大型臥式車銑復合加工中心技術

■沈陽機床股份有限公司沈陽第一機床廠 （遼寧 110027） 郭秀英

大型臥式車銑復合加工中心技術

■沈陽機床股份有限公司沈陽第一機床廠 （遼寧 110027） 郭秀英

摘要：針對大型企業需求的重要大型零件的配套加工問題，推出一款近年研制的大型臥式車銑復合加工中心；通過對大型零件加工工藝的分析，自身技術的介紹，展示本臥式車銑復合加工中心優點。旨在推進國產機床的發展，強大自主品牌。

近年來，隨著我國水利、船舶、發電、礦山、機車等大重型企業的迅猛發展，使之重要的大型零部件的配套問題更顯突出。而這些大型零件在某種程度上，毛坯及加工完全依賴進口，限制了產業的發展。因此國內急需開發一些適合這類零部件加工的設備。

這一類零件的加工具有的共同點是：零件細長軸、重量大、工序多、工時長，國內多采用多種刀具、多臺設備分序完成；也有在精加工序上配進口車銑中心完成的。總體顯現效率低，且受進口設備價格高的制約。

國外臥式車銑復合加工中心機床開發及應用的時間比較早，技術相對成熟，如奧地利的WFL公司、德國的尼爾森公司等。其車銑中心均配單一刀架，旋轉刀具和車削刀具安裝在同一位置，動力軸懸伸長，剛性低。

下面針對大重型企業需求的重要的大型長軸類零件的配套加工問題，推出一款近年研制的臥式車銑復合加工中心。

大型零件加工工藝分析

1. 典型零件

以船舶行業船用曲軸為例（見圖1）：材料多為鑄鐵或鍛鋼, 毛坯余量多達20～30mm，且不均勻、硬度高。外形為長軸帶多處曲柄，由于曲柄的回轉軸即連桿頸和主軸頸不同心，曲柄繞主軸頸的回轉直徑大，曲柄輪廓為多段不同心圓弧組成，曲軸的兩端面又有很深的油孔，曲柄上還有角度不規則的斜油孔等等，因此需要高剛性、可適合粗精加工的大規格的復合車銑加工中心完成。

圖1　某柴油機廠家曲軸毛坯

2. 未采用臥式車銑復合加工中心前曲軸加工工藝

某柴油機廠家加工方案主要是采用多工序，多臺設備來完成的：首先是采用鏜床打中心孔，平端面；然后將加工后的零件移到專用雙主軸箱車床上，粗、精車主軸頸及曲柄外側面；之后調整兩主軸箱上的專用卡具，將連桿頸移到機床主軸的回轉直徑上，進行工件定位、找正和夾緊，對連桿頸及曲柄內側面進行粗、精加工，再上落地銑床上粗、精平衡重面；最后將工件在鉆床上完成斜油孔、直油孔及兩端深孔的加工。這種加工方案車削是在普通臥車上完成，效率低，調整費時，當工件的沖程大時卡具就無法滿足加工需求，多工序亦影響工件的加工精度。

3. 采用進口臥式車銑復合加工中心曲軸加工工藝

隨著我國船舶行業的日益發展，曲軸的質量也日益與國際接軌。近年此行業的領軍企業開始引進如奧地利WFL、德國尼爾森等公司生產的車銑復合加工中心。考慮到這類機床的切削性能，多將設備用于曲軸的半精加工、精加工工序上，不能實現一次裝卡完成零件從毛坯到磨削前的加工。

隨著中、低速柴油機需求的加大，加之對國外曲軸加工工藝的研討，機床制造商經過潛心研制，推出了具有自主產權的大型臥式車銑復合加工中心。

大型臥式車銑復合加工中心技術

1. 總體布局

機床如圖2所示。總體上采用斜床身、雙主軸箱、側掛式單立柱、雙側掛箱上設雙刀架結構形式，刀具位于重力方向進刀，配以工件檢測、刀具檢測、刀庫、恒溫冷卻裝置、水冷裝置、排屑裝置、防護裝置和電氣裝置等，并采用西門子840D sl數控系統（見圖3）。

設備具有（X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2、B1、B2、Cf1、Cf2）任意5軸聯動功能、雙主軸、雙Cf軸同步功能、中心架與副主軸可分別沿Z軸方向自動移動功能，車銑復合加工功能，運用重載刀具鏜削深孔功能、高壓內冷功能、在機檢測功能和刀具在線實時監控功能。

在單立柱的左右各懸掛一套側掛箱，其上配有刀架，左刀架具有B軸功能，右刀架安裝大直徑外銑刀盤可實現外銑粗加工。

左側掛箱內采用內裝52k W的內置電動機、一個兩級行星齒輪變速箱等集成在內部，結構緊湊。內置電動機、減速機裝于采用灌膠工藝成型的多階梯深孔箱體內，研制過程解決了多階梯深孔加工精度低的問題，此裝置的輸出轉矩優于進口機床。

右側掛箱78k W的主軸電動機經齒型帶及自制減速箱的減速后，提供10 000N·m大轉矩動力。該減速箱可實現兩檔變速，根據用戶的不同需求，配置不同直徑的外銑刀盤，解決刀具長、剛性不足、無法實現粗加工的問題。

圖2　機床照片

圖3　總體布局圖

技術參數對比表

2. 技術參數與國外同規格機床對比

從附表可見，本機床在承載能力、功率及扭矩輸出方面均有明顯優勢，打破了國外現有的

車銑中心僅配置單刀架的布局形式。右刀架大直徑刀盤的配備，可實現在1臺機床上完成工件的粗、精加工，從而達到高精、高效。左刀架與車削主軸C軸功能相結合實現5軸聯動。奧地利WFL機床如圖4所示。

圖4　奧地利WFL機床

3. 設備的技術創新

（1）單立柱技術。本機床雖然配置了雙刀架，但為布局結構緊湊采用了單立柱形式。單立柱側掛于斜置30°的床身和地面輔助導軌之上，在充分保證立柱運動的平穩性下，這種布局可有效減輕機床重量，降低原材料及加工成本（見圖5）。

單立柱Z向（縱向）進給采用雙電動機消隙機構，快速進給時雙電動機驅動齒輪同向旋轉，滿足起動時需要大的起動轉矩；工進時雙電動機驅動齒輪反向旋轉，消除傳動間隙，確保工進時單立柱運行平穩、不振動（見圖6、圖7）。

（2）B軸刀架兩點布刀技術。傳統的車銑中心均配置單一刀架，旋轉刀具和車削刀具安裝在B軸刀架的同一位置上，必須設有用于車削刀具鎖緊的三齒盤機構，因此動力軸的懸伸長，剛性低，不適合粗加工；當加工中低速機曲軸時，由于回轉直徑大，刀具勢必懸伸長，更無法實現在1臺機床上完成粗精加工。

本文介紹的設備，左側掛箱前端裝有兩點布刀的B軸刀架（見圖8），其上分別設有旋轉刀具、車削刀具的安裝位置，減少了動力軸上用于車削刀具鎖緊的齒盤機構，提高了刀架剛性，使粗精加工在2臺設備上完成得以實現。

在技術創新實施中：B軸刀架主軸軸承的氣密封、B軸任意點鎖緊構件材質選擇、2點換刀控制程序的開發均涉獵其中，成為剛性、可靠性優于進口產品的保障。

圖5　單立柱機構

圖6　快速進給時齒輪齒條嚙合圖

圖7　工進時齒輪齒條嚙合圖

圖8　B軸刀架

圖9　左側掛箱

（3） 左側掛箱（見圖9）。目前，國內大型車銑中心側掛箱多采用動力電動機和減速機外置的結構，即將動力電動機和減速

機安裝在箱的頂端，通過細長傳動軸傳至箱的下部，再傳至前端刀架。這種結構下動力電動機和減速機占用空間比較大，且由于通過細長傳動軸傳遞動力，輸出軸的功率、轉速和轉矩不能設計太高。

本文介紹的設備，主軸電動機、減速機集成在左側進給箱內，該結構形式十分緊湊。由于主軸電動機、減速機等零部件連接精度較高，有效提高了部件使用的可靠性和壽命；同時，傳動軸的縮短還可以大大提高動力軸的輸出功率、轉矩和轉速，從而提高了部件的使用性能。由于設備規格大，使安裝這些部件的內孔較長，通過采用灌膠工藝解決。主軸電動機通過單獨循環的恒溫冷卻箱的冷卻水進行外部冷卻，減速機通過循環冷卻油進行潤滑和冷卻，確保結構性能可靠。

左側掛箱X方向運動應用了雙驅動技術、Y方向運動應用了懸垂補償技術，確保了機床精度。

（4）大扭矩輸出的右刀架。為滿足粗加工需求，研發輸出10 000N·m轉矩、可安裝1 400mm直徑外銑刀盤的右刀架。右刀架可沿Y軸進行旋轉或直線運動。右刀架通過齒盤鎖緊在右側掛箱上，旋轉后刀盤有3種姿態，刀盤面向左、右為加工位置，刀盤面向下為左刀架加工工件右端時，刀盤需停留在右主軸箱之上。刀盤面向下時也可更換小直徑面銑刀，配合沿Y軸方向進行的直線運動，進行平面的銑削加工。有限元分析、三齒盤鎖緊機構的優化、刀架箱體選用高強度且抗振好的球墨鑄鐵，確保了右刀架功能的實現。

右刀架大直徑外銑刀盤（見圖10）解決了進口機床在曲軸類工件加工時，棒銑刀進行連桿頸的銑削時，隨著曲軸回轉直徑的加大，刀具懸伸加大，剛性不足，無法實現粗加工且效率低的問題。

圖10　外銑刀盤

（5）右側掛箱（見圖11）。78kW的動力電動機經齒型帶及自制雙速減速箱的減速后，可提供10 000N·m的輸出轉矩,根據用戶的不同需求，配置不同直徑的銑刀盤，如直徑為1 400mm。右側掛箱在Y軸方向的運動

通過安裝在右側的伺服電動機、減速機帶動滾珠絲杠實現的；定點銑削時，采用多個油缸壓板鎖緊Y軸，避免絲杠受力，保證機床的精度；550mm×675mm的大截面右側掛箱，為大功率輸出機構提供了足夠的剛性保證。

圖11　右側掛箱

（6）燕尾拖動機構（見圖12）。本文介紹的設備主要針對細長軸類零件加工。對于長度在6m以上的零件，加工時可能要配2～4只中心架才能保證加工精度。當多品種零件換產時或單一品種零件采用的中心架數量少時，中心架間相對距離要發生變化，如果每個中心架均配備一套驅動電動機，必將帶來設備成本高，機構復雜，易干涉。

針對上述情況本文介紹的設備采用了專用的中心架燕尾拖動機構：動力電動機、減速機固定在床身右端，驅動長達10m帶有插孔的燕尾齒條在固定于床身上的燕尾導軌上沿Z向運動，配合中心架上的插銷機構、檢測開關，實現對中心架、Z向位置的改變。長達10m、截面積僅為120mm×80mm的燕尾副，由10段組成，對接接口在加載狀態下的變形量通過有限元分析獲得數據，先期通過調整墊預先拉伸，避免了拖動部件過程彈性變形帶來的抖動。工藝對各段單件加工的一致性進行嚴格控制，安裝時實施測量。每段燕尾導軌均設有潤滑單元，確保運動順暢。開發智能軟件，將每個燕尾齒條上插孔定義序號，用戶僅需輸入零件型號，即可獲知拖動部件的順序及行程量。燕尾拖動機構技術是一種全新的設計理念，性價比高，已獲實用新專利。

圖12　燕尾拖動機構

（7）自適應控制技術。采用直徑1 400mm外銑刀盤粗加工如曲軸類零件過程中，由于零件表皮硬度高，且余量不均，采用恒定切削參數易造成悶車或打刀，為此應用了自適應控制技術：通過檢測銑削主軸的負載，運用內部的專家系統對采集的主軸負載信號和相應的刀具及工件材料數據進行分析處理，實時計算出機床最佳的進給速率并應用到銑削加工過程中，從而大幅度提高生產效率，并在加工過程中穩定、連續、自動的控制進給速率，同時實現動態的刀具及主軸保護功能。

在加工過程中，自適應控制系統可以依據控制對象的輸入輸出數據，進行學習和再學習，不斷地辯識模型參數并進行修正。隨著生產過程的繼續，模型會變得越來越準確，最終將自身調整到一個最優的工作狀態，實現加工過程的優化。

結語

從上述關于大型臥式車銑復合加工中心技術的論述可見，無論從技術參數到性能均是具有較高的技術含量、獨到的創新性，值得推廣。

本文介紹的設備現在已有多位重要客戶。其性能在國內機床行業屬于絕對領先地位。它的試制成功，打破了重點行業的大型、關鍵設備被國外機床壟斷的局面。它不但具有國外知名品牌的性能，并加以創新、提升，完全可以替代進口機床取代傳統工藝，可以使國家重點行業的重要零部件的加工更上一個臺階。該機床還具有很好的性價比，因此可以為國家節約大量外匯，為企業節約大量資金，帶來可觀的經濟效益，應用前景十分廣闊。

收稿日期：（20150214）