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        國產(chǎn)功能部件在高檔數(shù)控機床的應用研究

        2021-10-26 08:23:30沈會黃寶啟蔡冰
        機械工程師 2021年10期
        關鍵詞:功能

        沈會,黃寶啟,蔡冰

        (沈陽航空產(chǎn)業(yè)集團有限公司,沈陽 110000)

        0 引言

        隨著航空工業(yè)的高速發(fā)展,對高檔數(shù)控機床要求越來越專業(yè)化、定制化。依據(jù)航空典型零部件種類例如框、梁、壁板、接頭、肋板等不同加工需求,要求數(shù)控機床相應定制化設計以滿足使用需求。數(shù)控機床是由各類功能部件集成的高端裝備,功能部件的特性(如可靠性、精度保持性)是整機性能的決定因素。目前,在航空制造領域,高檔數(shù)控機床功能部件還是存在大量進口的問題,但是在國家04專項的實施帶動下,國產(chǎn)功能部件行業(yè)取得了長足的進步。本文就某示范工廠內(nèi)53臺高檔數(shù)控機床國產(chǎn)功能部件應用情況進行研究。

        1 功能部件配套

        1.1 機床形式及功能部件分類

        53臺設備包含臥式精密加工中心和龍門加工中心共計7大類、12種規(guī)格,加工范圍包括400、600、800、2000 mm等,機床100%采用國產(chǎn)系統(tǒng)。本文不討論國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)應用,主要研究其他主要功能部件。功能部件種類很多,本文結(jié)合實際工作經(jīng)驗,從臥式加工中心和龍門加工中心功能部件種類考慮,按六大類統(tǒng)計,分別是主軸、擺頭、轉(zhuǎn)臺、刀庫、導軌及絲桿。

        表1 設備簡介

        1.2 配套比例

        六大國產(chǎn)功能部件數(shù)量合計174個,國內(nèi)、外功能部件總數(shù)量合計288個,按照總數(shù)統(tǒng)計得出國產(chǎn)功能部件配套比例為60%。具體如下:800 mm加工范圍以下的臥加國產(chǎn)功能部件配套比例較高,800 mm加工范圍以上的臥加國產(chǎn)功能部件配套比例不高,龍門加工中心國產(chǎn)功能部件配套比例較高。

        2 應用分析

        2.1 電主軸

        由北京工研精機生產(chǎn)的鈦合金接頭類臥式精密加工中心,電主軸選用國產(chǎn)品牌(工研),主軸電動機功率(S1)為60 kW,主軸額定轉(zhuǎn)矩(S1)為345 N·m,主軸轉(zhuǎn)速范圍為80~5000 r/min。目前,該類機床主要加工鈦合金接頭等航空零部件,主軸性能穩(wěn)定,圖1是國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心出具的第三方檢測報告中對于主軸檢測的情況,檢測結(jié)果滿足設計指標。

        圖1 國檢中心對機床主軸加載檢測情況

        電主軸是機床的核心功能部件之一,其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)直接體現(xiàn)在機床的加工效率和加工能力方面。電主軸主要技術一方面體現(xiàn)在零件的加工制造上,例如內(nèi)裝式電動機、精密軸承、拉刀桿,另一方面體現(xiàn)在控制上,例如溫升控制、熱補償及結(jié)構(gòu)上對支撐剛度的處理[1]。

        表2 國產(chǎn)功能部件配套比例數(shù)據(jù)統(tǒng)計

        當前,由于主軸研制成本較高,另外在精度保持性上跟進口還是有差距,所以進口主軸的情況就很普遍。面向未來,電主軸領域應該還是要從核心技術的推廣應用及產(chǎn)業(yè)化、降低國內(nèi)生產(chǎn)廠家的高昂成本等方面努力。

        2.2 擺頭

        示范基地中7大類機床,其中6類有擺頭結(jié)構(gòu),均選用了國產(chǎn)自主擺頭,如濟南二機床的機械AC擺頭、沈陽機床中捷航空航天機床的機械AB擺頭、上海拓璞數(shù)控科技有限公司的AC擺頭及北京工研精機的AC擺頭等(如圖2)、沈陽機床中捷航空航天中鋁線鋁合金肋板類臥式加工中心A擺、沈陽精銳小鋁線鋁合金接頭類臥式精密加工中心A擺。這些擺頭配套主機都在示范工廠正常使用,應用狀況良好。

        圖2 國產(chǎn)自主擺頭

        擺頭是機床的核心功能部件之一,擺頭和直線軸在數(shù)控系統(tǒng)的控制下,實現(xiàn)了機床的五軸聯(lián)動功能。其聯(lián)動特性決定了機床的動態(tài)特性。擺頭從結(jié)構(gòu)上大體上可以分成3種類型,機械擺頭、電主軸擺頭及直驅(qū)擺頭。機械擺頭比較典型的是沈陽機床的AB擺和濟南二機床的AC擺,特點是大轉(zhuǎn)矩。電主軸擺頭比較典型的上海拓璞大鋁線臥加,特點是高轉(zhuǎn)速,最高轉(zhuǎn)速達到24 000 r/min。直驅(qū)擺頭在示范工廠內(nèi)沒有應用。

        2.3 轉(zhuǎn)臺

        由沈陽中捷航空航天機床制造的鋁合金肋板類臥式加工中心,搖籃轉(zhuǎn)臺[2]選用國產(chǎn)品牌(北京伊貝格),旋轉(zhuǎn)軸B軸工作轉(zhuǎn)矩為500 N·m(夾緊時1000 N·m),快速進給速度為10 r/min,定位精度為8″,重復定位精度為5″。由沈陽機床股份公司制造的銑車復合加工中心,配置了搖籃旋轉(zhuǎn)工作臺。表3是國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心出具的第三方檢測報告中對于搖籃轉(zhuǎn)臺的檢測的情況,檢測結(jié)果為:定位精度為6.32″,重復定位精度為2.9″,優(yōu)于設計指標。

        表3 國檢中心對機床B軸參數(shù)檢測數(shù)據(jù)

        搖籃轉(zhuǎn)臺應用到臥式加工中心屬于一種技術應用上的創(chuàng)新,實現(xiàn)了臥式加工中心立式加工航空零部件的形式。這種加工形式具有排屑好、精度高等特點。

        搖籃旋轉(zhuǎn)工作臺應用到臥加,旋轉(zhuǎn)工作臺最高轉(zhuǎn)速為400 r/min,附加車主軸定位功能,實現(xiàn)了鈦合金接頭等典型航空零件的車銑復合加工。

        2.4 刀庫

        由沈陽中捷航空航天機床生產(chǎn)的刀庫墻加六自由度機器人組成的自制刀庫,提供了加工中心每天2班16 h工作,每小時換刀4次,共計1 194 480次的全工況運轉(zhuǎn)實驗換刀數(shù)據(jù),刀庫各項技術參數(shù)達到使用要求,刀庫性能可靠。

        由江蘇德速數(shù)控科技有限公司生產(chǎn)的圓盤式刀庫應用在上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司制造的鋁合金大型框梁類加工中心,刀庫完成了全工況實驗換刀1 128 960次,每天工作16 h,每小時換刀36次,共計運行了196個工作日,期間未出現(xiàn)故障,刀庫運行穩(wěn)定。

        隨著國內(nèi)機床的可靠性和精度保持性越來越高,國內(nèi)應該加強刀庫產(chǎn)品零部件的配套及刀庫產(chǎn)品的可靠性。

        2.5 導軌

        由廣州高新凱特生產(chǎn)制造的導軌應用在沈陽精銳數(shù)控機床鋁合金接頭類臥式精密加工中心,直線導軌用于支撐和引導運動部件做直線往復運動,可在高負載的情況下實現(xiàn)高精度的直線運動,直線導軌的精度主要影響機床的直線度[3]。

        國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(沈陽)出具的報告(表4)顯示,X、Y、Z軸線運動直線度共計6項指標,其中5項優(yōu)于設計指標,1項滿足技術指標。

        圖3 沈陽機床自制刀庫

        圖4 江蘇德速數(shù)控科技公司刀庫

        表4 國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(沈陽)檢驗報告

        2.6 絲桿

        由南京工藝研制的絲桿應用于兩類設備,一類是沈陽機床生產(chǎn)的鈦合金大型框梁類強力加工中心(AB擺),另一類是由上海拓璞數(shù)控科技股份公司生產(chǎn)的鋁合金長桁類加工單元。絲桿的精度主要影響機床的定位精度和重復定位精度[4]。

        國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心出具的對AB機床(表5)、長桁加工單元(表6)的直線軸檢測數(shù)據(jù),表明各項指標均滿足設計指標要求。

        表5 國檢中心對AB機床直線軸檢測數(shù)據(jù) mm

        表6 國檢中心對長桁機床直線軸檢測數(shù)據(jù) mm

        目前,國內(nèi)絲桿材料選擇GCr軸承鋼。設計上主要從結(jié)構(gòu)、運行流暢性、加載場合、鋼球的選擇等方面考慮。產(chǎn)品制造工藝對產(chǎn)品特性和質(zhì)量影響較大,常用加工設備為螺紋磨床。有一部分精密制造加工設備還需要從國外進口,這是下一階段重要發(fā)展方向。

        3 結(jié)語

        本文通過示范基地53臺高檔數(shù)控機床中六大類功能部件的配套使用情況,結(jié)合國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心提供的第三方報告相關數(shù)據(jù)及用戶使用情況,可以看出:1)六大類功能部件國內(nèi)均有廠家在生產(chǎn),這里既有主機廠,也有專業(yè)化功能部件廠家,并且每一類都配套到主機。2)在性能指標方面國產(chǎn)功能部件完全能夠滿足設計指標。3)國產(chǎn)功能部件在精度保持性、核心零件的制造配套及打造世界知名品牌方面將會是未來的發(fā)展方向。

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