RY-GB8550BF5橋式五軸聯動龍門加工中心關鍵技術研究與應用

山東永華機械有限公司 劉衛國

一、概述

數控機床是制造裝備業的工作母機，是實現先進制造技術和裝備現代化的基石，是保證高技術產業發展和國防軍工現代化的戰略裝備。而五軸聯動數控機床則象征著目前機床制造業的最高水準，也是世界各制造大國不遺余力發展的重點對象。隨著工業化的發展，五軸聯動數控機床更被認為是航空航天、船舶、精密儀器、發電等行業加工關鍵部件最重要的加工工具，是實現飛機發動機懸掛架、船用發動機葉輪、葉片、螺旋槳、重型發電機轉子、汽輪機轉子、大型柴油機曲軸等加工的重要手段，屬于國家及行業重點鼓勵產品，且市場需求量大，技術水平高、產業關聯度強、經濟帶動力大，有利于引領行業發展，促進企業轉型升級。

當前，五軸聯動數控機床在國外已經發展得比較成熟，更被廣泛應用于市場，以歐美、日本為代表的國家掌握著該產品領域高端的核心技術，他們的五軸聯動數控機床代表了當今五軸聯動數控機床發展的最高水平。目前國外著名機床廠五軸聯動數控機床的技術發展重點可歸結為：高速、高精度、環保、智能、復合化。

但是，由于我國工業基礎薄弱，加上國外同類產品的技術封鎖，國內的五軸聯動數控機床相對于國外整體水平還比較低，具體體現在關鍵功能部件不能自主研發，直線電機、力矩電機、多軸聯動應用編程等核心應用技術尚無法成熟應用，五軸聯動機床的設計、制造、應用仍處于起步階段，產品的穩定性、精度等與國外相比相差較大。面對巨大的消費市場，國內機床生產企業的生產能力無法滿足迅速膨脹的市場需求，多數五軸聯動數控機床仍需從國外進口，給我國眾多加工制造業造成了很大的成本壓力。

因此，要想充分滿足國內日益增長的高端需求，盡快擺脫受制于人的進口局面，必須加快自主創新進程，走“高質、高效、高端”的轉型升級發展道路，大力發展高檔五軸聯動數控機床。在此背景下，我公司提出了“RY-GB8550BF5橋式五軸聯動龍門加工中心”的項目建設。

二、產品性能介紹

本項目產品總體結構為工作臺落地固定式，兩條高架式床身分別放置在工作臺兩側，橫梁沿床身縱向方向運動（X軸），運動橫梁上配有橫向滑板及滑枕，橫向滑板沿橫梁導軌左右運動（Y軸），滑枕沿橫向滑板的豎直導軌做垂直上下運動（Z軸），滑枕中的內置旋轉軸繞Z軸旋轉（C軸）。在工作臺后方放置有四個頭庫（三個），用于放置附件頭，立臥轉換刀庫可實現各附件頭的自動換刀功能，機床總體布局圖如圖1所示。

圖1 機床總體布局圖

高架橋式框架結構由左右床身、左右滑座、固定橫梁組成剛性框架。X軸雙側同步驅動，單側為雙齒輪—齒條直接驅動，且裝有制動單元和安全緩沖裝置；Z軸采用兩根精密滾動絲杠驅動，具有良好的快速響應特性；C軸內置于垂直滑枕中，采用西門子力矩電機直接驅動，可明顯減少傳動環節，提高傳動效率和精度；垂直滑枕采用600mm×600mm全包方滑枕結構，有效保證了滑枕的抗震性及切削剛性。主軸采用驅動變速系統，1:1、1:5兩級變速，集成氣幕系統和溫度傳感系統；主軸及C軸采用恒溫水冷卻，可確保主軸及C軸的精度。

機床的高架橋床身采用礦物質鑄件，保證了良好的熱穩定性及減震性；橫梁、橫向滑板、滑枕采用鋼板焊接結構，在保證高剛性低撓性變形的基礎上，降低了重量，可有效保證機床的高速運行；橫梁、橫梁滑板、滑枕形成箱中箱式結構，保證了各個方向切削的剛性及熱變形的對稱性，也大大提升了機床對冷硬模具鋼以及鈦合金等特殊材料的切削剛度。其主要技術參數如下：

工作臺參數工作臺尺寸（寬×長） 3500mm×9000mm兩立柱間距離（不含防護罩） 5000mm T型槽寬 36mm T型槽間距 250 mm工作臺最大承載 5000kg/m2橫梁移動（X軸）縱向行程 8500 mm進給速度 10～20000mm/min快速移動速度 28000mm/min橫向滑板移動參數（Y軸）橫向行程 4000mm進給速度 10～20000mm/min快速移動速度 28000mm/min主軸箱參數（Z軸）垂直行程 1500mm進給速度 10～15000mm/min快速移動速度 20000mm/min主軸箱截面尺寸 600mm×600mm C軸轉速 12r/min C軸轉角 ±185°銑頭參數B軸擺頭電主軸電機功率 56kW電主軸最高轉速 12000r/min電主軸最大輸出扭矩 89N·m B軸轉速 6r/min B軸轉角 -110°/+5°主軸錐孔 HSKA63立銑頭功率 60kW最高轉速 6000r/min最大扭矩 1830N·m直角銑頭功率 60kW最高轉速 4000r/min最大扭矩 1830N·m

刀庫刀庫容量 60把刀柄形式 HSK-A100 20把、HSK-A63 40把運動精度定位精度（全閉環）X軸 0.01mm Y軸 0.01mm Z軸 0.01mm C軸 8″A軸 8″重復定位精度（全閉環）X軸 0.005mm Y軸 0.005mm Z軸 0.005mm C軸 4″A軸 4″

三、關鍵技術應用情況

1.“箱中箱”結構的優化設計及應用

（1）概要

“箱中箱”結構的主要特點是采用框架式的箱形結構，將可移動的方滑枕嵌入前后溜板的框架箱中，保證各個方向切削的剛性及熱變形的對稱性。

圖2a所示為“箱中箱”結構第一部分，方滑枕1嵌入前后滑板2的框架箱中，Y軸滑板2對滑枕導軌3包容長度長，保證方滑枕1在伸出加工時切削平穩，剛性好。方滑枕1沿橫向滑板導軌3垂直往復運動，利用滾珠絲杠5實現Z軸直線運動。Y軸滑板2上裝有兩只對角安裝的液壓平衡油缸4，用來平衡方滑枕的重量，減小Z軸滾珠絲杠5的空載扭矩，減少滾珠絲杠5的磨損，保證絲杠的精度穩定性，同時也可消除因自重產生的上下的不平衡力矩，提高機床快速響應。

（2）創新點

本項目在原有“箱中箱”結構的基礎上做了進一步的優化，圖2b所示為“箱中箱”結構第二部分，滑板5整體嵌入前橫梁6與后橫梁7組成的框架中，前、后橫梁通過橫梁托架8連接，形成完全對稱的結構方式。相對于單側動梁結構，其優勢在于：前、后橫梁均勻受力，減少橫梁的變形量，保證Z軸相對于X、Y軸的垂直度；此結構可以承受更大的來自于Y軸滑板2、方滑枕1（見圖2a）的重力，為600mm×600mm的方滑枕1截面尺寸提供了條件，較大的截面尺寸進一步提升了機床方滑枕1的懸伸切削剛性。

圖2 箱中箱結構

2.機床運動部件采用鋼板焊接結構的技術應用

（1）概要

對于機床運動部件，目前國內多數機床廠家仍采用傳統的灰鑄鐵鑄造而成，因鑄件產品結構復雜，重量大，型腔多，開模、造型工藝過程繁瑣；且產品生產周期長、能耗大、環境污染嚴重、制造成本高、產品更新換代慢。隨著消費者逐漸對機床加工效率及加工精度要求的提高，加之國內對環境污染治理程度的監管，機床大件的生產面臨更加嚴峻的挑戰。

（2）創新點

本項目打破傳統機床運動部件所用灰鑄鐵的限制，首次采用鋼板焊接結構，充分發揮鋼的彈性模量遠大于鑄鐵彈性模量的優勢，對 ‘橫梁、滑板、滑枕’等運動部件優化設計，選取焊接結構所需的截面形狀、筋板厚度，優化布置筋板位置及數量（見圖3），在保證高剛性低撓性變形的基礎上，重量較比鑄鐵件有效降低30%，有效保證機床的高速運行。

同時采用預置補償的反變形加工工藝，消除橫梁彎曲變形導致的部分空間誤差；建立“橫梁-溜板-主軸箱”裝配體產生的空間誤差模型，通過CNC系統實現機床空間誤差的強制補償，進一步提高了機床精度。

圖3 焊接結構橫梁示意圖

3.滑枕內置C軸結構的應用

（1）概要

一般的五軸聯動龍門鏜銑加工中心方滑枕只設置有導軌和主軸驅動系統，主軸直接安裝于方滑枕底端，方滑枕只作為Z軸運動部件；而C軸作為附件銑頭的功能部分。當機床配置需C軸旋轉的附件銑頭時，各個附件銑頭均需具備C軸功能，造成了此功能的重復性設置，提高了機床成本。附件銑頭設置的C軸部分，占據了原有機床Z軸行程的部分空間，減少了機床有效加工行程。且傳統的附件銑頭的C軸要么只能連續旋轉，要么只能分度定位，無法集成兩種功能，使得加工受到限制。

（2）創新點

本項目產品主要研究滑枕內置C軸結構，解決附件銑頭C軸功能重復性設置，C軸占用有效加工空間，C軸無法集成連續旋轉和分度定位等技術問題。

采用主要技術方案：滑枕橫截面為600×600mm正方形，方滑枕相對的兩個側面各設置有一對導軌副，另外一個側面設置有直線測量系統，方滑枕頂端設置有連接液壓平衡的支架。方滑枕內部設置有主軸驅動系統，集成有C軸，包括C軸主軸、力矩電機以及定位夾緊系統，C軸主軸底部設置有附件銑頭松夾系統，附件銑頭可通過銑頭松夾系統與C軸主軸連接，實現C軸旋轉（見圖4）。

圖4 內置 C 軸結構示意圖

4.新型環保的礦物鑄件新材料的應用

（1）概要

鑒于國內環保壓力的大增，傳統鑄鐵件已無法滿足公司生產需求，礦物鑄件是一種面向未來的環保材料，它是以人造花崗石為主要原料，環氧樹脂為輔料，加入流動劑、固化劑等添加劑，經過混合攪拌、振動密實而制成的新型礦物鑄造產品，具有良好的熱穩定性和抗震性，更節能環保，故以其價格和性能的優勢在某些應用方面可以替代傳統的鑄鐵。

（2）創新點

本項目產品床身采用整體式結構，左右兩側各三節床身拼接而成，這種結構橫梁在全支撐床身上運動，保證了機床的整體剛性和穩定性，圖5為礦物鑄件材料床身整體結構示意圖。

圖5 礦物鑄件材料床身整體結構示意圖

該床身長度為4000mm，可根據客戶需求增加床身進行拼接，保證橋式龍門的可擴展性，故在立柱1的側邊，鑄造有鋼板2，在鋼板2上再進行打孔攻絲，進行立柱的連接固定，可自由拓展X軸行程。在床身1底面鑄造有鋼板3，在鋼板3上攻絲，與機床墊鐵連接。

5.雙刀柄自動換刀系統的應用

（1）概要

一般的龍門鏜銑加工中心換刀機構只設置有兩套刀爪，只能實現一種刀柄刀具的自動更換。當龍門鏜銑加工中心配置功能銑頭時，若要實現自動換刀，只能配置與主銑頭刀柄形式相同的銑頭，則銑頭功能受到限制；若配置不同刀柄形式的銑頭，則無法實現自動換刀。

（2）創新點

為實現不同的切削功能，本項目產品配置多個功能銑頭（見圖6）；為最大程度的提高機床的自動化水平，在加工中心的后側配置有自動換刀系統2（見圖7），自動換刀系統設置有刀庫3和換刀臂4。刀庫中布置兩種刀柄形式的刀套，換刀臂為十字結構，其中兩相對的刀爪為HSK-A63刀柄，另外兩相對刀爪為HSK-A100刀柄。通過四個刀爪與刀庫的配合，實現不同刀柄形式的功能銑頭的自動換刀，進一步提升機床的加工效率。

圖6 機床整體布局

圖7 自動換刀系統

四、成果應用及推廣情況

本項目產品與日本SNK、德國瓦德利希-科堡、意大利FIDIA等公司同類產品的先進水平相當，部分參數如快移速度高達28m/min，比國內一般的10m/min提高了近3倍，并高于國外先進水平，具有顯著的技術優勢。

本項目將重點突破精密五軸機床關鍵技術，有效填補國內空白，新材料、新技術、新工藝在該項目上的應用，將顛覆傳統機床行業的認知，進一步提高國內橋式五軸鏜銑加工中心的技術水平和整體品質，提升我國五軸機床的創新能力和核心競爭力，帶動高端裝備制造業的發展；還可進一步打破國外的先進技術壟斷，替代進口，為國家節約更多的外匯；并將促進當地的經濟增長，帶動社會就業，實現良好的經濟、社會效益。 □