高秀峰

沈陽機(jī)床（集團(tuán)）設(shè)計(jì)研究院有限公司 遼寧沈陽 110142

1 序言

五軸頭是中大規(guī)格五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的核心功能部件，主要用于加工具有復(fù)雜曲面的大型精密零部件，常用于航空航天、船舶、發(fā)電、軍工及大型模具等行業(yè)，當(dāng)前國內(nèi)各大機(jī)床主機(jī)企業(yè)的五軸頭主要依賴進(jìn)口。因此，對(duì)五軸頭進(jìn)行研制開發(fā)，進(jìn)而完成國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，替代進(jìn)口同類產(chǎn)品，具有極其重要的意義。

近年來，我公司在國家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”重大專項(xiàng)的支持下，研制了雙外轉(zhuǎn)子力矩電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的五軸頭。

盡管我公司研制的五軸頭各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合當(dāng)前用戶的使用要求，但在應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)C軸分度精度略低于B軸。當(dāng)前C軸分度精度是8″，B軸分度精度是5″，此外C軸軸向長(zhǎng)度偏長(zhǎng)、質(zhì)量偏大。針對(duì)上述這些實(shí)際問題，我公司成立了專門技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)對(duì)C軸進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

2 C軸原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)組成及有限元分析

（1）C軸原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)組成 圖1為C軸原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。C軸由雙外轉(zhuǎn)子力矩電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，雙力矩電動(dòng)機(jī)布置形式為并聯(lián)。上方力矩電動(dòng)機(jī)通過隔套將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞到軸承聯(lián)接盤和C軸聯(lián)接盤；下方力矩電動(dòng)機(jī)直接將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩通過軸承聯(lián)接盤傳遞到C軸聯(lián)接盤。C軸聯(lián)接盤通過止口及螺釘與B軸聯(lián)接。為了盡量靠近滑枕端面與B軸的主軸鼻端，YRT轉(zhuǎn)臺(tái)軸承布置在C軸下部，該軸承內(nèi)圈外圓周集成了編碼器，考慮到C軸整體軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在C軸上部布置了一個(gè)帶徑向預(yù)緊的圓柱滾子軸承。由于B軸有多路水、液、氣需要通過C軸，因此在C軸內(nèi)部設(shè)計(jì)了配油環(huán)，并在配油環(huán)內(nèi)部布置了多路旋轉(zhuǎn)格萊圈，旋轉(zhuǎn)格萊圈的應(yīng)用解決了多路水、液及氣由旋轉(zhuǎn)到靜止的問題。為了實(shí)現(xiàn)五軸頭的大轉(zhuǎn)矩定角度分度加工，設(shè)置了專門的液壓抱閘來實(shí)現(xiàn)定角度夾緊。當(dāng)定角度夾緊時(shí)，液壓抱閘直接夾緊隔套的外圓周。由于隔套的軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此液壓抱閘的軸向長(zhǎng)度也較長(zhǎng)。

通過對(duì)C軸原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)組成的分析，隔套的軸向長(zhǎng)度達(dá)479mm，這可能是導(dǎo)致C軸分度精度較差的原因。下文通過ANSYS對(duì)C軸傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩部分進(jìn)行專門分析，為C軸的改進(jìn)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

（2）C軸原設(shè)計(jì)有限元分析 對(duì)C軸傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩部分進(jìn)行扭轉(zhuǎn)變形靜力學(xué)分析，約束C軸聯(lián)接盤的6個(gè)方向自由度，扭轉(zhuǎn)載荷分別加載在軸承聯(lián)接盤與隔套的上端面。其中，軸承聯(lián)接盤上端面的載荷用于模擬下轉(zhuǎn)子傳遞的轉(zhuǎn)矩；隔套上端面的載荷用于模擬上轉(zhuǎn)子傳遞的轉(zhuǎn)矩。C軸上方與下方電動(dòng)機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩均是1197N·m，C軸傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩部分的有限元模型與加載模型如圖2所示。

圖1 五軸頭C 軸原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖2 C 軸原設(shè)計(jì)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩部分

對(duì)C軸傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩部分進(jìn)行扭轉(zhuǎn)變形靜力學(xué)分析，結(jié)果如圖3 所示。隔套外徑為3 6 0 m m，將扭轉(zhuǎn)變形的最大周向變形轉(zhuǎn)換為角度變形：0.003082/180×180/π×3600＝3.53″。

從圖3可以看出，由于隔套的扭轉(zhuǎn)變形在整個(gè)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩部分中占比很大，因此減少隔套的扭轉(zhuǎn)變形，將會(huì)極大地提高整個(gè)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩部分的扭轉(zhuǎn)剛度與C軸的分度精度。

圖3 C 軸原設(shè)計(jì)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩部分扭轉(zhuǎn)變形

3 C 軸改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)組成及有限元分析

（1）C軸改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)組成 由圖1可以看出，C軸原設(shè)計(jì)中采用雙力矩電動(dòng)機(jī)并聯(lián)的方案，并聯(lián)的設(shè)計(jì)直接導(dǎo)致了隔套的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，若能將隔套的長(zhǎng)度縮短，則能有效地提高整個(gè)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩部分的扭轉(zhuǎn)剛度與C軸的分度精度。

在C軸的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案中，將上方電動(dòng)機(jī)翻轉(zhuǎn)，上轉(zhuǎn)子與隔套的聯(lián)接由上方轉(zhuǎn)移到下方，該種聯(lián)接方式將直接使隔套的軸向長(zhǎng)度由479mm大幅縮短為274mm。同時(shí)，整個(gè)C軸軸向長(zhǎng)度由723mm縮短為660mm。該種雙力矩電動(dòng)機(jī)布置方式為串聯(lián)方案，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 五軸頭C軸改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

（2）C軸改進(jìn)設(shè)計(jì)有限元分析 采用與C軸原設(shè)計(jì)相同的約束方式與加載方式，對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限元分析。改進(jìn)設(shè)計(jì)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩部分有限元模型與加載模型如圖5所示。

圖5 C 軸改進(jìn)設(shè)計(jì)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩部分

對(duì)C軸傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩部分進(jìn)行扭轉(zhuǎn)變形靜力學(xué)分析，結(jié)果如圖6 所示。隔套外徑為3 6 0 m m，將扭轉(zhuǎn)變形的最大周向變形轉(zhuǎn)換為角度變形：0.001803/180×180/π×3600＝2.07″。

通過對(duì)比圖3與圖6可以看出，將雙力矩電動(dòng)機(jī)由并聯(lián)布置改進(jìn)為串聯(lián)布置，不僅大幅縮短了隔套的軸向長(zhǎng)度，同時(shí)整個(gè)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩部分的扭轉(zhuǎn)變形由3.53″減小為2.07″。

圖6 C軸改進(jìn)設(shè)計(jì)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩部分扭轉(zhuǎn)變形

4 結(jié)束語

1）經(jīng)過對(duì)改進(jìn)后C軸的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，C軸分度精度由8″提高到了6″，C軸軸向長(zhǎng)度由723mm縮短為660mm，C軸質(zhì)量減小了50kg。

2）生產(chǎn)實(shí)踐證明了五軸頭C軸雙力矩電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)改進(jìn)設(shè)計(jì)的正確性，為我公司五軸聯(lián)動(dòng)加工中心聯(lián)動(dòng)精度的不斷提高打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。