DL250數(shù)控重型臥式鏜車床的設(shè)計(jì)*

何發(fā)誠(chéng) 桂 林

(武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司，湖北武漢430205)

根據(jù)我國(guó)核電、水電、冶金、船舶等國(guó)家重點(diǎn)領(lǐng)域的重大工程項(xiàng)目對(duì)關(guān)鍵加工裝備的迫切需求，發(fā)展重型、超重型、多功能復(fù)合高檔數(shù)控機(jī)床成為必然，DL250數(shù)控重型臥式鏜車床就是為滿足此需求而專門設(shè)計(jì)的。多功能復(fù)合加工技術(shù)就是集車、銑、磨、大直徑深孔鏜及小直徑深孔鉆、深孔鏜、深孔珩磨等各技術(shù)優(yōu)點(diǎn)發(fā)展而來的先進(jìn)加工技術(shù)，而DL250數(shù)控臥式鏜車床就是利用此先進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)的，在核電半速轉(zhuǎn)子等超重型超長(zhǎng)軸類及套類復(fù)雜零件加工中具有獨(dú)特的效率、精度優(yōu)勢(shì)。在此數(shù)控臥式鏜車床上可完成車、銑、磨、大直徑深孔鏜及小直徑深孔鉆、深孔鏜、深孔珩磨等復(fù)雜加工工序，提高了機(jī)床的利用率、加工效率和加工精度，解決了超臨界核電半速轉(zhuǎn)子等超重型復(fù)雜零件的高效、高精度加工問題。

1 機(jī)床的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 機(jī)床結(jié)構(gòu)

機(jī)床由主軸箱、刀架床身、工件床身、尾座上體、尾座下體、縱橫拖板、刀架、大直徑深孔鏜滑座、大直徑深孔鏜刀架、小直徑深孔鉆桿箱、鉆桿前支承、鉆桿輔助支承、鼓形卡盤、附件銑頭、附件磨頭、數(shù)控珩磨系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)組成。

超臨界核電半速轉(zhuǎn)子等超重型復(fù)雜軸類零件，從毛坯到成品，一般需經(jīng)粗車、半精車、精車、銑、磨、小直徑深孔鉆、鏜、珩磨等多道復(fù)雜工序。大型水電主軸等還有大直徑深孔鏜的工序。為滿足這多項(xiàng)復(fù)雜工藝要求，采用了多功能復(fù)合機(jī)床結(jié)構(gòu)新技術(shù)，即將機(jī)床的車、銑、磨、大直徑深孔鏜、小直徑深孔鉆、鏜、珩磨等多功能有機(jī)地集成于一體。一臺(tái)機(jī)床可完成數(shù)控重型臥車、深孔鉆鏜床和數(shù)控落地銑鏜床3臺(tái)機(jī)床分別完成的全部工序。機(jī)床總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.2 機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

機(jī)床有以下9個(gè)結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn):

(1)機(jī)床由Siemens 840D控制，有13個(gè)數(shù)控軸。采用雙方式組三通道數(shù)控方式，兩個(gè)數(shù)控車刀架、數(shù)控鏜刀架及深孔鉆刀架可獨(dú)立控制而不相互干擾。

(2)機(jī)床總體結(jié)構(gòu)為超重型主軸箱、超重型尾座、雙刀架、大直徑深孔鏜、小直徑深孔鉆、鏜、珩磨有機(jī)集成。一次裝卡，能夠完成大型鑄鍛件從粗加工、精車外圓、錐面、回轉(zhuǎn)曲面體，到深孔鉆、鏜、珩磨、銑鍵槽等全套工序。深孔鏜刀架還能對(duì)大直徑深孔工件進(jìn)行深孔鏜加工。機(jī)床具有大承重、大切削力、高精度及多功能復(fù)合的特點(diǎn)。

(3)主軸箱為超重型高精度靜壓軸承主軸箱，主軸箱主軸徑向?yàn)?個(gè)超重型高精度恒流靜壓軸承，前后軸承均采用6油腔結(jié)構(gòu)，具有良好的對(duì)中性。在主軸箱花盤的下方設(shè)有2個(gè)恒流靜壓托架，呈對(duì)稱布置，可卸去大部分主軸箱所承載的工件重量，從而保證主軸在外載變化時(shí)仍有良好的回轉(zhuǎn)精度。直徑為1 000 mm的主軸箱主軸的徑向跳動(dòng)達(dá)到了0.006 mm。

(4)配有雙刀排的重切刀架，每個(gè)刀排上設(shè)計(jì)有能安裝重切刀夾的接口。在刀夾上可安裝機(jī)夾刀桿，方便換刀。刀架縱向(Z、Z1軸)、橫向(X、X1軸)導(dǎo)軌均為閉式恒流靜壓導(dǎo)軌。刀架具有吸振能力強(qiáng)、導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小(可達(dá)17×10－6)、壽命長(zhǎng)、精度高的特點(diǎn)。由于是恒流靜壓導(dǎo)軌，靜壓導(dǎo)軌板與刀架床身間隔了一層油膜，無論重切還是精車，都能保持很好的工作精度。在刀架體的前端設(shè)計(jì)有安裝附件銑頭及附件磨頭的通用接口。

(5)設(shè)計(jì)了數(shù)控大直徑深孔鏜刀架。鏜桿橫向進(jìn)給采用三軸同步技術(shù)。鏜桿縱向和橫向可數(shù)控進(jìn)給，并且可兩軸聯(lián)動(dòng)。鏜刀架裝在鏜刀架滑座上，鏜滑座由交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并裝有光柵尺精確顯示鏜刀架滑座位置，此設(shè)計(jì)可針對(duì)不同的工件長(zhǎng)度，數(shù)控大直徑深孔鏜刀架可移至最佳的加工位置。

(6)小直徑深孔鉆刀架采用高性能的受油器和減振器。鉆桿箱的特殊設(shè)計(jì)，滿足鉆孔、套料、鏜孔、珩磨所要求的高速小扭矩及低速大扭矩等各種工況的要求。配有先進(jìn)的刀具保護(hù)軟件。

(7)數(shù)控深孔珩磨系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)控制專用的子控制系統(tǒng)，通過伺服油缸控制珩磨頭的徑向進(jìn)給量，加工深孔表面的粗糙度可達(dá)Ra0.4 μm。

(8)鏜刀架滑座跨在刀架床身及工件床身內(nèi)導(dǎo)軌上，使鏜刀架在鏜孔直徑和鏜孔深度范圍內(nèi)具有最佳的剛性。

(9)機(jī)床液壓系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)由PLC全自動(dòng)控制，配有大功率油冷機(jī)。PLC能自動(dòng)監(jiān)控液壓系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)

最大回轉(zhuǎn)直徑:5 000 mm

最大加工直徑:4 500 mm

最大加工工件長(zhǎng)度:20 000 mm

兩頂尖間最大承重:500 t

刀架最大切削力:340 kN

鏜孔直徑:1 000～3 500 mm

最大鏜孔深度:8 000 mm

最大鉆孔、珩磨孔直徑:240 mm

最大鉆孔、珩磨孔深度:13 000 mm

主電動(dòng)機(jī)功率:284 kW

鉆桿箱主電動(dòng)機(jī)功率:99 kW

3 關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)采用了超重型高精度恒流靜壓軸承床頭箱技術(shù)、超重型高精度恒流靜壓主軸軸承技術(shù)、變頻恒流靜壓技術(shù)、大規(guī)模有限元分析技術(shù)、雙齒輪齒條自動(dòng)消隙技術(shù)、自動(dòng)齒板鎖緊技術(shù)、大直徑深孔鏜技術(shù)、小直徑深孔鉆、鏜、珩磨技術(shù)、重切刀架技術(shù)、雙工作組三通道數(shù)控技術(shù)、鏜桿橫向進(jìn)給三軸同步技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。其中超重型高精度恒流靜壓軸承床頭箱技術(shù)、超重型高精度恒流靜壓主軸軸承技術(shù)、鏜桿橫向進(jìn)給三軸同步技術(shù)為本機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 超重型高精度恒流靜壓軸承床頭箱技術(shù)

機(jī)床兩頂尖間最大承重為500 t，主軸的徑向跳動(dòng)為0.006 mm。床頭箱設(shè)計(jì)時(shí)，主軸徑向軸承采用超重型高精度恒流靜壓主軸軸承，同時(shí)還在花盤處設(shè)計(jì)了兩個(gè)恒流靜壓托架，靜壓托架可卸去80%以上主軸箱所承載的工件重量。通過前后恒流靜壓軸承來保證主軸的回轉(zhuǎn)精度，靜壓托架卸去大部分工件重量，這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)使機(jī)床具有大承重和高精度的特點(diǎn)。

3.2 超重型高精度恒流靜壓主軸軸承技術(shù)

采用六油腔對(duì)稱分布結(jié)構(gòu)，每個(gè)油腔由一個(gè)定量齒輪泵供油，定量齒輪泵由交流變頻電動(dòng)機(jī)控制。靜壓軸承的流量受油溫、粘度及零件幾何尺寸的綜合影響，要達(dá)到高精度的要求，需要調(diào)到最佳流量。采用定量齒輪泵，通過交流變頻機(jī)來改變齒輪泵的流量，達(dá)到最佳值后變頻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速鎖定，齒輪泵流量恒定不變，通過恒流靜壓來實(shí)現(xiàn)高精度的要求。

3.3 鏜桿橫向進(jìn)給三軸同步技術(shù)

當(dāng)機(jī)床采用鏜桿加工時(shí)，鏜桿不僅要能軸向進(jìn)給，而且還需要徑向進(jìn)給。由于鏜桿加工的孔深達(dá)到8 m，鏜桿的總長(zhǎng)達(dá)到16 m多，為了鏜桿徑向進(jìn)給的穩(wěn)定，采用三支承方式，在徑向進(jìn)給時(shí)，這三個(gè)支承的動(dòng)作必須保持一致(不論自動(dòng)方式還是手動(dòng)方式)，而且要求有較高的同步精度。根據(jù)上述情況，在電氣控制上采用一主二從的多龍門軸同步方式，三臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)均采用絕對(duì)值編碼器，一次校準(zhǔn)后，即可永久同步工作，即使機(jī)床斷電，再上電后只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的回零操作，就可恢復(fù)原來的同步狀態(tài)，完全滿足了徑向進(jìn)給時(shí)三軸同步的要求。

4 結(jié)語

本文闡述的數(shù)控重型臥式鏜車床，在機(jī)床實(shí)現(xiàn)大承重的同時(shí)，將車、銑、磨、大直徑深孔鏜、小直徑深孔鉆、鏜、珩磨等多功能復(fù)合于一體，很好地解決了超臨界核電半速轉(zhuǎn)子、超重型軋輥、超大型水輪機(jī)主軸及巨型船舶新型舵軸等超大型復(fù)雜零件的加工問題。在一臺(tái)機(jī)床可完成上述超重型軸類、套類復(fù)雜零件的全部加工工序，實(shí)現(xiàn)了此類零件高效、高精度加工。