新型復合材料加工用大型五軸車銑復合機床

劉亞峰，李云霞，張霞妹，孫 璐，張 勇

（秦川機床工具集團股份公司，陜西 寶雞721009）

0 前言

現階段，我國航空航天事業得到前所未有的發展，航空航天領域對材料的要求不斷提升，為了滿足航空航天領域對材料性能的要求，新型復合材料應運而生，和傳統鋼、鋁材料相比，新型復合材料的應用，能夠減輕航天航空器結構件重量的30%左右，提高性能的同時，還能降低制造和試驗成本[1]。新型復合材料在航空航天領域應用中，逐漸實現了從次承力結構件向主承力構件的轉變[2]，被廣泛地推廣和應用在軍機、民機、航空發動機、新型驗證機和無人機等領域[3]。我國目前加工復合材料設備多依靠進口設備，為打破技術封鎖和技術壟斷，自主研發大型高端數控機床裝備，并用于航空航天關鍵零件制造具有重大的戰略意義。

某航空航天企業典型零件的集成制造，現階段采用傳統制造工藝方法，將艙段車、銑、鏜等工序分散加工的模式，造成加工周期長、周轉次數多、加工效率低、制造成本高的缺點；傳統三軸機床無法加工或者無法一次裝夾完成連續光滑的自有曲面加工，因此，五軸聯動車銑復合機床應運而生。該類機床可以做到三軸機床不能完成的許多復雜曲面加工，同時提高自有空間曲面的加工效率、加工質量、加工精度。我公司對該用戶零件特點及加工工藝進行分析、論證，與用戶進行深入探討，自主研制了VTM200/F5五軸龍門式車銑復合加工中心，滿足玻璃鋼、碳纖維、陶瓷等復合材料加工。由于加工復合材料產生粉末會造成機床關鍵零部件的損壞與損傷，并且給加工車間造成污染[4]，為此對機床機械關鍵部件進行了二次防塵保護，有效地解決了加工過程中的環境污染問題和機床設備不受粉塵影響。機床研制成功實現了技術突破，也打破了國外機床的技術壟斷與技術封鎖，具有自主知識產權。

1 五軸車銑復合機床結構和性能特點

VTM200/F5五軸聯動車銑復合加工中心機床具有車、銑復合功能，在一次裝夾中，可實現車、銑、鉆、鏜等多工序的復合加工，不僅減少了裝夾次數、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。該機床主要由床身、滑座、工作臺、左右立柱、橫梁、45°擺動主軸頭、刀庫、自動排屑裝置、液壓站、吸塵除塵系統，電柜、操縱箱組成（如圖1所示），整齊美觀的全封閉式防護（如圖2所示）。

圖1 機床結構圖

圖2 機床外形圖

（1）床身和滑座，是由床身、滑座、工作臺等組成。鑄件床身、滑座、工作臺均采用高剛度鑄件結構，剛性高，對稱結構設計，精度受熱變形影響小，滑座和工作臺沿床身水平移動為Y向移動，Y軸采用直線導軌支承，滾珠絲杠和伺服電機驅動同步帶結構，快移速度可達8 m/min，行程為2 500 mm.

（2）車銑復合雙驅回轉工作臺，工作臺安裝在滑座上，采用雙電機驅動，通過雙速換擋齒輪箱驅動工作臺回轉，工作臺在車削工作時（如圖3所示），兩個電機的功率疊加，可以實現大扭矩切削，為車削主軸提供主切削力。在銑削工作時（如圖4所示），兩個電機可以轉換為電氣預載模式，可使數控旋轉的C軸消除反向間隙，實現數控旋轉分度。工作臺支承采用交叉滾子軸承，帶有高反饋裝置，對工作臺面（C軸）進行位置反饋和對車削時進行速度反饋，有效地保證了加工工件分度精度和車削精度。工作臺面直徑φ2 000 mm，車削時最高轉速150 r/min，銑削時最大轉速5 r/min.

圖3 工作臺車削工作時

圖4 工作臺銑削工作時

（3）立柱、橫梁（Z軸）。立柱采用龍門結構形式，立柱與橫梁采用優質鑄件，具有優良的抗扭曲、彎曲剛性。橫梁沿立柱上下移動為Z向移動，Z向采用直線導軌、雙電機同步驅動減速器和滾珠絲杠結構，電機帶有抱閘保護功能，并且配置液壓平衡裝置，能起到斷電保護作用，快移速度可達8 m/min，行程為1 600 mm.

（4）主軸箱及X軸。X向移動支撐由主軸箱和45°主軸頭組成，主軸箱沿橫梁左右移動，X軸采用直線導軌、滾珠絲桿和伺服電機驅動同步帶結構，快移速度可達15 m/min，行程為3 050 mm.

（5）45°擺動主軸頭是由45°擺動軸（B軸）和銑削電主軸組成。擺動主軸頭用于五軸聯動銑削，銑削主軸采用進口電主軸，最高轉速為12 000 r/min，扭矩201 N·m，具有車、銑功能，即可安裝車刀，也可安裝旋轉刀具，實現車削、銑削復合加工。主軸帶有車削自動鎖緊機構，保證車削剛性。B軸采用力矩電機驅動，具有大扭矩、承載能力強、動態響應快的特點，帶有自動鎖緊機構，在斷電情況下能自動鎖緊。擺動范圍為-30°～+180°，最高回轉速度為 15 r/min，可實現主軸自動立、臥轉換。

（6）機床配有自動換刀裝置，刀庫放置在機床左側，在系統指令下自動換刀，刀庫容量為40把，刀柄采用HSK A100.

（7）機床潤滑采用自動潤滑系統，用于定量對所有直線導軌、滾珠絲桿各軸及其他運動副自動潤滑，帶系統報警提示，以保證機床穩定工作。

（8）機床的除塵系統有效解決復合材料加工過程中粉末的收集與處理，以減少對環境污染。

（9）機床液壓系統用于提供臺面軸承的潤滑冷卻、臺面夾緊與放松、換擋齒輪箱換擋、橫梁平衡、擺動回轉（B軸）的放松、電主軸松拉刀及車削鎖緊等功能。

（10）數控系統采用華中數控HNC-848C系統，HSV120 交流伺服驅動裝置，控制 X、Y、Z、Z1、B、C1、C2七軸伺服軸和一個伺服主軸（SP1），能實現X、Y、Z、B、C五軸聯動數控控制和插補運算功能。

（11）機床采用全封閉防護，提供了安全工作環境，操作舒適、維護方便。見表1.

表1 數控軸精度

2 典型零件加工及除塵系統效果驗證

（1）采用典型金字塔零件做加工驗證對象。如圖5所示，結構形狀有外表面的正四棱錐面和內部的倒四棱錐面加工。如果采用三軸機床帶球頭銑刀加工時，球頭銑刀是以點接觸，切削效率低，而且刀具、工件姿態在加工過程中不能調，很難保證球頭銑刀上的最佳切削點（即球頭上線速度最高點）進行切削，而且出現切削點落在球頭刀上線速度等于零的旋轉中心線上的情況，這時不僅切削效率極低，無法保證零件內、外各四個圓角的平滑過渡，加工表面質量嚴重惡化，而且喪失加工精度。若采用該機床（3個直線軸X、Y、Z軸和2個旋轉軸B、C軸），共五個軸聯動起來進行整體加工，通過五軸聯動數控技術，控制刀具按要求的軌跡空間運動，保證刀具、工件的姿態隨時可調，不僅可以避免刀具線速度為零的情況的發生，而且用線接觸成形的螺旋立銑刀來代替點接觸成形的球頭銑刀，通過優化刀具、工件的姿態來進行銑削，從而獲得更高的切削速度及切削效率，并有效避免加工倒四棱錐時刀具干涉，同時保證零件內、外各四個圓角的平滑過渡，對零件進行均勻加工，提高零件加工精度和表面加工質量。

圖5 典型零件金字塔加工驗證

（2）除塵系統效果驗證。玻璃鋼、碳纖維、陶瓷等復合材料加工硬度高、強度大，加工對刀具磨損大，切削熱量大，加工難度大[4]；加工產生的粉末會造成機床關鍵零部件的損壞與損傷，給加工車間造成污染，同時對人體有一定傷害作用，所以除塵系統效果也不容忽視，其性能直接影響機床的使用壽命和功能（如圖6所示），對除塵系統效果進行驗證，找出粉末產生方向與刀具（或工件）旋轉方向的關系，在粉末產生的方向加大除塵量，通過驗證吸塵效果很好，用戶很滿意。

圖6 除塵系統效果驗證

（3）采用典型機匣零件做加工驗證。車銑復合技術的加工理念是“一次裝夾，高效加工，完成零件所有表面及孔加工”，即在1臺機床上完成1個零件上車加工和外表面銑加工，可保證零件高精度裝配的要求。機匣零件（如圖7所示）外型面需要五軸聯動銑削加工、內腔表面及前后安裝端面需要車削加工，前后安裝面上的定位孔、連接孔需要鉆、擴、鏜、鉸的加工，因此，針對該機匣零件的結構特點和加工要求，采用車銑復合加工，一次裝夾找正完成加工，通過車削加工完成端面孔與端面基準及止口表面、不拆零件情況下，通過銑削完成外表面及孔的鉆、擴、鏜、鉸加工，避免二次裝夾找正產生的誤差，縮短加工時間，提高加工效率，保證了零件加工質量，使機床的車銑復合功能得到驗證。

圖7 典型零件機匣加工驗證

3 總結

本文介紹了公司研制的新型復合材料加工專用國產五軸車銑復合機床的結構和性能，并成功應用于航空航天企業關鍵零部件的加工與制造，不僅僅是打破技術封鎖與壟斷技術，而且對國產高端數控機床制造業全面快速掌握航空航天關鍵零部件的加工特點、為航空航天企業的零部件制造提供一整套解決方案起到積極的促進作用，同時也改變了航空航天領域的用戶，對高端國產數控機床可靠性、認識度和信任度以及品牌等方面的認可，對提升我國裝備制造和國防工業發展具有重要意義。