工精度的決定性因素。

雙主軸車銑復(fù)合數(shù)控機(jī)床雙主軸配置圖如圖6所示。

2 解決影響機(jī)床主軸系統(tǒng)精度的技術(shù)措施[5-6]

根據(jù)國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或機(jī)床用戶對(duì)機(jī)床精度的要求，在進(jìn)行車銑復(fù)合數(shù)控加工機(jī)床雙主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為滿足機(jī)床的精度要求，需要考慮解決以下幾方面問(wèn)題：

a.主軸系統(tǒng)幾何精度的影響因素及解決措施。

圖6 雙主軸配置圖

(1) 進(jìn)行主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮機(jī)床主軸箱體的幾何精度(零件的尺寸精度、形位誤差及表面粗糙度等)、主軸軸系零件的幾何精度等對(duì)機(jī)床主軸系統(tǒng)幾何精度的影響，合理地選擇主軸系統(tǒng)零件的形狀、位置公差以及表面粗糙度；進(jìn)行合理的工藝分析，使主軸系統(tǒng)零件加工的工藝性達(dá)到最好；在確定機(jī)床軸承精度的前提下，合理地選擇軸承的安裝方式及保證各軸承端面的高低點(diǎn)錯(cuò)位安裝，保證主軸軸承系統(tǒng)的支撐剛性。

(2) 裝配時(shí)嚴(yán)格控制與機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)前后支承軸承配合的零件的精度，如主軸箱體與支承軸承外圈、主軸與支承軸承內(nèi)圈等配合零件的尺寸公差、形位公差及表面粗糙度等必須滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝要求，必要時(shí)可進(jìn)行配磨或研磨控制，以保證設(shè)計(jì)所要求的配合精度。機(jī)床的主軸和主軸組在裝配時(shí)需按設(shè)計(jì)要求的精度等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)平衡，根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)主軸的最高轉(zhuǎn)速和主軸組的質(zhì)量，確定剩余不平衡量U，以盡量減少由于零件制造誤差而引起的雙主軸系統(tǒng)加工精度的影響[7-8]。

U=m·e

(3)在機(jī)床裝配過(guò)程中，第一主軸箱和底座的固定結(jié)合面間、第二主軸箱與其可移動(dòng)的拖板固定安裝面間一定要進(jìn)行刮研并作著色檢驗(yàn)，從而保證第一主軸箱與底座固定結(jié)合面、第二主軸箱與可移動(dòng)拖板固定安裝面的結(jié)合面的接觸剛度，間接保證第一、第二主軸軸線在主切削平面和次切削平面內(nèi)達(dá)到國(guó)家規(guī)定的同軸度要求。

(4)為保證主軸發(fā)熱時(shí)主軸軸線不會(huì)產(chǎn)生偏移，在設(shè)計(jì)機(jī)床主軸箱時(shí)，采用熱對(duì)稱設(shè)計(jì)——使機(jī)床主軸箱外側(cè)的加強(qiáng)筋呈對(duì)稱分布，當(dāng)機(jī)床主軸箱受熱時(shí)會(huì)均勻膨脹，散熱時(shí)同樣會(huì)均勻冷卻，從而保證了機(jī)床主軸軸線空間位置的固定、不偏移。

b.靜態(tài)及動(dòng)態(tài)剛度對(duì)主軸系統(tǒng)的影響因素及解決措施。

(1)要根據(jù)機(jī)床的加工精度要求和切削負(fù)荷類型，選擇合適的軸承類型，確定預(yù)加載荷形式。在進(jìn)行主軸支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算出機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的一階、二階固有頻率，使其一階固有頻率、二階固有頻率避開(kāi)機(jī)床主軸工作轉(zhuǎn)速的低速區(qū)和最高轉(zhuǎn)速，從而避免主軸系統(tǒng)產(chǎn)生共振，以消除由于主傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)對(duì)機(jī)床加工精度的影響。

裝配時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)確定的預(yù)加載荷量，參照所選用的軸承手冊(cè)提供的參數(shù)，用力矩扳手嚴(yán)格地控制對(duì)機(jī)床主軸軸承所施加的預(yù)加載荷，通過(guò)消除支承軸承的軸向、徑向游隙和彈性變形，提高主軸支承軸承的剛度和主軸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)精度，保證機(jī)床設(shè)計(jì)負(fù)載的要求。

(2)在上述的幾項(xiàng)幾何精度要求中，機(jī)床整體剛性對(duì)機(jī)床主軸系統(tǒng)的加工精度影響很大，特別是“Z軸運(yùn)動(dòng)對(duì)主軸軸線平行度的要求”和“主軸、副主軸軸線對(duì)X軸線在ZX平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的垂直度及Y軸線在YZ平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的垂直度”這兩項(xiàng)精度對(duì)機(jī)床整體剛性的要求體現(xiàn)得尤為顯著。因此，機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)要考慮機(jī)床的局部變形對(duì)機(jī)床加工精度的影響，避免局部剛度不足引起機(jī)床結(jié)構(gòu)的變形。只有足夠的剛度才能保證足夠的精度，因此在進(jìn)行機(jī)床鑄件設(shè)計(jì)時(shí)就要求機(jī)床底座要有足夠的剛性、較好的排屑能力和良好的加工工藝性。通過(guò)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)建立CAD模型，并由CAE系統(tǒng)建立有限元模型，通過(guò)動(dòng)態(tài)分析、仿真計(jì)算，確定原設(shè)計(jì)中的機(jī)械結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化、修正模型、驗(yàn)證模型的正確性，從而得到理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)床支承鑄件筋板的布局形式、結(jié)構(gòu)尺寸等來(lái)提高機(jī)床床身的剛度，使機(jī)床在加工過(guò)程中由于受力而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)、彎曲振動(dòng)頻率盡可能提高，使機(jī)床的振型更趨合理。

c.主軸系統(tǒng)熱性能的影響因素及解決措施。

雙主軸復(fù)合數(shù)控加工機(jī)床的雙主軸系統(tǒng)采用的是雙電主軸系統(tǒng)，在電主軸系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)子是機(jī)床的主軸，定子則安裝在雙主軸車銑復(fù)合機(jī)床的兩主軸箱的箱體孔內(nèi)，因此機(jī)床的整個(gè)主傳動(dòng)系統(tǒng)就是一發(fā)熱體，高速回轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的主軸前后支承軸承也就變?yōu)榘l(fā)熱體。因此在設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮如下因素：

(1)雙主軸車銑復(fù)合機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)采用零傳動(dòng)的電主軸系統(tǒng)，電機(jī)是機(jī)床主軸系統(tǒng)的主要發(fā)熱源，對(duì)這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)降溫采取的最直接措施就是采用外循環(huán)冷卻方式，即將外循環(huán)冷卻水套裝在電主軸的定子外套外面，通過(guò)溫控裝置對(duì)外循環(huán)冷卻水套內(nèi)的冷卻水進(jìn)行獨(dú)立循環(huán)控制，使兩主軸電機(jī)產(chǎn)生的熱量由循環(huán)冷卻水迅速帶走，從而保證雙主軸車銑復(fù)合機(jī)床兩電主軸系統(tǒng)在22℃±2℃的恒溫下工作，實(shí)現(xiàn)車銑復(fù)合雙電主軸系統(tǒng)的熱平衡，有效地控制雙主軸系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)因熱變化產(chǎn)生變形對(duì)機(jī)床雙主軸系統(tǒng)精度的影響。

(2)機(jī)床工作時(shí)，機(jī)床主軸高速旋轉(zhuǎn)，主軸組零件預(yù)載后，預(yù)加載荷越大，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)克服摩擦作的功就越多，其摩擦轉(zhuǎn)化成的熱量就越大，造成軸承溫升就越大，這樣雙主軸系統(tǒng)的溫度就會(huì)快速提高，使主軸系統(tǒng)的精度產(chǎn)生偏離。因此，在裝配時(shí)，主軸軸承必須進(jìn)行合理的潤(rùn)滑和冷卻。在進(jìn)行雙主軸車銑復(fù)合機(jī)床主軸軸承系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用具有良好品質(zhì)的鋰基脂潤(rùn)滑，并且通過(guò)合理控制潤(rùn)滑脂填充量，有效控制主軸系統(tǒng)的溫升。

(3)在機(jī)床的鑄件設(shè)計(jì)時(shí)，要應(yīng)用CAE技術(shù)，利用有限元分析軟件，系統(tǒng)地研究高速精密數(shù)控車床主軸系統(tǒng)的溫度場(chǎng)及其熱性能，建立主軸系統(tǒng)溫度場(chǎng)模型，通過(guò)對(duì)主軸系統(tǒng)的熱源及軸承發(fā)熱量的計(jì)算、應(yīng)用熱接觸單元模擬系統(tǒng)各結(jié)合面間熱量的傳遞以及對(duì)模型熱邊界條件的合理簡(jiǎn)化，使得所建的主軸系統(tǒng)溫度場(chǎng)模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能很好地吻合。進(jìn)一步進(jìn)行主軸系統(tǒng)的熱特性研究，從理論上保證主軸端部的徑向跳動(dòng)及端面跳動(dòng)誤差在允許的范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

影響復(fù)合加工機(jī)床雙主軸系統(tǒng)精度的因素很多，本文僅從設(shè)計(jì)、加工、調(diào)試幾個(gè)方面提出了提高主軸系統(tǒng)的靜態(tài)精度的措施，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中還有其他諸多因素如配套件的質(zhì)量、機(jī)床關(guān)鍵零件的制造工藝水平和機(jī)床裝配綜合調(diào)試水平等的影響，但只要根據(jù)機(jī)床的負(fù)載大小、精密等級(jí)進(jìn)行主軸系統(tǒng)合理的設(shè)計(jì)，就可獲得所要求精度的雙主軸車銑復(fù)合機(jī)床的主軸系統(tǒng)。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 16462.1-2007數(shù)控車床和車削中心檢驗(yàn)條件[S]．

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) JB/T 8771.2-1998 加工中心檢驗(yàn)條件 第 2 部分：立式加工中心 幾何精度檢驗(yàn)[S]．

[3] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) JB/T 8771.4-1998 加工中心檢驗(yàn)條件 第 4 部分：線性和回轉(zhuǎn)軸線的定位精度和重復(fù)定位精度檢驗(yàn)[S]．

[4] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JB/T8771.7-1998加工中心檢驗(yàn)條件 第7部分：精加工試件精度檢驗(yàn)[S].

[5] 周永良.數(shù)控車床精度分析及提高精度保持性措施[J].中國(guó)制造業(yè)信息化,2010,39(5)：78-80,84.

[6] 劉桂芝.影響機(jī)床主軸系統(tǒng)加工精度的分析[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2006(4)：57-60.

[7] 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組．機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三卷)：部件機(jī)構(gòu)及總體設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[8] 浦林祥．金屬切削機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè) [M]．2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

Analysisonthefactorsaffectedtothetwinspindlessystemprecisionforturning-millingmachinetools

LIU Guizhi1, ZHOU Yongliang2

(1.Nanjing Institute of Technology, Jiangsu Nanjing, 211167, China)(2.Nanjing CNC Machine Tool Co., Ltd., Jiangsu Nanjing, 211100, China)

The precision of spindle system is the important factor to the machining precision of turning-milling machine tools with twin spindles system. The precision of spindle system is up to many factors such as geometry precision, static and dynamical rigidity and thermal performance. Therefore the most important in machine tools design is how to guarantee the high precision of the spindle system. This paper puts forward the solution for the factors effecting about the precision of twin spindles of combined machine tools.

turning-milling machine tools with twin spindles; geometry precision; machining precision

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.12.014

2014-11-28

江蘇省第十批“六大人才高峰”資助項(xiàng)目(ZBZZ-044)

劉桂芝(1964—)，女，江蘇徐州人，南京工程學(xué)院教授級(jí)高工，主要從事教學(xué)、數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作。

TP202

B

2095-509X(2014)12-0059-04