車銑復(fù)合功能部件設(shè)計(jì)應(yīng)用

金 利，金朝鮮

(陜西省機(jī)械研究院，陜西 咸陽 712000)

0 引 言

車銑復(fù)合數(shù)控機(jī)床在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)發(fā)展了二十幾年,并得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)近十年才起步,現(xiàn)仍以進(jìn)口國(guó)外設(shè)備技術(shù)為主，由于售價(jià)過高，使用量很少。由國(guó)內(nèi)市場(chǎng)調(diào)研及全國(guó)機(jī)床展獲取的需求信息分析，國(guó)內(nèi)機(jī)械加工領(lǐng)域?qū)囥姀?fù)合數(shù)控機(jī)床的實(shí)際需求很大。有眾多企業(yè)迫切需要設(shè)計(jì)制造一種既能夠?qū)崿F(xiàn)車削,又能夠?qū)崿F(xiàn)銑削﹑鉆孔﹑鏜孔﹑鉸孔﹑剛性攻絲及曲面加工的多功能的復(fù)合數(shù)控機(jī)床，且價(jià)格適中。發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)床廠家如德國(guó)DMG、日本山崎馬扎克等展示給我們的車銑復(fù)合數(shù)控機(jī)床，基本上就是1臺(tái)雙主軸(含雙C軸)數(shù)控車床和1臺(tái)四軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心的復(fù)合體，有9個(gè)伺服軸、1個(gè)銑削主軸和2個(gè)車削主軸，可以一次裝夾，完成復(fù)雜精密零件的復(fù)合加工，可實(shí)現(xiàn)曲面的五軸聯(lián)動(dòng)加工。因此研發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的車銑復(fù)合數(shù)控機(jī)床及關(guān)鍵功能部件很有必要。

裝有車銑復(fù)合功能部件的數(shù)控機(jī)床, 具有X、Y、Z、B、C五個(gè)伺服運(yùn)動(dòng)軸和+車削主軸+銑削主軸+刀庫+自動(dòng)刀架”五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床， 在數(shù)控系統(tǒng)的控制下, 能實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件復(fù)雜曲面的五軸聯(lián)動(dòng)加工, 可一次裝夾完成復(fù)雜回轉(zhuǎn)體零件的車削﹑銑削﹑鉆削﹑鏜孔﹑鉸孔﹑攻絲等多工序加工, 大大提高零件的加工效率和質(zhì)量。

1 車銑復(fù)合功能部件組成﹑工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

在普通數(shù)控機(jī)床上設(shè)計(jì)安裝“車銑復(fù)合功能部件”其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車銑復(fù)合功能部件

該功能部件包含兩個(gè)部分：第一部分為銑削運(yùn)動(dòng)裝置，主要完成銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、剛性攻絲等加工工序。第二部分為車削運(yùn)動(dòng)裝置。

1.1 銑削運(yùn)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

銑削運(yùn)動(dòng)裝置由一個(gè)回轉(zhuǎn)B軸、一個(gè)直線Y軸和一個(gè)數(shù)字伺服銑削主軸(主軸結(jié)構(gòu)BT40)及液壓打刀缸組成,主要完成銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、剛性攻絲等加工工序。與此同時(shí)，在數(shù)控車床主軸箱后方加裝一套圓盤式刀庫(12把刀)，實(shí)現(xiàn)銑削主軸自動(dòng)換刀。回轉(zhuǎn)B軸由蝸輪、蝸桿、減速箱、中軸、制動(dòng)器動(dòng)盤連接法蘭、電磁制動(dòng)器、回轉(zhuǎn)臺(tái)面等組成。選用110STM06030交流伺服電機(jī)，經(jīng)過同步齒形帶(傳動(dòng)比3∶ 4)和雙導(dǎo)程蝸輪蝸桿副(傳動(dòng)比1∶ 90)驅(qū)動(dòng)立柱做擺轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)進(jìn)給B軸行程±105°，最小指令單位0.001°，進(jìn)給轉(zhuǎn)速范圍0～20 r/min，最高快速轉(zhuǎn)速25 r/min，剎車夾緊力矩800 NM，定位精度40″，重復(fù)定位精度20″，傳動(dòng)比1∶ 120，交流伺服電機(jī)功率1.8 kW、額定扭矩6 NM、額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

直線Y軸由立柱、滑板、滾珠絲杠副、阻尼器法蘭、超越離合阻尼器等組成，選用110STM06030交流伺服電機(jī)(帶抱閘)，經(jīng)過同步齒形帶(傳動(dòng)比3∶ 5)和滾珠絲杠副(導(dǎo)程5 mm)驅(qū)動(dòng)數(shù)字伺服銑削主軸沿立柱導(dǎo)軌做上下移動(dòng)。直線進(jìn)給Y軸行程350 mm，最小指令單位0.001 mm，進(jìn)給速度范圍0～7 500 mm/min，最高快速速度9 000 mm/min，定位精度0.02 mm/300 mm，重復(fù)定位精度0.01 mm/300 mm，傳動(dòng)比3∶ 5，交流伺服電機(jī)功率1.8 KW、額定扭矩6 NM、額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min、帶抱閘。

數(shù)字伺服銑削主軸由主軸﹑主軸殼體﹑電機(jī)安裝板﹑齒形帶輪副﹑軸承蓋﹑松拉刀桿等組成。選用180ST.HM32015交流伺服電機(jī)，經(jīng)過同步齒形帶(傳動(dòng)比1∶ 1)驅(qū)動(dòng)主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；液壓打刀缸主要完成刀具在銑削主軸上的裝卸。數(shù)字伺服銑削主軸為BT40結(jié)構(gòu)形式，轉(zhuǎn)速范圍0～3 000 r/min，主軸內(nèi)錐孔跳動(dòng)≤0.015 mm，主軸具有軸定向、剛性攻絲等功能，伺服電機(jī)功率5 kW，額定轉(zhuǎn)矩32 Nm,額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min、最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min，傳動(dòng)比1∶ 1。

1.2 車削運(yùn)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

車削運(yùn)動(dòng)裝置由單軸直線滑臺(tái)和一臺(tái)臥式8(或6)工位數(shù)控自動(dòng)刀架組成，滑臺(tái)采用液壓油缸驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)在車削加工和銑削加工時(shí)，前后兩個(gè)位置定位，前位置用于車削加工，后位置避免在銑削加工時(shí)銑削主軸與數(shù)控自動(dòng)刀架發(fā)生干涉。單軸直線滑臺(tái)行程為400 mm，可實(shí)現(xiàn)前后兩個(gè)位置定位，定位精度0.01 mm。

2 車銑復(fù)合功能部件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車銑復(fù)合功能部件整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。銑削運(yùn)動(dòng)裝置與車削運(yùn)動(dòng)裝置之間通過中滑板相互連接。銑削運(yùn)動(dòng)裝置與中滑板之間用5個(gè)M16螺釘和3個(gè)M12螺釘固定連接。車削運(yùn)動(dòng)裝置中刀架滑板底座與中滑板之間用8個(gè)M10螺釘和2個(gè)φ8錐銷固定連接。

回轉(zhuǎn)B軸結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，電磁剎車夾緊方式，并加裝磁環(huán)檢測(cè)裝置，提高了回轉(zhuǎn)進(jìn)給控制精度。設(shè)計(jì)蝸輪、蝸桿、減速箱、中軸、制動(dòng)器動(dòng)盤連接法蘭、電磁制動(dòng)器、回轉(zhuǎn)臺(tái)面等，選用推力軸承51132和51126，選用向心球軸承6016和6014。選用交流伺服電機(jī)110STM06030(1.8 kW 6 Nm 3 000 r/min),經(jīng)過同步齒形帶和雙導(dǎo)程蝸輪蝸桿副驅(qū)動(dòng)立柱做擺轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖2 回轉(zhuǎn)B 軸

直線Y軸如圖3所示，是實(shí)現(xiàn)銑削主軸升降進(jìn)給控制的裝置。進(jìn)給系統(tǒng)采用精密滾珠絲杠副傳動(dòng),絲杠規(guī)格FD3205-5-P4, 螺母為內(nèi)循環(huán)雙螺母法蘭式,通過銑削主軸殼體與滑板固連, 導(dǎo)軌選用矩形鑲鋼結(jié)構(gòu), 導(dǎo)軌面超音頻淬火處理, 立柱為龍門形式, 整體鑄造, 電機(jī)與滾珠絲杠之間用同步齒形帶傳動(dòng), 傳動(dòng)比為3∶ 5,滾珠絲杠頂部裝有超越離合阻尼器平衡裝置, 滑板向上運(yùn)動(dòng)時(shí), 它相當(dāng)于一個(gè)徑向軸承, 滑板向下運(yùn)動(dòng)時(shí), 通過調(diào)整碟形彈簧, 產(chǎn)生磨擦扭矩來平衡銑動(dòng)力主軸﹑滑板及銑削主軸的自重力。設(shè)計(jì)精密滾珠絲杠副﹑滑板﹑立柱﹑矩形鑲鋼導(dǎo)軌﹑壓板﹑軸承蓋﹑電機(jī)聯(lián)結(jié)法蘭﹑超越離合阻尼器平衡裝置等, 選用推力軸承, 型號(hào)為51204和向心軸承, 型號(hào)為6204。選用交流伺服電機(jī)110STM06030(1.8 kW 6 Nm 3 000 r/min帶抱閘)。

圖3 直線Y軸

數(shù)字伺服銑削主軸如圖4所示，采用BT40結(jié)構(gòu)型式,刀柄﹑拉釘﹑拉刀爪按BT40標(biāo)準(zhǔn)形式選購。 設(shè)計(jì)主軸﹑主軸殼體﹑電機(jī)安裝板﹑軸承蓋﹑齒形帶輪副﹑松拉刀桿等, 選用角接觸軸承, 型號(hào)為7014C和7013C。 交流伺服電機(jī)選用180ST.HM32015(5.0 kW 32 Nm 1 500 r/min) ,電機(jī)與主軸間用同步齒形帶1∶ 1傳動(dòng)。 在技術(shù)﹑結(jié)構(gòu)允許情況下, 也可直接安裝電主軸。

圖4 數(shù)字伺服銑削主軸

車削運(yùn)動(dòng)裝置采用精密滾珠絲杠副傳動(dòng)，絲杠規(guī)格FD2505-5-P4，螺母為內(nèi)循環(huán)雙螺母法蘭式，交流伺服電機(jī)選用110STM06030(1.8 kW 6 Nm 3 000 r/min)，電機(jī)與滾珠絲杠副用同步齒形帶3∶ 5傳動(dòng)。

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用效果

該功能部件連同車銑復(fù)合數(shù)控機(jī)床正在由陜西省機(jī)械研究院和陜西海力特精密機(jī)械有限公司共同試制中。該功能部件結(jié)構(gòu)緊湊﹑剛度好﹑傳動(dòng)精度高, 應(yīng)用該功能部件的車銑復(fù)合數(shù)控機(jī)床完全實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化, 成本大幅降低, 有利于推廣應(yīng)用。該功能部件的設(shè)計(jì)開發(fā),對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)車銑復(fù)合數(shù)控機(jī)床的發(fā)展起到積極影響。

4 結(jié) 語

針對(duì)國(guó)內(nèi)車銑復(fù)合數(shù)控機(jī)床及加工中心的發(fā)展現(xiàn)狀和前景, 設(shè)計(jì)開發(fā)了車銑復(fù)合功能部件。該產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)先，市場(chǎng)前景很好，對(duì)我國(guó)車銑復(fù)合數(shù)控機(jī)床的發(fā)展以及核心技術(shù)提升有極大的推進(jìn)作用，它的推廣應(yīng)用將會(huì)彌補(bǔ)我國(guó)機(jī)床領(lǐng)域這方面存在的短板，對(duì)推動(dòng)新一代智能制造技術(shù)，開發(fā)新一代智能數(shù)控機(jī)床將產(chǎn)生積極影響。