秦建宏, 劉錦輝
(秦川機床工具集團股份公司,陜西寶雞721009)
近年來,隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展,零件制造領(lǐng)域?qū)C床加工設備的需求有了新的變化。大型加工設備需求越來越廣泛,多種工序復合化功能漸漸成為常態(tài),設備加工精度要求逐年提升,能加工特定專業(yè)零件的需求也漸漸明朗化,節(jié)能環(huán)評對機床效率也提出了新的要求。當大型、復合、精密、專業(yè)與高效等概念開始深入機床加工領(lǐng)域,成為人們共識的時候,復合加工設備也迎來了新的發(fā)展機遇。
車銑復合轉(zhuǎn)臺(以下簡稱轉(zhuǎn)臺)是立式車銑復合加工中心的核心部件之一,具有車削和銑削兩個基本功能,能在零件一次裝夾中,完成至多5個面的銑削和回轉(zhuǎn)車削等加工,能顯著提高加工效率和保持加工精度。在機床數(shù)控系統(tǒng)的控制下,兩道工序獨立運行,功能互鎖。機床加工時,不同的工序間可以通過預設的轉(zhuǎn)換開關(guān)一鍵轉(zhuǎn)換,方便實現(xiàn)對一次裝夾大型復雜零件的車削和銑削加工。圖1所示為龍門式車銑復合加工中心。
車削模式下,復合轉(zhuǎn)臺作為立式車床的主動力頭架,帶動裝夾的零件做回轉(zhuǎn)運動,而刀具則固定安裝在車削主軸上,通過進給運動的驅(qū)動完成車削動作。車削模式下,回轉(zhuǎn)臺面轉(zhuǎn)速要求較高。
銑削模式下,復合轉(zhuǎn)臺不僅僅作為夾持固定零件的工件架,還要用作精密伺服控制的C軸運轉(zhuǎn),在數(shù)控系統(tǒng)控制下與其他X、Y、Z、B(或A)伺服軸一起聯(lián)動作業(yè),最多可實現(xiàn)五軸聯(lián)動。銑削主軸提供刀具回轉(zhuǎn)運動,通過伺服軸進給運動的驅(qū)動完成銑削動作。銑削模式下,回轉(zhuǎn)臺面幾何精度及運動精度要求較高[1]。
車銑復合轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)上必須具備兩個基本要求,即可靠的定心機構(gòu)和剛度足夠的回轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)。前者是臺面穩(wěn)定回轉(zhuǎn)運行的基礎,而后者則是承載能力及保持加工精度的關(guān)鍵。
定心機構(gòu)主要是確保工作臺有一個穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)中心,通常使用精密雙列圓錐滾子軸承或推力滾子軸承來實現(xiàn),穩(wěn)定可靠,徑向負載能力較強。定心軸承連續(xù)運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大量熱量,容易造成軸承損傷乃至失效,為此必須對軸承持續(xù)潤滑冷卻,將大量的熱量帶走,維持軸承正常運行環(huán)境。我公司車銑復合轉(zhuǎn)臺采用NN3048精密雙列圓錐滾子軸承作為定心結(jié)構(gòu)核心,與調(diào)整墊圈、鎖緊螺母一起組成了穩(wěn)定的定心機構(gòu)。
回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)與臺面有關(guān)。一般認為,直徑2000 mm以下的臺面采用軸承支承,幾何精度高,能實現(xiàn)高速運轉(zhuǎn)。通常使用集成化的臺面專用YRT復合軸承,或是交叉滾子軸承等作為臺面回轉(zhuǎn)運動副。而直徑2500 mm以上的臺面,本身自重較大,承載能力要求較高,回轉(zhuǎn)支承多是采用液壓流體靜壓技術(shù)。工作時,回轉(zhuǎn)靜壓運動副之間會形成一定剛性的油膜,持續(xù)不斷地支撐起臺面。由于回轉(zhuǎn)中運動副不接觸,摩擦阻力很小,即使有局部熱量產(chǎn)生也會被回油帶走,同時回油的流動也使得轉(zhuǎn)臺溫度均勻變化,保持臺面運轉(zhuǎn)狀態(tài)恒定,進而使得臺面具有穩(wěn)定的精度。需要注意的是,回油收集很重要,既要防止被污染,又要防止污染設備及環(huán)境。
我公司車銑復合轉(zhuǎn)臺采用流體靜壓支撐,工作臺直徑為2600 mm,本體質(zhì)量為8500 kg,承載能力為20 000 kg,設計最高轉(zhuǎn)速為120 r/min,車削時臺面高速運行平穩(wěn),銑削時工作臺剛性好、精度保持性好。
整個車銑復合靜壓轉(zhuǎn)臺主體由工作轉(zhuǎn)臺1、傳動齒輪2和中臺面4組成,其中傳動齒輪2接受來自傳動系統(tǒng)的動力,帶動臺面回轉(zhuǎn)[2]。
靜壓導軌3安裝在滑座上支承整個臺面。定心機構(gòu)由法蘭5、雙列圓錐滾子軸承6、調(diào)整墊圈7、墊圈8、鎖緊螺母9和軸承座13組成,能保證臺面有一個穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)中心。而由壓蓋10、調(diào)整墊片11和推力球軸承12構(gòu)成的反向壓緊機構(gòu),能很好地控制靜壓浮起量,使得靜壓面上形成的油膜厚度穩(wěn)定,剛性好。轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。
轉(zhuǎn)臺的靜壓單元包括靜壓導軌、液壓供油單元、管路、液壓站和附件等。
靜壓導軌是一個環(huán)狀支撐結(jié)構(gòu),由10等分靜壓塊組成。每塊有相同的口字形油腔,內(nèi)部有供油通道,與臺面之間形成相對密封的腔體,使得流體通過時產(chǎn)生靜壓力,能支撐起整個臺面(如圖3)。
為保持靜壓面油膜剛性及穩(wěn)定性,靜壓導軌面與轉(zhuǎn)臺形成的封油邊間隙控制在0.03 mm以內(nèi),且每塊靜壓塊之間平面度差值不超過0.01 mm。
在轉(zhuǎn)臺工作過程中,靜壓導軌和轉(zhuǎn)臺臺面并不接觸,因此對材料的滑動特性要求并不高。如果發(fā)生過載,靜壓導軌和臺面發(fā)生接觸,對材料的要求是臺面和靜壓導軌不能粘連,幾何形狀能夠保持。一般推薦特制銅合金或鋁合金材料。
本例中,部分計算參數(shù)如下[3]:
1)壓力計算。靜壓腔面積A=10×404.87=4048.7 cm2。無預緊時,臺面浮起量最大,油膜厚,剛性差,此時空載壓力p0=0.21 MPa,滿載壓力pt=0.70 MPa;預緊時,臺面浮起量得到控制,油膜連續(xù)穩(wěn)定、剛性好,此時空載壓力p0=0.5 MPa,滿載壓力pt=1.2 MPa。
2)流量計算。流量與轉(zhuǎn)速有關(guān),最高轉(zhuǎn)速時所需油量為Q=20 L/min。
3)熱量計算。摩擦功率損耗與速度平方成正比,最高轉(zhuǎn)速時總損耗功率約為5.5 kW。
液壓供油單元是靜壓系統(tǒng)的核心特征,常采用兩種技術(shù):一種是以多頭泵為代表的恒流供油單元;另一種是以PM流量控制器為特征的恒壓供油單元。
多頭泵是一個集成化的液壓供油單元,可以同時為多個油腔供油。不論臺面高速回轉(zhuǎn)還是靜止不動,每個油腔都恒定供油(比如200 mL/min等)。該工況能滿足大多數(shù)立式車床轉(zhuǎn)臺的使用,卻無法滿足車銑復合加工中心的要求。
以PM流量控制器(以下簡稱PM閥)為特征的液壓供油單元,是近年來發(fā)展較快的創(chuàng)新型模塊化靜壓技術(shù)應用,將靜壓技術(shù)推進到了許多高精度應用場合中。其技術(shù)核心在于每個油腔使用一個PM閥單獨控制,各油腔相互之間沒有依存關(guān)系,不必考慮油腔之間的相互影響。PM閥內(nèi)部是一種金屬膜片反饋式結(jié)構(gòu),能夠快速響應靜壓腔的壓力變化,自動快速調(diào)節(jié)油腔的流量。工作臺負載越大、轉(zhuǎn)速越高,則靜壓腔供油流量越大,從而使得油膜厚度的變化最小,以獲得油膜的高剛度。PM閥工作原理如圖4所示。
采用不敏溫的VG10 ~15 抗磨液壓油,避免油溫對油膜剛度的影響,同時油液黏度的降低使得管路流速加快,有利于快速響應負載的變化。清潔度要求過濾等級為6 μm,防止堵塞PM閥膜片調(diào)節(jié)間隙。油溫設定范圍為17~35 ℃,該范圍油溫對黏度的影響較小,同時也適應國內(nèi)的環(huán)境氣候。系統(tǒng)工作壓力設定為5 MPa。較高的壓力能夠確保靜壓系統(tǒng)在高速、重載時,供油響應及時,確保油膜厚度和剛性。
采用大通徑無縫鋼管向PM閥供油,有利于系統(tǒng)快速響應膜片反饋供油,同時硬管可避免沿程壓力損失。PM閥靠近靜壓腔安裝,硬管連接,以獲得良好的響應。
靜壓腔設置壓力變送器,可實時跟蹤反饋臺面靜壓情況,以便在靜壓面拉傷前就得到故障預警。同時屏幕設置監(jiān)控窗口,實時顯示靜壓腔壓力變化,系統(tǒng)內(nèi)部設置提示性報警信息。同時,壓力監(jiān)控還有利于機床調(diào)試階段對靜壓封油邊的調(diào)整,是調(diào)試的一大助力。
臺面運轉(zhuǎn)中,突發(fā)的斷電事故很快會導致靜壓面無法供油,回轉(zhuǎn)的臺面會造成靜壓面的拉傷。預防措施是在靜壓管路中并聯(lián)接入50 L蓄能器裝置(工作壓力為3.8~4.2 MPa),在機床斷電后仍能向系統(tǒng)持續(xù)供油一段時間,直到工作臺停止轉(zhuǎn)動。
所有零件在安裝之前必須仔細、充分地沖洗,要清除毛刺及可能含有的金屬屑,防止進入系統(tǒng),破壞定心軸承或靜壓導軌。
靜壓系統(tǒng)必須完全排空系統(tǒng)中的空氣,防止靜壓系統(tǒng)發(fā)生振動。另外,管路安裝部位采用了軟皮墊措施,防止靜壓系統(tǒng)與其他部件之間的振動影響。
臺面安裝必須按照作業(yè)指導書進行,并做好相應的檢驗記錄。
靜壓調(diào)試:在臺面的左前、左后、右前、右后的4個位置上分別測量靜壓浮起量,控制范圍為0.08~0.01 mm。同時監(jiān)測每腔壓力值變化在合理設定范圍內(nèi)。
斷電保護測試:臺面運轉(zhuǎn)至80 r/min時,關(guān)閉靜壓系統(tǒng)模擬斷電。臺面停止用時25 s,而蓄能器持續(xù)供油時長為80 s,完全滿足使用要求。
本文車銑復合靜壓轉(zhuǎn)臺的成功開發(fā),確保了車銑復合加工中心的精度和穩(wěn)定性。
1)臺面定心軸承預緊與靜壓反向收緊浮起量為獨立操作,結(jié)構(gòu)合理,調(diào)整更方便,簡單明了;
2)以PM閥為主的恒壓式靜壓系統(tǒng),能自適應低速到高速、空載到滿載的工況,自動調(diào)整供油量,確保機床穩(wěn)定運行;
3)附加的流量監(jiān)控功能,設為提示報警信息,能在早期預警靜壓面的故障情況;
4)附加的斷電保護裝置,防止意外情況造成靜壓面的損傷,是一種先期預防措施。
本次開發(fā)也發(fā)現(xiàn)了靜壓結(jié)構(gòu)設計的不足。靜壓轉(zhuǎn)臺在結(jié)構(gòu)上屬于開式的支撐,即環(huán)形靜壓支撐。靜壓力與支撐面積正相關(guān),可大可小。為控制軸向精度及靜壓浮起量,只能在中心部位設置反壓調(diào)整機構(gòu)。臺面受力可以達到平衡,但是彎矩不能達到平衡,靜壓力越大,臺面所受彎矩就越嚴重,會造成靜壓面精度破壞,導致靜壓失效。故而建議后續(xù)開發(fā)靜壓臺面時最好采用閉式靜壓結(jié)構(gòu),力求臺面受力與受彎矩都達到平衡,避免產(chǎn)生新的薄弱環(huán)節(jié)。以上可算作靜壓臺面開發(fā)方面的心得,歡迎大家批評指正。