王華僑 ，張守明，董維新，劉亞峰，高嵩 ，鄭武

1.湖北三江航天紅陽機電有限公司 湖北孝感 432000

2.秦川機床工具集團股份公司 陜西寶雞 721009

3.華中科技大學 湖北武漢 430073

4.武漢華中數(shù)控股份有限公司 湖北武漢 430223

1 序言

近年來五軸加工中心發(fā)展很快，不僅規(guī)格齊全，而且軟件、硬件功能也越來越強大。本文基于國產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)控制的大型五坐標聯(lián)動銑車復合龍門玻璃鋼加工中心進行研究，并且對其各項功能進行測試。

2 五坐標銑車復合加工中心結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)形式

國產(chǎn)大型銑車復合加工中心采用定柱動梁式龍門結(jié)構(gòu)形式（見圖1），主軸頭沿橫梁水平移動（X軸），工作臺前后移動(Y軸)，橫梁沿龍門立柱上下移動（Z軸），擺動主軸頭繞B軸做45°旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)工作臺（C軸）在車削工作時提供主切削力，在銑削加工時，實現(xiàn)數(shù)控旋轉(zhuǎn)分度，可實現(xiàn)X、Y、Z、B及C軸五軸聯(lián)動控制與加工。加工中心配有華中數(shù)控HNC-848C數(shù)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、整齊美觀的全封閉式防護罩、自動換刀裝置及吸塵除塵系統(tǒng)，加工中心實物如圖2所示。

圖1 銑車復合加工中心結(jié)構(gòu)

圖2 加工中心

為滿足新型復合材料加工需求，對機械部件進行了二次防塵保護，并配有吸塵除塵系統(tǒng)，有效解決了加工過程中的環(huán)境污染問題。加工中心具有間隙補償、螺距補償、刀具補償、直線插補、圓弧插補及自動報警顯示等功能，在一次裝夾中，可實現(xiàn)車、銑、鉆、鏜等多工序的復合加工，不僅減少了裝夾次數(shù)，而且大大縮短了輔助時間，提高了加工效率、定位精度和加工精度?？蓾M足航空航天、核工業(yè)、船舶和印刷等領(lǐng)域中復雜幾何形狀的零件、復雜平面/曲面和異型零件的加工制造要求。

2.2 銑車復合加工中心特點

銑車復合立臥式轉(zhuǎn)換運動狀態(tài)如圖3所示，系統(tǒng)配備國產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)HNC848，采用高精密光柵尺、圓鋼柵尺及全閉環(huán)位置反饋控制，其中機床床身、立柱、橫梁、滑座、旋轉(zhuǎn)工作臺和主軸箱等主要基礎(chǔ)件及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件均采用鑄造結(jié)構(gòu)，確保機床具有高剛度和良好的精度穩(wěn)定性。X、Y、Z直線軸均采用高精度直線導軌支承，由伺服電動機帶動高精度滾珠絲桿來實現(xiàn)移動，對直線導軌和滾珠絲杠采用雙層防護，以防止加工粉塵的污染。

圖3 銑車復合立臥式轉(zhuǎn)換運動狀態(tài)

銑車復合旋轉(zhuǎn)工作臺支承采用交叉滾子軸承，驅(qū)動采用雙電動機帶動變速齒輪箱驅(qū)動工作臺旋轉(zhuǎn)，工作臺在車削工作時提供主切削力，在銑削工作時可實現(xiàn)數(shù)控旋轉(zhuǎn)分度。主軸系統(tǒng)采用繞45°回轉(zhuǎn)的B軸擺動頭，使主軸實現(xiàn)立、臥轉(zhuǎn)換，安裝車刀和旋轉(zhuǎn)刀具的主軸可使加工中心具有車、銑復合功能，實現(xiàn)車、銑加工。主軸配備HSK A100高速銑削刀柄及CAPTO車削刀柄，設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速可達10000r/min。機床左側(cè)裝配40把鏈式自動換刀裝置，換刀時間＜5s。

加工中心配備平行于床身的2個螺旋排屑器和1個鏈板式排屑器，這樣可以將切屑順利地排入積屑箱。采用自動潤滑系統(tǒng)，定量對各軸及其他運動副自動潤滑，自帶系統(tǒng)報警提示，以保證機床穩(wěn)定工作。機床配有大功率吸塵除塵系統(tǒng)，有效地解決了復合材料加工過程中粉末的收集與處理，以減少對環(huán)境的污染。加工中心切削轉(zhuǎn)速高，機床主體及電氣系統(tǒng)防護等級高，切削粉塵大，環(huán)境污染大，不能被切削液和液壓油污染，機床防護系統(tǒng)采用全封閉機床的防護設(shè)計與制造，導軌采用雙層防護設(shè)計與制造，刀庫、頭庫通過防護罩防護設(shè)計與制造，機床電氣系統(tǒng)采用單獨的防護設(shè)計與制造。

2.3 銑車復合加工中心主要參數(shù)

該大型銑車復合加工中心填補了國產(chǎn)高檔數(shù)控機床的空白，具體的技術(shù)規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 銑車復合加工中心技術(shù)參數(shù)

3 核心功能部件系統(tǒng)解決方案

3.1 銑車復合雙驅(qū)轉(zhuǎn)臺

銑車復合雙驅(qū)轉(zhuǎn)臺采用雙電動機驅(qū)動，通過雙速換擋齒輪箱驅(qū)動工作臺回轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臺在車削工作時，電動機以主從模式控制兩個電動機的功率疊加，可以實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩切削，為車削主軸提供主切削力。在銑削工作時，兩個電動機可以轉(zhuǎn)換為電氣預載模式，可使數(shù)控旋轉(zhuǎn)的C軸消除反向間隙，實現(xiàn)數(shù)控旋轉(zhuǎn)分度。轉(zhuǎn)臺支承采用交叉滾子軸承，該軸承承載大，能承受高傾覆力矩，保證了工作臺的徑向和軸向剛度。在工作臺旋轉(zhuǎn)中心裝有高精度反饋裝置，對臺面（C軸）進行位置反饋和對車削主軸進行速度反饋，保證了加工工件分度精度和車削精度。雙驅(qū)轉(zhuǎn)臺運動及實物如圖4、圖5所示。

圖4 雙驅(qū)轉(zhuǎn)臺驅(qū)動運動示意

圖5 雙驅(qū)轉(zhuǎn)臺實物

3.2 主軸銑頭45°復合擺動

擺動主軸頭結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中繞45°回轉(zhuǎn)的B軸擺動主軸頭，在－30°～180°擺動，0°時為立式，180°為臥式，可實現(xiàn)主軸立、臥轉(zhuǎn)換。B軸采用力矩電動機直接驅(qū)動，以恒力矩輸出動力，采用全閉環(huán)位置反饋，具有大轉(zhuǎn)矩、承載能力強和動態(tài)響應(yīng)快的特點。帶有自動鎖緊機構(gòu)，在斷電情況下能自動鎖緊。主軸采用電主軸結(jié)構(gòu)，具有車、銑復合功能，既可安裝車刀，也可安裝旋轉(zhuǎn)刀具，實現(xiàn)車削、銑削復合加工。主軸帶有車削自動鎖緊機構(gòu)，保證車削剛性。車削刀具與銑削刀具在刀庫上可自動交換，提高加工效率。配備的銑車主軸功率、轉(zhuǎn)矩曲線如圖7所示，通過數(shù)據(jù)可以看出，這種配置既可以實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩低速切削，又可以實現(xiàn)鋁合金、復合材料的高速切削。

圖6 45°擺動主軸頭結(jié)構(gòu)示意

圖7 銑車主軸功率、轉(zhuǎn)矩曲線

3.3 高效除塵系統(tǒng)及防護

粉塵從除塵器進風口進入，煙塵進入預處理裝置，大顆粒的粉塵和火花被分離后直接落入集塵盒，較細的粉塵進入除塵器過濾段，粉塵氣體均勻的流入過濾器，粉塵吸附在濾筒外表面，在負壓作用下過濾后的潔凈氣體進入濾筒內(nèi)，再經(jīng)出風口進入大氣。規(guī)避粉塵污染裝備采取了導軌密封防護措施，如圖8所示。

圖8 導軌密封防護結(jié)構(gòu)

4 華中數(shù)控系統(tǒng)配套解決方案

華中數(shù)控H N C848高檔數(shù)控系統(tǒng)框架（見圖9），它不僅具有8軸聯(lián)動的控制功能，而且支持8通道。系統(tǒng)最小分辨率為0.001μm，插補時間為0.125ms，G代碼前瞻段數(shù)可達2000段。

圖9 華中數(shù)控HNC848高檔數(shù)控系統(tǒng)

1）華中數(shù)控HNC848系統(tǒng)和五坐標機床配套。根據(jù)航天復雜結(jié)構(gòu)件的特點和實際加工要求，開展了基于零件工藝性和機床性能的研究，包括基于機床機構(gòu)參數(shù)的加工精度與控制模塊的開發(fā)，分別進行高檔數(shù)控系統(tǒng)與六軸龍門玻璃鋼加工中心雙模式五坐標聯(lián)動匹配性、適應(yīng)性技術(shù)研究，基于六軸雙模式五坐標聯(lián)動后處理模塊開發(fā)等工作內(nèi)容。通過研究及測試，機床的定位精度進行分析和測試、運動精度及功能可靠性均滿足要求。

2）機床定位精度與運動精度分析與測試。依據(jù)復合材料航天結(jié)構(gòu)件的工藝需求，有選擇性地進行各運動部位在數(shù)控裝置控制下運動所能達到的直線運動定位精度（X、Y、Z）和重復定位精度、回轉(zhuǎn)定位精度（A、B、C）、回轉(zhuǎn)運動重復定位精度及各軸機械動態(tài)特性等控制保障。功能可靠性和精度保持性分析與試驗方面有選擇性地進行空運轉(zhuǎn)試驗、主軸和進給軸加載試驗、實際切削試驗、空運轉(zhuǎn)加速試驗、安全試驗、進給軸和旋轉(zhuǎn)軸的精度保持性測試以及主軸回轉(zhuǎn)精度保持性測試等。

5 五坐標機床標準件加工檢測

5.1 國家標準三坐標立式與臥式綜合測試

針對五坐標機床有立式和臥式兩種加工狀態(tài)，且需按照標準的三軸國家標準試件進行加工，還增加了2處3°斜角檢測斜度精度，增加4處圓孔檢測孔的位置度，圓孔中增加臺階孔檢測兩孔的同軸度。經(jīng)加工及檢測，產(chǎn)品合格，如圖10所示。

圖10 立臥轉(zhuǎn)換三坐標聯(lián)動標準件試驗切削件

5.2 五軸國際標準NASA及S件加工測試

圖11 為五軸聯(lián)動側(cè)刃加工國際標準五坐標NASA件，圖12為五軸聯(lián)動側(cè)刃加工中國國際標準五坐標S件，經(jīng)多次反復試驗加工測試，產(chǎn)品表面質(zhì)量合格，精度達到國際標準和國家標準要求。

圖11 國際標準五坐標NASA件

圖12 中國國際標準五坐標S件側(cè)刃切削測試

6 金字塔形件五坐標加工測試

某金字塔形件（見圖13）采用五軸銑削加工成形，其綜合考核了五軸端銑、五軸側(cè)銑、五軸鉆孔、五軸鏜孔及五軸攻螺紋等綜合反應(yīng)五坐標機床的整體性能指標。針對不同類型的五軸機床，可分別采用鋁合金、不銹鋼、鈦合金和高溫合金等材料進行相應(yīng)的高速切削、強力切削，從而綜合考核五坐標機床及其配套的刀具，在不同行業(yè)進行機床綜合驗收及應(yīng)用驗證的判定。

圖13 金字塔形件

6.1 五軸三聯(lián)動粗加工

正式加工塔形件前，分別完成機床三維模型運動仿真構(gòu)建、后處理程序開發(fā)和程序加工機床運動模擬仿真。粗加工使用XD20R0銑刀，在風冷的冷卻條件下，留0.4mm余量，對2A12的鋁塊進行粗加工，達到了粗加工要求無過切現(xiàn)象。五軸三聯(lián)動銑削粗加工分為立式和臥式兩種狀態(tài)下的鏜銑4處φ16mm的銷孔、鉆側(cè)壁槽上的4處φ8.5mm底孔并剛性攻螺紋M10×1.5mm，經(jīng)過檢測后合格。

6.2 五軸底刃加工斜面

使用φ10mm端銑刀底刃進行五軸聯(lián)動端面加工，基本滿足要求，但是加工平面有小的凹痕，深度為0.01mm，還需繼續(xù)優(yōu)化。

6.3 五軸側(cè)刃加工斜面

使用XD10R0 側(cè)刃半精加工金字塔外形塔身，表面粗糙度基本滿足要求，但在圓角拐角處有縱向的凹陷（見圖14），其深度為0.02～0.04mm。通過對曲面進行離散化后重新編制程序并進行精加工，滿足表面粗糙度要求。

圖14 圓角拐角處有縱向的凹陷

6.4 DMU125P五軸聯(lián)動對比切削

針對上述五軸聯(lián)動側(cè)刃和底刃加工質(zhì)量，使用DMU125P設(shè)備分別加工了如下兩個試驗件，在DMU12P機床上加工得較好。選用DMU125P是因該設(shè)備結(jié)構(gòu)為工作臺旋轉(zhuǎn)C軸，機床頭為45°傾斜B軸，結(jié)構(gòu)運動方式同本銑車復合加工中心基本完全相同，運動插補合成原理方式相同，使用進口設(shè)備加工，以此驗證對比。采用進口高檔機床DMU125P進行金字塔件及NASA件銑削對比，經(jīng)檢測對比分析，采用國產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)所控制的大型銑車復合加工中心達到國外高檔機床同等技術(shù)水準。

7 結(jié)束語

基于國產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)控制的大型五坐標聯(lián)動銑車復合龍門玻璃鋼加工中心研究應(yīng)用示范，所取得的技術(shù)創(chuàng)新亮點較多。具體有如下幾個方面。

1）采用固定式龍門橫梁雙驅(qū)+銑車復合旋轉(zhuǎn)工作臺整體結(jié)構(gòu)，通過雙電動機驅(qū)動橫梁上下移動，實現(xiàn)了橫梁8m/min高速升降的平穩(wěn)性和精確性，有利于減小加工過程中的刀具振顫；規(guī)避單電動機驅(qū)動及切削運動過程中的不平穩(wěn)性。

2）系統(tǒng)采用X、Y、Z三個線性軸+主軸復合擺頭+旋轉(zhuǎn)工作臺五坐標配置模式，通過12000r/min的HSK A100主軸刀柄配置CAPTO車削刀柄共用1個刀庫，實現(xiàn)五坐標聯(lián)動銑車復合加工。不但實現(xiàn)了箱體類零件的五面體立臥轉(zhuǎn)換加工，同時可以利用回轉(zhuǎn)工作臺進行艙體類零件五軸聯(lián)動加工，有效拓寬了產(chǎn)品的加工對象；同時利用回轉(zhuǎn)工作臺高速車削功能，實現(xiàn)了艙體外型面及端面的車削加工。

3）采用國產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)HNC848控制，各伺服驅(qū)動電動機全部采用國產(chǎn)電動機，實現(xiàn)X、Y、Z三個線性軸分別轉(zhuǎn)速達到15m/min、12m/min和8m/min，復合擺頭5r/min，回轉(zhuǎn)工作臺5r/min的銑削速度和150r/min的車削速度；采用RTCP編程控制加工中心刀具；基于UGNX模式的五坐標聯(lián)動銑削+立式端面車削+臥式外圓車削的車銑復合自行切換，實現(xiàn)了國產(chǎn)機床的安全自主可控。

4）采用力矩電動機直接驅(qū)動復合擺頭主軸，配備HSKA100主軸刀柄，通過20kW的主軸電動機及201N·m的恒轉(zhuǎn)矩切削，既可以實現(xiàn)鋁合金、復合材料的高速精密切削，也可以實現(xiàn)不銹鋼、鈦合金及高溫合金等難加工材料的強力切削。

5）大力矩驅(qū)動和鎖緊高速精密旋轉(zhuǎn)工作臺，可實現(xiàn)5r/min精密銑削和150r/min高速旋轉(zhuǎn)車削。基于5r/min的精密回轉(zhuǎn)工作臺控制聯(lián)合主軸復合擺頭實現(xiàn)五軸聯(lián)動；利用150r/min高速旋轉(zhuǎn)工作臺，通過配置CAPTO刀柄，同時實現(xiàn)大型零件的車削加工。

6）主機系統(tǒng)配備全封閉石墨吸塵裝置和導軌防護裝置，吸收切削加工過程中的石墨、玻璃鋼粉塵等，在保護環(huán)境的同時也保護了機床的導軌磨損和機床控制系統(tǒng)電氣安全。