劉亞峰，李云霞，張霞妹，孫 璐，張 勇

（秦川機(jī)床工具集團(tuán)股份公司，陜西 寶雞721009）

0 前言

現(xiàn)階段，我國航空航天事業(yè)得到前所未有的發(fā)展，航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊蟛粩嗵嵘?，為了滿足航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊?，新型?fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，和傳統(tǒng)鋼、鋁材料相比，新型復(fù)合材料的應(yīng)用，能夠減輕航天航空器結(jié)構(gòu)件重量的30%左右，提高性能的同時(shí)，還能降低制造和試驗(yàn)成本[1]。新型復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用中，逐漸實(shí)現(xiàn)了從次承力結(jié)構(gòu)件向主承力構(gòu)件的轉(zhuǎn)變[2]，被廣泛地推廣和應(yīng)用在軍機(jī)、民機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、新型驗(yàn)證機(jī)和無人機(jī)等領(lǐng)域[3]。我國目前加工復(fù)合材料設(shè)備多依靠進(jìn)口設(shè)備，為打破技術(shù)封鎖和技術(shù)壟斷，自主研發(fā)大型高端數(shù)控機(jī)床裝備，并用于航空航天關(guān)鍵零件制造具有重大的戰(zhàn)略意義。

某航空航天企業(yè)典型零件的集成制造，現(xiàn)階段采用傳統(tǒng)制造工藝方法，將艙段車、銑、鏜等工序分散加工的模式，造成加工周期長、周轉(zhuǎn)次數(shù)多、加工效率低、制造成本高的缺點(diǎn)；傳統(tǒng)三軸機(jī)床無法加工或者無法一次裝夾完成連續(xù)光滑的自有曲面加工，因此，五軸聯(lián)動(dòng)車銑復(fù)合機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。該類機(jī)床可以做到三軸機(jī)床不能完成的許多復(fù)雜曲面加工，同時(shí)提高自有空間曲面的加工效率、加工質(zhì)量、加工精度。我公司對該用戶零件特點(diǎn)及加工工藝進(jìn)行分析、論證，與用戶進(jìn)行深入探討，自主研制了VTM200/F5五軸龍門式車銑復(fù)合加工中心，滿足玻璃鋼、碳纖維、陶瓷等復(fù)合材料加工。由于加工復(fù)合材料產(chǎn)生粉末會造成機(jī)床關(guān)鍵零部件的損壞與損傷，并且給加工車間造成污染[4]，為此對機(jī)床機(jī)械關(guān)鍵部件進(jìn)行了二次防塵保護(hù)，有效地解決了加工過程中的環(huán)境污染問題和機(jī)床設(shè)備不受粉塵影響。機(jī)床研制成功實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，也打破了國外機(jī)床的技術(shù)壟斷與技術(shù)封鎖，具有自主知識產(chǎn)權(quán)。

1 五軸車銑復(fù)合機(jī)床結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)

VTM200/F5五軸聯(lián)動(dòng)車銑復(fù)合加工中心機(jī)床具有車、銑復(fù)合功能，在一次裝夾中，可實(shí)現(xiàn)車、銑、鉆、鏜等多工序的復(fù)合加工，不僅減少了裝夾次數(shù)、而且大大縮短了輔助時(shí)間，提高了加工效率、定位精度和加工精度。該機(jī)床主要由床身、滑座、工作臺、左右立柱、橫梁、45°擺動(dòng)主軸頭、刀庫、自動(dòng)排屑裝置、液壓站、吸塵除塵系統(tǒng)，電柜、操縱箱組成（如圖1所示），整齊美觀的全封閉式防護(hù)（如圖2所示）。

圖1 機(jī)床結(jié)構(gòu)圖

圖2 機(jī)床外形圖

（1）床身和滑座，是由床身、滑座、工作臺等組成。鑄件床身、滑座、工作臺均采用高剛度鑄件結(jié)構(gòu)，剛性高，對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，精度受熱變形影響小，滑座和工作臺沿床身水平移動(dòng)為Y向移動(dòng)，Y軸采用直線導(dǎo)軌支承，滾珠絲杠和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶結(jié)構(gòu)，快移速度可達(dá)8 m/min，行程為2 500 mm.

（2）車銑復(fù)合雙驅(qū)回轉(zhuǎn)工作臺，工作臺安裝在滑座上，采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過雙速換擋齒輪箱驅(qū)動(dòng)工作臺回轉(zhuǎn)，工作臺在車削工作時(shí)（如圖3所示），兩個(gè)電機(jī)的功率疊加，可以實(shí)現(xiàn)大扭矩切削，為車削主軸提供主切削力。在銑削工作時(shí)（如圖4所示），兩個(gè)電機(jī)可以轉(zhuǎn)換為電氣預(yù)載模式，可使數(shù)控旋轉(zhuǎn)的C軸消除反向間隙，實(shí)現(xiàn)數(shù)控旋轉(zhuǎn)分度。工作臺支承采用交叉滾子軸承，帶有高反饋裝置，對工作臺面（C軸）進(jìn)行位置反饋和對車削時(shí)進(jìn)行速度反饋，有效地保證了加工工件分度精度和車削精度。工作臺面直徑φ2 000 mm，車削時(shí)最高轉(zhuǎn)速150 r/min，銑削時(shí)最大轉(zhuǎn)速5 r/min.

圖3 工作臺車削工作時(shí)

圖4 工作臺銑削工作時(shí)

（3）立柱、橫梁（Z軸）。立柱采用龍門結(jié)構(gòu)形式，立柱與橫梁采用優(yōu)質(zhì)鑄件，具有優(yōu)良的抗扭曲、彎曲剛性。橫梁沿立柱上下移動(dòng)為Z向移動(dòng)，Z向采用直線導(dǎo)軌、雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)減速器和滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，電機(jī)帶有抱閘保護(hù)功能，并且配置液壓平衡裝置，能起到斷電保護(hù)作用，快移速度可達(dá)8 m/min，行程為1 600 mm.

（4）主軸箱及X軸。X向移動(dòng)支撐由主軸箱和45°主軸頭組成，主軸箱沿橫梁左右移動(dòng)，X軸采用直線導(dǎo)軌、滾珠絲桿和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶結(jié)構(gòu)，快移速度可達(dá)15 m/min，行程為3 050 mm.

（5）45°擺動(dòng)主軸頭是由45°擺動(dòng)軸（B軸）和銑削電主軸組成。擺動(dòng)主軸頭用于五軸聯(lián)動(dòng)銑削，銑削主軸采用進(jìn)口電主軸，最高轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，扭矩201 N·m，具有車、銑功能，即可安裝車刀，也可安裝旋轉(zhuǎn)刀具，實(shí)現(xiàn)車削、銑削復(fù)合加工。主軸帶有車削自動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)，保證車削剛性。B軸采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有大扭矩、承載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)，帶有自動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)，在斷電情況下能自動(dòng)鎖緊。擺動(dòng)范圍為-30°～+180°，最高回轉(zhuǎn)速度為 15 r/min，可實(shí)現(xiàn)主軸自動(dòng)立、臥轉(zhuǎn)換。

（6）機(jī)床配有自動(dòng)換刀裝置，刀庫放置在機(jī)床左側(cè)，在系統(tǒng)指令下自動(dòng)換刀，刀庫容量為40把，刀柄采用HSK A100.

（7）機(jī)床潤滑采用自動(dòng)潤滑系統(tǒng)，用于定量對所有直線導(dǎo)軌、滾珠絲桿各軸及其他運(yùn)動(dòng)副自動(dòng)潤滑，帶系統(tǒng)報(bào)警提示，以保證機(jī)床穩(wěn)定工作。

（8）機(jī)床的除塵系統(tǒng)有效解決復(fù)合材料加工過程中粉末的收集與處理，以減少對環(huán)境污染。

（9）機(jī)床液壓系統(tǒng)用于提供臺面軸承的潤滑冷卻、臺面夾緊與放松、換擋齒輪箱換擋、橫梁平衡、擺動(dòng)回轉(zhuǎn)（B軸）的放松、電主軸松拉刀及車削鎖緊等功能。

（10）數(shù)控系統(tǒng)采用華中數(shù)控HNC-848C系統(tǒng)，HSV120 交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置，控制 X、Y、Z、Z1、B、C1、C2七軸伺服軸和一個(gè)伺服主軸（SP1），能實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、B、C五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控控制和插補(bǔ)運(yùn)算功能。

（11）機(jī)床采用全封閉防護(hù)，提供了安全工作環(huán)境，操作舒適、維護(hù)方便。見表1.

表1 數(shù)控軸精度

2 典型零件加工及除塵系統(tǒng)效果驗(yàn)證

（1）采用典型金字塔零件做加工驗(yàn)證對象。如圖5所示，結(jié)構(gòu)形狀有外表面的正四棱錐面和內(nèi)部的倒四棱錐面加工。如果采用三軸機(jī)床帶球頭銑刀加工時(shí)，球頭銑刀是以點(diǎn)接觸，切削效率低，而且刀具、工件姿態(tài)在加工過程中不能調(diào)，很難保證球頭銑刀上的最佳切削點(diǎn)（即球頭上線速度最高點(diǎn)）進(jìn)行切削，而且出現(xiàn)切削點(diǎn)落在球頭刀上線速度等于零的旋轉(zhuǎn)中心線上的情況，這時(shí)不僅切削效率極低，無法保證零件內(nèi)、外各四個(gè)圓角的平滑過渡，加工表面質(zhì)量嚴(yán)重惡化，而且喪失加工精度。若采用該機(jī)床（3個(gè)直線軸X、Y、Z軸和2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸B、C軸），共五個(gè)軸聯(lián)動(dòng)起來進(jìn)行整體加工，通過五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)，控制刀具按要求的軌跡空間運(yùn)動(dòng)，保證刀具、工件的姿態(tài)隨時(shí)可調(diào)，不僅可以避免刀具線速度為零的情況的發(fā)生，而且用線接觸成形的螺旋立銑刀來代替點(diǎn)接觸成形的球頭銑刀，通過優(yōu)化刀具、工件的姿態(tài)來進(jìn)行銑削，從而獲得更高的切削速度及切削效率，并有效避免加工倒四棱錐時(shí)刀具干涉，同時(shí)保證零件內(nèi)、外各四個(gè)圓角的平滑過渡，對零件進(jìn)行均勻加工，提高零件加工精度和表面加工質(zhì)量。

圖5 典型零件金字塔加工驗(yàn)證

（2）除塵系統(tǒng)效果驗(yàn)證。玻璃鋼、碳纖維、陶瓷等復(fù)合材料加工硬度高、強(qiáng)度大，加工對刀具磨損大，切削熱量大，加工難度大[4]；加工產(chǎn)生的粉末會造成機(jī)床關(guān)鍵零部件的損壞與損傷，給加工車間造成污染，同時(shí)對人體有一定傷害作用，所以除塵系統(tǒng)效果也不容忽視，其性能直接影響機(jī)床的使用壽命和功能（如圖6所示），對除塵系統(tǒng)效果進(jìn)行驗(yàn)證，找出粉末產(chǎn)生方向與刀具（或工件）旋轉(zhuǎn)方向的關(guān)系，在粉末產(chǎn)生的方向加大除塵量，通過驗(yàn)證吸塵效果很好，用戶很滿意。

圖6 除塵系統(tǒng)效果驗(yàn)證

（3）采用典型機(jī)匣零件做加工驗(yàn)證。車銑復(fù)合技術(shù)的加工理念是“一次裝夾，高效加工，完成零件所有表面及孔加工”，即在1臺機(jī)床上完成1個(gè)零件上車加工和外表面銑加工，可保證零件高精度裝配的要求。機(jī)匣零件（如圖7所示）外型面需要五軸聯(lián)動(dòng)銑削加工、內(nèi)腔表面及前后安裝端面需要車削加工，前后安裝面上的定位孔、連接孔需要鉆、擴(kuò)、鏜、鉸的加工，因此，針對該機(jī)匣零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工要求，采用車銑復(fù)合加工，一次裝夾找正完成加工，通過車削加工完成端面孔與端面基準(zhǔn)及止口表面、不拆零件情況下，通過銑削完成外表面及孔的鉆、擴(kuò)、鏜、鉸加工，避免二次裝夾找正產(chǎn)生的誤差，縮短加工時(shí)間，提高加工效率，保證了零件加工質(zhì)量，使機(jī)床的車銑復(fù)合功能得到驗(yàn)證。

圖7 典型零件機(jī)匣加工驗(yàn)證

3 總結(jié)

本文介紹了公司研制的新型復(fù)合材料加工專用國產(chǎn)五軸車銑復(fù)合機(jī)床的結(jié)構(gòu)和性能，并成功應(yīng)用于航空航天企業(yè)關(guān)鍵零部件的加工與制造，不僅僅是打破技術(shù)封鎖與壟斷技術(shù)，而且對國產(chǎn)高端數(shù)控機(jī)床制造業(yè)全面快速掌握航空航天關(guān)鍵零部件的加工特點(diǎn)、為航空航天企業(yè)的零部件制造提供一整套解決方案起到積極的促進(jìn)作用，同時(shí)也改變了航空航天領(lǐng)域的用戶，對高端國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床可靠性、認(rèn)識度和信任度以及品牌等方面的認(rèn)可，對提升我國裝備制造和國防工業(yè)發(fā)展具有重要意義。