郭聰聰

(上海拓璞數(shù)控科技有限公司，上海 201111)

0 引言

五軸機(jī)床是裝備制造業(yè)的重要工作母機(jī)，高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備被我國列為《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》16個(gè)重大專項(xiàng)之一。高速、高精度、高剛度的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床在航空航天、汽車、新能源、科研和高精醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用。但是，由于五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)多，其精度、剛度等指標(biāo)一直制約著五軸機(jī)床的推廣應(yīng)用[1]。本項(xiàng)目是針對(duì)葉輪的加工而研發(fā)設(shè)計(jì)的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，并為提高其精度剛度以及運(yùn)行速度等指標(biāo)開展了一系列的研究工作。

1 機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

1.1 整體布局

五軸機(jī)床有雙擺頭、單擺頭、單回轉(zhuǎn)臺(tái)和雙回轉(zhuǎn)臺(tái)等構(gòu)型[2]，本文研究的五軸加工中心為龍門式雙回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，且主要針對(duì)葉輪的加工，將刀庫置于龍門兩立柱之間，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)占用空間較小，結(jié)構(gòu)緊湊，主要由電主軸、雙回轉(zhuǎn)臺(tái)、機(jī)床箱體、刀庫等結(jié)構(gòu)組成。電主軸功率15kW，最高轉(zhuǎn)速40 000r/min,適合鋁合金的高速加工。雙回轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸A、C軸的聯(lián)動(dòng)，均采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，減少傳動(dòng)間隙。安裝在龍門立柱上方的十字滑臺(tái)帶動(dòng)刀具箱體及刀具實(shí)現(xiàn)x、y方向的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，刀具可以直線上下移動(dòng)，即為z軸，形成3個(gè)直線軸。

1—龍門立柱；2—刀庫；3—十字滑板；4—主軸箱滑板； 5—電主軸箱體；6—雙回轉(zhuǎn)臺(tái)；7—機(jī)床底座圖1 機(jī)床整體結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)時(shí)將機(jī)床的刀庫、雙回轉(zhuǎn)臺(tái)等結(jié)構(gòu)組件全部置于機(jī)床箱體上，機(jī)床箱體采用多筋板中空結(jié)構(gòu)，在滿足機(jī)床剛度的前提下，盡量減輕質(zhì)量。3個(gè)直線軸的運(yùn)動(dòng)分別由3個(gè)伺服電機(jī)通過滾珠絲桿完成，2個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由力矩電機(jī)完成。采用自動(dòng)供油方式，定時(shí)潤滑機(jī)床的摩擦面。進(jìn)給機(jī)構(gòu)均有限位控制裝置，機(jī)床工作安全可靠。

1.2 機(jī)床刀庫的設(shè)計(jì)

機(jī)床采用內(nèi)藏式刀庫(圖2)，根據(jù)加工情況任意選擇刀具[3]。刀庫置于龍門立柱之間，以減小機(jī)床的整體尺寸，節(jié)省空間距離。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，刀庫本身具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將待使用的刀具轉(zhuǎn)送至前端，同時(shí)，因氣缸的作用，刀庫整體在置于機(jī)床底座的線軌上沿y軸來回移動(dòng)，將待換刀具移動(dòng)至主軸下方合適的位置，實(shí)現(xiàn)送刀的動(dòng)作，且換刀速度較快，無需機(jī)械手。刀庫為推出式，配置自動(dòng)門。

圖2 機(jī)床刀庫示意圖

機(jī)床刀庫最多可配置8把刀具，鋼制刀爪，使用精密分割器做刀具分隔，換刀精度高，結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)換刀動(dòng)作，換刀時(shí)間8s，最大刀重3kg，滿刀時(shí)最大刀徑90mm，臨空時(shí)最大刀徑160mm，最大刀長150mm。

1.3 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)床的雙回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—搖籃固定座；2—中心軸；3—轉(zhuǎn)臺(tái)底座； 4—回轉(zhuǎn)工作臺(tái)；5—圓光柵；6—力矩電機(jī) 圖3 雙回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)床的2個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均在工件上實(shí)現(xiàn)，使刀具始終垂直于工件加工表面，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的高精度加工，兩搖籃座之間的跨距較大，以增大加工空間?；剞D(zhuǎn)工作臺(tái)使用全力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩部分動(dòng)作，即由繞z軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成C軸，以及繞x軸的擺動(dòng)，形成A軸，且沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)精度較高[4]。

在轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部，使用高精度編碼器，同時(shí)，配置P2級(jí)的專用轉(zhuǎn)臺(tái)軸承，保證回轉(zhuǎn)精度和重復(fù)定位精度。工作臺(tái)尺寸210mm，最大承重30kg，主軸端面至工作臺(tái)中心的最小距離85mm。A軸采用雙驅(qū)動(dòng)方式，最大速度50m/min，最大轉(zhuǎn)矩710N·m，定位精度6″，重復(fù)定位精度4″。C軸最大速度100m/min，最大轉(zhuǎn)矩251N·m，定位精度6″，重復(fù)定位精度4″。A、C軸的角加速度均為210rad/s2，軸徑向跳動(dòng)均達(dá)到0.005mm。

1.4 機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在龍門立柱上(圖4)，十字滑臺(tái)的移動(dòng)為x軸移動(dòng)，主軸箱滑板的前后運(yùn)動(dòng)為y軸運(yùn)動(dòng)，在x軸的線軌上，使用3個(gè)滑塊以承受主軸箱(圖5)和十字滑板等較大質(zhì)量的部件。同時(shí)，使用雙螺母絲桿，脫片式聯(lián)軸器，保證結(jié)構(gòu)件可以高速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還能夠保證移動(dòng)精度和速度。在設(shè)計(jì)主軸箱滑板方面，設(shè)計(jì)多筋板以減小機(jī)床在運(yùn)動(dòng)過程中的變形，在滿足強(qiáng)度的情況下，盡量減小工件的質(zhì)量，從而減小慣量，提高機(jī)床的響應(yīng)速度。

圖4 龍門立柱示意圖

圖5 主軸箱滑板示意圖

圖6 十字滑板示意圖

本文設(shè)計(jì)的五軸加工中心，是自主研發(fā)的高速五軸加工中心，x、y、z軸快速移動(dòng)速度為60m/min，為了達(dá)到較小的間隙，設(shè)計(jì)雙螺母結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了提高其剛性，使用脫片式聯(lián)軸器。直線軸的運(yùn)動(dòng)均采用交流伺服電動(dòng)機(jī)，配置光柵尺進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)，保證較高的精度。

在機(jī)床整體設(shè)計(jì)過程中，主軸箱體、龍門立柱和十字滑板結(jié)構(gòu)中通過使用加強(qiáng)筋，有效地增加了各結(jié)構(gòu)件的剛度，并應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了受力分析，了解其受力變形狀況。

十字滑板通過線軌與橫梁接觸，前后分別有3個(gè)滑塊，立柱承受的總質(zhì)量約為600kg。當(dāng)機(jī)床的主軸箱滑板運(yùn)動(dòng)至y軸正向極限位置時(shí)，機(jī)床的主軸箱滑板、主軸箱和電主軸等構(gòu)件總質(zhì)心位于龍門立柱前端，以十字滑板的支反力計(jì)算，并將主軸箱等部件的慣性力考慮在內(nèi)。

以龍門立柱的計(jì)算為例，受力如圖7所示。

圖7 機(jī)床立柱受力圖

其中，L1=400mm，L2=167mm，G=6 000N，F(xiàn)3為慣性力，F(xiàn)3=2 250N

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得：

F2：后面3個(gè)滑塊的支撐力

立柱和十字滑板之間通過導(dǎo)軌滑塊接觸(面接觸)，接觸面積為3 960mm2。

前面3個(gè)滑塊受力：12 519N；均布載荷計(jì)算：1 053 787Pa(有限元分析輸入條件)；

前面3個(gè)滑塊受力：4 269N；均布載荷計(jì)算：359 343Pa(有限元分析輸入條件)。

使用ANSYS有限元軟件對(duì)立軸箱、龍門立柱和十字滑板進(jìn)行受力分析，受力圖及變形圖如圖8-圖10所示。

通過變形圖可以看出，主軸箱的后端幾乎沒有變形，而前端和電機(jī)連接部分呈弧形向機(jī)床y軸正方向傾斜，最大變形位于主軸箱上端與電機(jī)座連接部分，變形量0.001 3mm，可以滿足使用要求。機(jī)床的十字滑板受到主軸箱滑板給予的壓力以及橫梁給予的支力，使十字滑板的前端位置受剪，此處的變形也最大，變形值為0.003 2mm，也在允許變形范圍內(nèi)，可以使用。機(jī)床的龍門立柱變形較大位置位于橫梁中間前部位置，向下彎曲，變形量0.010 5mm，變形量較大，容易造成加工零件的直線度不符合要求，需對(duì)龍門立柱進(jìn)行改進(jìn)。

圖8 主軸箱變形圖

圖9 龍門立柱變形圖

圖10 十字滑板變形圖

改進(jìn)方案為：在變形較大位置沿x向以及底面各增加一塊鋼板，如圖11、圖12所示。

圖11 立柱截面圖(改進(jìn)前)

圖12 立柱截面圖(改進(jìn)后)

對(duì)改進(jìn)后的立柱進(jìn)行受力分析，變形圖如圖13所示，應(yīng)力圖如圖14所示。

圖13 立柱變形圖

圖14 立柱應(yīng)力圖

從圖13中可以看出最大變形處在立柱前端中間的位置，變形量為0.002 41mm，變形較小在允許值范圍內(nèi)，可以使用。

機(jī)床整機(jī)如圖15所示，所加工的零件如圖16。

圖15 機(jī)床實(shí)物圖

圖16 已加工葉輪圖

通過對(duì)加工過程的觀察，發(fā)現(xiàn)剛度較好，直徑為50 mm的鋁合金葉輪葉片加工時(shí)間約為3 min，對(duì)已加工好的葉片進(jìn)行精度及表面粗糙度檢測，葉緣加工精度0.05 mm，五軸葉片和倒角表面粗糙度Ra0.8，葉片加工精度0.1 mm，中心孔與輪背垂直度0.005 mm，形位精度很高，機(jī)床的動(dòng)平衡為0.039 g，工具系統(tǒng)跳動(dòng)量0.002 mm，均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，證明本文設(shè)計(jì)的五軸機(jī)床能夠滿足高精高速的質(zhì)量要求。

2 結(jié)語

為了達(dá)到高速高精度加工葉輪的目的，設(shè)計(jì)了新型五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，經(jīng)裝配調(diào)試達(dá)到預(yù)期的加工效果，且加工可靠，運(yùn)行平穩(wěn)。

參考文獻(xiàn):

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