精密箱體類零件加工用高精度數控坐標鏜床關鍵技術研究

余阿東 蒲 生 李翔龍

(①信陽職業技術學院汽車與機電工程學院,河南 信陽464000；②黃岡師范學院交通學院，湖北 黃岡 438000； ③四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065)

面向機床行業對高精度箱體零件的需求，2016年度“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項提出機床關鍵零部件加工的精密及數控機床能力提升關鍵技術研究，其中精密箱體類零件加工用高精度數控坐標鏜床關鍵技術研究與應用是重要研究內容。針對科技重大專項研究內容，通過自主創新的途徑，開展高精度數控坐標鏜床關鍵技術的研究。通過對機床行業箱體類零件加工工藝分析，應用數控機床專項前期研究成果集成再創新，對機床關鍵零件加工用數控坐標鏜床的精度、加工效率、質量穩定性和一致性等關鍵技術性能的提升進行了研究。

1 基于機床箱體類工件精密加工的高精度數控坐標鏜床整機性能優化研究

常見的機床箱體類工件有：機床主軸箱、機床進給箱等，他們都有一個共同的主要特點：形狀復雜、壁薄且不均勻，內部呈腔形，加工部位多，加工難度大，既有精度要求較高的孔系和平面，也有許多精度要求較低的緊固孔。通過研究這些箱體類工件精密加工工藝技術，和分析加工對象的結構尺寸、材質、重量和精度對所研制的精密數控機床類型、功能及性能的需求，將用戶工藝需求轉換為產品功能及性能需求，構建了典型機床箱體類工件工藝驗證平臺，并對機床箱體類工件精密加工的高精度數控坐標鏜床整機性能提出優化[1]。

該臥式鏜床由立柱、立柱滑臺、底座、鏜刀主軸、工件轉臺、底座滑臺等重要部件組成，機床結構及各坐標軸如圖1所示，機床坐標軸為：X軸、Y軸、Z軸、B軸、C軸等。各軸的作用與相互間的關系：Z軸是立柱水平移動軸，用于機床的鏜削刀具沿Z坐標軸方向定位加工箱體孔；X軸是底座滑臺沿X坐標方向移動軸, 用于箱體類工件位于正確的加工位置，以便于鏜削刀具加工箱體；Y軸是立柱滑臺帶動鏜刀主軸沿Y坐標軸方向移動軸，配合機床鏜削刀具鏜削加工箱體；C軸是鏜削刀具沿C坐標軸方向旋轉軸，用于鏜刀鏜削工件箱體。B軸是工件沿B坐標軸方向旋轉軸，用于機床箱體類工件不同面上的孔系鏜削加工。

高效強力加工坐標鏜床在機床設計階段十分重視運動部件動態性能優化，重視高剛度輕量化設計和機械運動部件的動力匹配[2]。進行機床每一個運動坐標的驅動參數的優化，使機床的動態性能滿足用戶的需求。機床床身為人造大理石材料，“箱中箱”式重型高剛性大阻尼立柱和底座的封閉框架結構，熱變形誤差較小，具有更好的吸收振動的能力以及降低振動對機床傳動部件的影響，機床剛性好、精度穩定。機床采用直結式中央出水冷卻電主軸和直驅式回轉工作臺以及雙驅式直線進給系統。通過基于虛擬樣機分析仿真等數字化設計技術，對整機結構動靜熱態特性分析及優化、機電耦合優化匹配、低應力制造與裝配、熱平衡設計及熱變形實時監測與補償、機電液氣一體化多物理場耦合匹配與優化、數控系統誤差補償等關鍵技術進行了研究，使機床具有粗加工過程中要求的高剛性和高可靠性，精加工時要求的極高精度，能實現高速及良好的運動特性和穩定的高精加工質量，滿足了機床高速、高精、高效、高可靠性的切削性能要求[3]。

2 基于精密箱體類工件加工用高精度數控坐標鏜床數控系統技術提升研究

精密箱體類工件加工用高精度數控坐標鏜床采用GNC61高端五軸數控系統提升機床控制系統的精度，GNC61系列高端五軸數控系統采用高速的信息交互——光纖運動控制現場總線，應用100 Mbps的高速光纖介質。將數控系統的控制指令送達每個伺服驅動裝置，并保證嚴格同步運行；并將包括機床各坐標位置、負載率、溫度等物理量傳回數控系統；數控系統內部采用80位浮點運算。運算最小單位達0.1 nm，配合高達16 384倍細分能力的GDXF系列細分器，細分處理程在1/5 000 000 s內瞬間完成，真實可達亞微米下的監測分辨率和控制分辯率，為機床高精度奠定了基礎；數控系統具有獨特的激光干涉全閉環控制技術[4]。將長度反饋檢測精度提升到0.2 μm，分變率提升到1 nm。它們共同為精密箱體類工件加工用高精度數控坐標鏜床控制提供基礎技術保證。

另外，坐標鏜床高精度數控系統擁有強大的機床誤差補償功能，支持每個坐標的定位誤差雙向螺距補償、直線度補償(包括各向撓度補償)，以及3坐標間垂直度補償。在光纖運動控制現場總線技術的支持下，數控系統優化了伺服系統的速度前饋、加速度前饋和加加速度前饋，保證了數控機床在高速度下同時兼具高精度[5]。同時還優化了數控系統反向越沖補償。幫助機床各坐標快速、平穩地越過反向間隙，克服換向帶來的振動和加工表面缺陷。高精度數控坐標鏜床數控系統支持對刀儀和測頭接入，支持在線刀具檢測和工件檢測，可以方便地檢查工件是否合乎加工要求，以及刀具有無破損：特別是針對難于調整安裝的精密箱體類大型工件以及工件坐標系原點難于直接定位的工件，將極大縮短工件裝卡的輔助時間，提高加工效率。提供了刀尖點坐標直接顯示的功能，在手動操作時直接控制工件尺寸，不必進行繁復的刀長反算，在自動加工中，直接對刀尖點編程，可以不再顯式調用刀具長度補償。上述技術極大地簡化數控機床特別是鏜削類工藝的操作。

3 基于精密箱體類工件加工用高精度數控坐標鏜床主軸系統技術提升研究

針對精密箱體類工件加工精度提升的需要，數控坐標鏜床對主軸性能的要求也越來越高。高性能的主軸系統主要核心技術包括轉子自動平衡系統、軸承油氣潤滑與精密控制系統、定轉子冷卻溫度精密控制系統、主軸變形溫度補償精密控制系統等。它是高速軸承技術、油氣潤滑技術、精密制造與裝配技術、電動機設計與制造技術、高速驅動與精密數控技術相互交叉融合的產物，涉及機械學、動力學、傳熱學、流體力學、電機學及控制理論等學科。為了進一步提升坐標鏜床主軸系統的性能，通過在工程陶瓷高速磨削機理及關鍵技術、陶瓷球軸承基礎理論及關鍵技術、高速陶瓷電主軸關鍵技術、數控機床主軸單元關鍵技術等領域取得的研究成果[6]。利用高性能結構陶瓷作為主軸和軸承等主要旋轉部件的材料，達到減少主軸單元高速旋轉的離心力和慣性力，提高主軸系統的速度、剛度、精度及使用壽命的目的，以適應高效高精度坐標鏜床技術領域的重大需求。解決坐標鏜床電主軸的高速、高剛度、高精度、長壽命等關鍵問題。電主軸的軸端內孔全跳動≤0.001 mm，主軸振動≤0.6 mm/s，具有無與倫比的高精度的特性。電主軸內置永磁同步電動機，在低速大扭矩、高速高精度、快速啟停、精準控制、超低振動等方面尤顯突出，具備高效率。電主軸在機體內增加冷卻循環水道對電動機、前后軸承進行冷卻。冷卻液流經合理布置在主軸機體的循環冷卻通道帶走主軸高速旋轉時產生的熱量，達到熱平衡狀態，使主軸的溫度恒定在一定范圍內，保證主軸運行安全、性能穩定，冷卻效果好，效率高，溫升小，主軸熱伸長小，軸承受力小。電主軸具有良好的密封性，采用迷宮和氣幕雙層密封結構，消除了造成主軸故障的根本原因 ：即冷卻劑、雜質進入軸承導致的軸承污染，這些最終都能導致主軸出現故障。密封系統采用一種特殊設計的專用空氣管路把清潔、干燥的壓縮空氣送入并重新分配空氣流，使其在彈性柔軟唇型密封圈的下部產生一個均勻壓力。這樣的空氣流會使密封圈的唇部彎曲離開軸頸接觸面，從而形成幾乎無摩擦的運行環境，同時，均勻壓力空氣流把外部雜質排除在外，以保護軸承避免產生污染，并且不會妨礙主軸軸承的潤滑。綜上所述，高性能的電主軸，其剛性更強，精度更高，以適應強力鏜削加工緊密類箱體工件的要求,其刀具快換接頭具有大直徑的定位端面，增加了剛性且裝卸十分方便。

4 基于精密箱體類工件加工用高精度數控坐標鏜床進給系統技術提升研究

高端機床箱體類工件對加工坐標鏜床的精度和可靠性提出了越來越高的要求，大量研究表明：機床的精度、可靠性與機床的進給系統有很大關系。通過采用重載直線導軌、直線電動機以及改變床身主要材料等方法來提升坐標鏜床進給系統的精度。

滾柱重載直線導軌為一種滾動導引，由鋼珠在滑塊與導軌之間作無限滾動循環，負載平臺能沿著導軌輕易地以高精度作線性運動，將傳統的點接觸受力方式改制為線接觸受力，由于滾柱的剛性極高，從而大大提高了負載能力。與傳統的坐標鏜床滑動導軌導引相較，滾動導引的摩擦系數可減小至原來的1/50，由于起動的摩擦力大大減小，相對的較少無效運動發生，故能輕易達到μm級進給及定位。再加上滑塊與導軌間的束制單元設計，使得直線導軌可同時承受上下左右等各方向的負荷，滾柱導軌采用中間內V型槽設計，能承受更大的轉動轉矩，滾柱之間用滾柱保持鏈分隔開，避免了內部碰撞，降低了導軌副中由于滾柱之間的碰撞而產生的噪音。滾柱保持鏈防止了滾柱的歪斜運動，運行穩定。同時滾柱與保持鏈之間形成油膜接觸，避免了滾柱之間的摩擦，使得導軌副在運行時發熱量大大降低，從而實現導軌副的高速、高精度運動。上述陳列特點并非傳統滑動導引所能比擬，因此精密坐標鏜床采用滾柱重載直線導軌作為刀具和工件進給系統，再配以大功率直線電動機作為動力牽引，大幅提高坐標鏜床精度與機械效能。

加工區采用高壓流動氣體冷卻，機床工作區與床身完全隔離，最大程度地減小由于熱切屑與床身接觸而產生的熱膨脹的影響；最后通過建立溫度變量與熱變形之間的數學模型，用軟件預報誤差，用數控進行補償，以減小或消除由熱變形引起的機床切削加工誤差。機床熱變形誤差數控補償，是通過激光反饋檢測手段對數控加工時產生的誤差進行直接或間接的測量，然后根據已經建立的誤差補償模型進行誤差補償計算，將計算結果反饋給數控系統，使系統控制器發出相應的控制誤差補償指令以補償相應的熱誤差[7]。另外大量研究表明：機床在高速加工工件時熱量易導致工件表面燒傷和機床部件發生熱變形。因此機床采用改進機床床身材料來減少熱量對機床的影響,機床采用人造大理石為床身主要材料,人造大理石材料熱膨脹系數僅為鑄鐵的1/20，具有更好的環境適應性，更小的熱變形誤差，人造大理石床身制造工藝采用常溫固化，沒有鑄鐵冷卻不均導致的內應力，是國際上精密機床優選的床身材料。很大程度上減小了機床的熱變形，人造大理石的阻尼是鑄鐵的6倍，具有更好的吸收振動的能力，降低了機床的切削振動對機床傳動部件的影響，很大程度上提高了機床進給系統的精度。

5 基于精密箱體類工件加工用高精度數控坐標鏜床數控回轉系統技術提升研究

高精密回轉工作臺是精密箱體類工件加工用高精度數控坐標鏜床的非常重要的基礎核心部件。大型精密立式機床的加工精度,其徑向和軸向跳動是由機床轉臺的旋轉精度決定，錐度、平面度是由轉臺和機床其他移動部件的剛性決定。目前大型精密立式機床的轉臺結構,一般由兩套徑向或推力向心軸承將立式主軸支撐在轉臺內,用以傳遞扭矩。在轉臺上部用一套推力滾子軸承支撐工作臺面及工件重量,并承受軸向和徑向切削力[8]。此類轉臺結構精度和剛性較低、結構復雜零件多、承受偏心載荷的能力差。為提高精密箱體類工件加工用高精度數控坐標鏜床的精度保持性,以高精度推力向心組合圓錐滾子軸承為基礎,重新設計了高精度數控轉臺。

該回轉工作臺采用了一套高精度高剛性的推力向心組合圓錐滾子軸承，取消了傳統結構中的主軸及其復雜的軸承支承系統，取消了傳統回轉工作臺所用的2～3套滾動及其他軸承，并將工作臺內轉動的主軸改為半徑不同的靜止軸臺。該軸臺的端面及外徑精密加工后，用以安裝組合軸承的底圈和上圈，傳動齒輪及工作臺面則安裝在軸承的中圈上，簡化了傳統工作臺的結構，大幅度降低了制造難度。由于組合軸承具有大的額定動、靜載荷，將軸承的底圈及上圈裝入足夠大的靜止軸臺，將軸承中圈與齒輪和工作臺面相聯后，則軸承的各套圈均置于剛性體上，實現了高的承載能力和高精度保持性。同時可根據機床承載情況，調整組合軸承負游隙，達到大幅度提高轉臺的精度保持性和剛性。高精度保持性轉臺采用推力向心組合圓錐滾子后，由于圓錐滾子長度方向處于不同滾動半徑位置，消除了轉動時滾子存在打滑的現象，提高了許用轉速，實現了轉臺的高精度保持性及高剛性，從而很大程度上提高了機床的精度保持性。由于轉臺無主軸和多套軸承的安裝調整等復雜問題，簡化了轉臺的結構，使轉臺結構簡單，制造、裝配、調試、維修都很容易；且具有優良的工藝性能。轉臺工作速度：>50 r/min，轉臺工作面的端跳、徑跳≤0.003 mm。很大程度上提高了精密箱體類工件加工用數控坐標鏜床轉臺系統的精度和穩定性。

6 基于精密箱體類工件加工用高精度數控坐標鏜床刀具技術研究

對于鏜孔加工分別設計了粗加工用鏜刀和精加工用鏜刀各一件，粗鏜刀采用雙刃結構,與單一切削刃相比雙刃刀夾切削加工可以達到更高的金屬去除率，同時設置兩只刀夾可以滿足平衡切削和段差切削。所謂的平衡切削，即兩刃軸向高度一致，徑向也保持一致的加工方式，兩刃同時切削，受相同的切削抵抗力，特點是切削進給快，效率高。所謂的段差切削，分為內刃和外刃，內刃和外刃之間存在軸向高度差，內刃與外刃分別加工不同的直徑[9]。與平衡切削相比，其特點是切削量大，且減小切屑的寬幅，更容易排屑，但進給要慢。每個刀夾都帶有軸向高度和直徑的調節裝置，可以簡單快速地實現不同的切削方式。精鏜刀具的精鏜頭具備最小刻度2 μm(直徑)的精密調節刻度盤，通過加長型刀夾可以改變一只精鏜頭鏜孔范圍。在直徑方向調節精度可以達0.002 mm。很大程度上提高了精密箱體類工件加工用數控坐標鏜床切削加工的精度。

7 結語

通過上述關鍵技術的研究，構建了數控坐標鏜床關鍵部件以及整機的綜合性能測試平臺和整機切削驗證平臺，以及相應的檢測驗證平臺，對機床靜、動、熱態特性、伺服特性、多場耦合等優化匹配技術進行試驗驗證，實現箱體類典型加工對象高效、高質量的加工。精密箱體類工件加工用高精度數控坐標鏜床工作臺寬度1 250 mm；主軸端面軸向跳動≤0.001 5 mm，主軸錐孔徑向跳動≤0.002 mm，X/Y/Z軸快進速度≥24 m/min；定位精度≤0.003 mm，重復定位精度≤0.001 5 mm；B(回轉)軸定位精度≤3″,重復定位精度≤1.5″。機床主要技術指標按ISO 230-2國際標準進行評定時，達到了標準的要求。機床通過提升數控系統、主軸系統、進給系統、回轉系統等技術條件，以達到提高機床的精度和穩定性，并能取得箱體類工件質量極佳的加工效果。機床能夠進行高速切削加工，若在相同加工精度的情況下,機床所具有的生產效率能夠得到很大的提高，該機型替代進口，降低制造成本，提高了精密箱體類工件的加工質量、生產效率以及工藝可靠性。

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