秦建宏，姚 瑤，李云霞，劉亞峰，張霞妹

（秦川機(jī)床工具集團(tuán)股份公司，陜西 寶雞721009）

1 開(kāi)發(fā)背景

航空零件（如：發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、機(jī)匣等）需要加工的型面（或區(qū)域）比較復(fù)雜，表面質(zhì)量要求較高，一直是五軸數(shù)控機(jī)床拓展應(yīng)用的重要領(lǐng)域。作為五軸數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵部件的擺動(dòng)頭，正是實(shí)現(xiàn)五軸加工能力的關(guān)鍵技術(shù)所在，也是制約機(jī)床能否進(jìn)入高端裝備領(lǐng)域的重要因素。

航空零件大多為鈦合金材料，切削性能不好，表現(xiàn)為：切屑粘性大，不易脫落；導(dǎo)熱系數(shù)小，切削溫度高；剪切應(yīng)力高；冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重，加速刀具磨損等[1]。這些特點(diǎn)要求擺動(dòng)頭具有較高的剛性和加工扭矩，由于轉(zhuǎn)速要求不高，比較適合機(jī)械式擺動(dòng)頭。而市場(chǎng)上的擺動(dòng)頭多為力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電主軸結(jié)構(gòu)，加工扭矩小，剛性差，并不適合鈦合金零件加工。

機(jī)械式擺動(dòng)頭因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高，只用在一些特殊場(chǎng)景，大都是機(jī)床企業(yè)按照用戶要求特殊定制生產(chǎn)。機(jī)械式擺動(dòng)頭主要形式為A（B）+C的雙擺結(jié)構(gòu)，能夠在鏜銑類(lèi)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)五軸加工功能[2]。

我公司的車(chē)銑復(fù)合加工中心剛性好，本身帶有C軸功能，對(duì)于實(shí)現(xiàn)五軸加工功能有著天然的優(yōu)勢(shì)，只需增加一個(gè)機(jī)械式單擺結(jié)構(gòu)A（B）就可以實(shí)現(xiàn)五軸數(shù)控功能。這可以大大降低機(jī)械式擺動(dòng)頭的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)難度，有利于提高開(kāi)發(fā)應(yīng)用的成功率。開(kāi)發(fā)機(jī)械式單擺頭（以下簡(jiǎn)稱單擺頭）可以增強(qiáng)車(chē)銑復(fù)合加工中心的五軸數(shù)控功能，能使機(jī)床上升為高端加工裝備，進(jìn)入到五軸技術(shù)應(yīng)用廣泛的航空零件加工領(lǐng)域。

2 技術(shù)方案

2.1 總體布局

單擺頭整體采用叉形結(jié)構(gòu)，由一個(gè)加工主軸和一個(gè)伺服擺動(dòng)軸組成。加工主軸位于叉形內(nèi)部，和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)相連。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)位于叉形的一側(cè)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)皮帶及齒輪轉(zhuǎn)換，帶動(dòng)加工主軸在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)。加工主軸動(dòng)力來(lái)自于機(jī)床主軸，機(jī)床主軸電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)直連，通過(guò)長(zhǎng)聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞到單擺頭上端，經(jīng)由叉形另一側(cè)的齒輪轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力到主軸，實(shí)現(xiàn)加工主軸銑削加工[3]（總體布局如圖1所示）。

圖1 總體布局圖

2.2 技術(shù)參數(shù)確定

鈦合金切削計(jì)算

設(shè)定銑刀：φ10 mm雙刃，按照60 m/min線速度精加工，計(jì)算銑削主軸轉(zhuǎn)速為：

n=60 × 1000/π/10=1 910 r/min

設(shè)定銑刀：φ10 mm雙刃，按照50 m/min線速度粗加工，每齒進(jìn)給0.5 mm，切深1.5 mm，銑削寬度10 mm，計(jì)算主切削力為1 154 N；

設(shè)定刀具長(zhǎng)度200mm，刀尖距離轉(zhuǎn)軸270+200＝470 mm，計(jì)算切削力矩為1154×470/1000＝542 N·m；

由上述計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)合其他擺動(dòng)頭的相關(guān)數(shù)據(jù)，確定開(kāi)發(fā)單擺頭主要參數(shù)如下：

主軸最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min，主軸扭矩1 200 N·m，擺軸扭矩 2 800 N·m，擺動(dòng)范圍-100°～+100°（立式安裝，垂直位置為 0°）。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

叉形體殼是單擺頭零件安裝的基座，是保證單擺頭整體剛性的基礎(chǔ)，采用平衡對(duì)稱的箱式結(jié)構(gòu)。體殼也作為油底殼使用，維持著叉形兩側(cè)的溫度平衡。體殼也是各種接頭、管線的集散地，集成度很高。

3.1 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

擺動(dòng)機(jī)構(gòu)是單擺頭中重要組成部分，控制加工主軸的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，是數(shù)控功能的核心單元。為確保加工主軸的良好工作狀態(tài)，就必須達(dá)到以下要求：具有較大的擺動(dòng)扭矩，以抗衡切削時(shí)的抗力；具有較高的剛性，能平穩(wěn)工作；具有可靠的消隙機(jī)構(gòu)，能進(jìn)行伺服控制；具有位置檢測(cè)功能及限位保護(hù)措施，能參與數(shù)控聯(lián)動(dòng)；具有任意位置鎖緊功能，滿足特殊情況使用等。

單擺頭上使用的伺服電機(jī)體積不大，限制了輸出扭矩。為獲得較大的扭矩輸出，由一級(jí)皮帶傳動(dòng)和三級(jí)齒輪傳動(dòng)相組合，在擺動(dòng)軸上實(shí)現(xiàn)了大減速比，輸出扭矩為：7.6×380.25＝2889.9 N·m.兩組對(duì)稱布置的三級(jí)齒輪傳動(dòng)分別作用在輸入軸的左右齒面，形成可靠的消隙功能[4]。擺動(dòng)軸上設(shè)置一組液壓夾緊裝置，能在任意位置實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)軸鎖緊。擺動(dòng)軸端裝有絕對(duì)式角度編碼器，設(shè)置軟極限控制擺動(dòng)的范圍。齒輪軸系使用了錐面滾子軸承，擺動(dòng)軸使用了交叉滾子軸承，全方位保證了單擺頭具有穩(wěn)定的剛性（擺動(dòng)機(jī)構(gòu)軸系布置如圖2所示）。

圖2 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)軸系布置圖

3.2 主軸傳動(dòng)設(shè)計(jì)

加工主軸是單擺頭中的銑削功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)床主軸與單擺頭連接后，其動(dòng)力通過(guò)傳送端的兩組錐面齒輪和兩組平行齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力傳遞到加工主軸，完成銑削加工功能，傳動(dòng)比1∶1，最大扭矩1 200 N·m.為能確保傳動(dòng)系統(tǒng)在高速下穩(wěn)定運(yùn)行，每個(gè)齒輪都要有充足的潤(rùn)滑，尤其是兩組錐齒輪（主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3所示）。

圖3 主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

為防止油溫急劇升高，影響到主軸的精度，特別設(shè)置一套潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)，將油溫控制在一定范圍內(nèi)。油底殼中的熱油經(jīng)由系統(tǒng)外置的油泵抽出，進(jìn)入油冷機(jī)降溫，后隨著進(jìn)油潤(rùn)滑管路對(duì)各零件進(jìn)行潤(rùn)滑，回到單擺頭中。循環(huán)流動(dòng)的冷卻潤(rùn)滑油使得單擺頭在一定油溫范圍內(nèi)正常工作（潤(rùn)滑油冷卻布置如圖4所示）。

圖4 潤(rùn)滑油冷卻布置圖

加工主軸配置BT50刀柄，集成了自動(dòng)松拉刀機(jī)構(gòu)，采用可靠的碟簧拉刀、液壓松刀機(jī)構(gòu)，最大拉刀力18 kN，松刀力33 kN.針對(duì)鈦合金加工材料，加工主軸也配備了中心刀具冷卻組件和外部工件冷卻噴頭，方便零件加工的水冷需求。主軸軸承選用高精度高剛性的專用軸承，采用脂潤(rùn)滑，并配備了氣密封結(jié)構(gòu)，防止外界的冷卻水、切屑等其他雜質(zhì)進(jìn)入主軸內(nèi)部。單擺頭內(nèi)部所有介質(zhì)之間或界面部分全都采用可靠密封措施。

3.3 輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單擺頭使用了冷卻水（內(nèi)冷外冷單獨(dú)分開(kāi)控制），密封吹氣，夾緊油路，打刀油路等介質(zhì)，也就必須為這些介質(zhì)提供相應(yīng)的獨(dú)立管路。該單擺頭設(shè)置管路如下：

（1）刀具中心冷卻（或吹氣）管路：給刀具提供冷卻，防止換刀時(shí)異物進(jìn)入主軸。（2）刀具外部冷卻管路：給工件提供外部冷卻。（3）密封吹氣管路（內(nèi)部一分二）：分別作用在前后端軸承，防止異物、雜質(zhì)進(jìn)入擺頭內(nèi)部。

（4）擺頭夾緊油路：使得擺頭在任意位置鎖緊。（5）主軸松刀油路：完成打刀功能。

（6）進(jìn)油潤(rùn)滑油路：給擺頭提供經(jīng)過(guò)冷卻的潤(rùn)滑油液。

（7）熱油循環(huán)管路：確保擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑，維持兩側(cè)的溫度平衡。

（8）回油冷卻管路：將單擺頭內(nèi)熱油排出。

3.4 接口設(shè)計(jì)

（1）單擺頭與機(jī)床主軸機(jī)械直連，鍵銷(xiāo)定位，確保連接牢固可靠。

（2）單擺頭與機(jī)床主軸間使用了液壓、氣動(dòng)及電氣自動(dòng)接插件。

4 在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

該單擺頭是為我公司承擔(dān)的某項(xiàng)國(guó)家重大專項(xiàng)而開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵附件，主要用于加工航空鈦合金零件。主機(jī)為某型號(hào)車(chē)銑復(fù)合加工中心，剛性好，適合于鈦合金零件加工。其具有三個(gè)直線軸（X、Y、Z軸）和一個(gè)回轉(zhuǎn)軸（C軸）。機(jī)床主軸連接該單擺頭后，系統(tǒng)增加了B軸，使得機(jī)床在硬件上具有了五軸基礎(chǔ)，結(jié)合高檔五軸數(shù)控系統(tǒng)，形成標(biāo)準(zhǔn)的五軸數(shù)控機(jī)床（單擺頭在主機(jī)上安裝如圖5所示）。

圖5 單擺頭在主機(jī)安裝圖

單擺頭是在機(jī)床上進(jìn)行的聯(lián)調(diào)。在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)之前，先要調(diào)整好各種介質(zhì)管路正常工作，潤(rùn)滑油冷卻回路運(yùn)轉(zhuǎn)正常后才開(kāi)啟主軸試車(chē)。主軸在最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min運(yùn)行一段時(shí)間，擺動(dòng)頭運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)異響。擺動(dòng)頭-100°～+100°范圍內(nèi)擺動(dòng)自如，無(wú)干涉卡滯現(xiàn)象。任意位置鎖緊試驗(yàn)達(dá)到要求。其余的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。單擺頭通過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)件試切件、NAS試切件的試切驗(yàn)證，達(dá)到了機(jī)床的設(shè)計(jì)要求（單擺頭試切工件如圖6所示）。

圖6 單擺頭試切工件

5 結(jié)束語(yǔ)

單擺頭是集成度很高的機(jī)床主軸功能部件，在有限的空間內(nèi)整合應(yīng)用了機(jī)械、液壓、電氣、測(cè)量等設(shè)計(jì)技術(shù)。既要協(xié)同工作，又要避免相互干擾，穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)及各項(xiàng)指標(biāo)。本次設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)前期做了大量的預(yù)研工作，方案設(shè)計(jì)階段歷經(jīng)多次評(píng)審得以優(yōu)化，制造裝配過(guò)程順利進(jìn)行，沒(méi)有出現(xiàn)致命的問(wèn)題。機(jī)床聯(lián)調(diào)階段出現(xiàn)了漏油現(xiàn)象，引起了我們對(duì)密封的關(guān)注，幾經(jīng)周折找到了原因，問(wèn)題得以解決。除了技術(shù)集成，還有摩擦副的選材設(shè)計(jì)，主軸拉爪的極限應(yīng)用等等都提高了認(rèn)識(shí)。后續(xù)可以對(duì)單擺頭的安裝接口重新優(yōu)化，并結(jié)合用戶的反饋信息，將單擺頭做成通用的功能部件，應(yīng)用在大部分的車(chē)銑復(fù)合加工設(shè)備上，將機(jī)床的應(yīng)用水平提高到一個(gè)新的臺(tái)階。