用于曲軸加工的重型五軸車銑復(fù)合機床研究

溫華棟

摘要：近些年來，一些大型零部件在生產(chǎn)加工當(dāng)中經(jīng)常存在著加工難的問題，而且一些零件很難實現(xiàn)有效車銑復(fù)合加工融合，而本文則針對曲軸加工的相關(guān)工藝展開分析，同時提出HTM125系列車床的相關(guān)結(jié)構(gòu)介紹。希望本文的論述，能夠為國產(chǎn)機床實現(xiàn)進一步良好發(fā)展，提升國內(nèi)自主品牌效應(yīng)，提供一些幫助和借鑒。

關(guān)鍵詞：曲軸;加工;重型五軸車銑復(fù)合機床

中圖分類號：TG502.31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0085-03

0? 引言

近些年來，伴隨著我國大型工程項目不斷發(fā)展，我國許多大型工程項目的零部件急需要進行生產(chǎn)和加工[1]。這些大型工程項目包含水利工程、船舶建造、礦山機電工程等等。而且一部分大型零部件，存在著國內(nèi)加工難的問題。由此就導(dǎo)致在某種程度上，需要完全依賴進口或者進口設(shè)備加工的不良情況。由此就需要國內(nèi)的相關(guān)機床廠家，不斷地針對此類零部件設(shè)計出更加適宜的加工設(shè)備。這些大型零部件的特點主要表現(xiàn)為尺寸較大、重量較大、加工工序繁多、加工過程漫長。而且在加工過程當(dāng)中，需要采用多臺設(shè)備、多道工序才能加工完成。在加工過程當(dāng)中，還需要應(yīng)用多種類的刀具，并配合粗加工精加工車床和銑床才能夠完成[2]。由此不難看出，此類加工零件明顯存在著加工效率低、依賴進口設(shè)備的不良情況，國外相對于車銑復(fù)合中心的研發(fā)、使用時間較早，在此方面擁有著十分成熟的開發(fā)技術(shù)和加工工藝。譬如奧地利的WFL公司德國的尼爾森公司，在車系復(fù)合加工中心的研發(fā)設(shè)計、裝配和加工等方面都是處于國際的領(lǐng)先地位[3]。車銑復(fù)合加工中心通常配偶單一的旋轉(zhuǎn)刀架、旋轉(zhuǎn)刀具和車削刀具，并且全身動力軸較長、剛性相對不高。而本文則針對此類零件的加工問題進行了探究，同時提出由我廠所自主研發(fā)、生產(chǎn)的重型五軸車銑復(fù)合機床，并圍繞此機床展開全面的探究。

1? 大型零件加工工藝分析

1.1 典型零件

本文首先結(jié)合船舶零部件的曲軸和軋輥為例（見圖1和圖2），此類原材料零件多數(shù)是鑄鐵或者鍛鋼。毛坯余量一般在20毫米到30毫米之間，并且毛坯不夠均勻、存在著相對較高的硬度、外形的表現(xiàn)多數(shù)是長軸，表現(xiàn)多處有曲柄。曲柄的回轉(zhuǎn)軸明顯存在著和主軸徑不同心的情況，并且曲柄圍繞主軸徑存在著較大的回轉(zhuǎn)直徑，曲柄輪廓在多個部位表現(xiàn)為不同心的圓弧。曲軸兩端其有孔相對較深，曲柄上其斜油孔相對角度不夠規(guī)則，因此需要使用重型五軸車銑復(fù)合機床，來完成此類零部件的相關(guān)加工。

1.2 未采用重型五軸車銑復(fù)合機床前曲軸加工工藝

我國國內(nèi)某零件加工企業(yè)加工上述曲軸類零部件，所使用的加工工藝是由多道工序、多種設(shè)備協(xié)同配合來完成的。首先，使用鏜床將中心孔進行打出，并對兩端的斷面進行找平。然后將此零件轉(zhuǎn)移到雙頭主軸車床上，進行出粗車和精車，主要車削部位為主軸徑和曲柄外側(cè)。之后對兩主軸箱上，專用夾具來進行相關(guān)調(diào)整，讓連桿頸轉(zhuǎn)移到主軸的回轉(zhuǎn)直徑方向上。之后開展工件定位、工件找正夾緊工件，并對連桿徑和曲柄內(nèi)側(cè)進行粗加工，以及精加工;之后將零部件移至銑床上。對于零件進行粗銑和精銑;最后，再將工件放置于鉆床之上，對于斜油孔、兩端深孔，進行鉆削加工。

此種工藝加工方案是建立在普通機床架構(gòu)之上，來加工完成的。其最大的缺點是工作效率十分低下、消耗掉大量的工時，以及大量的人力。而且在加工過程當(dāng)中，對于夾具的精度要求相對較高，如果多道工序之中存在某一道工序的偏差，那么就會對工件的整體加工精度產(chǎn)生不良影響。

1.3 采用進口臥式車銑復(fù)合加工中心曲軸加工工藝

近些年來，伴隨著我國船舶行業(yè)的良好發(fā)展，曲軸在全部行業(yè)當(dāng)中得到了有效的應(yīng)用。所以，曲軸的加工精度，以及需求量也在呈現(xiàn)出逐年上升的態(tài)勢。而在曲軸加工領(lǐng)域之中，奧地利的WFL公司，德國的尼爾森公司都是處于國際領(lǐng)先地位。而為了實現(xiàn)避免對進口過度的依賴，必須要不斷的鉆研國產(chǎn)化的曲軸重型五軸復(fù)合車銑加工機床的相關(guān)研究。此類機床，其要實現(xiàn)對曲軸的半加工和靜加工，要盡量實現(xiàn)一次性的裝卡。而伴隨著曲軸的應(yīng)用需求不斷增多，國內(nèi)的相關(guān)機床制造商也在不斷的鉆研探索，并且推出了更加優(yōu)質(zhì)的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型五軸車銑復(fù)合機床，而本文則針對HTM 125系列重型五軸車銑復(fù)合機床，進行了探究。

2? 重型五軸車銑復(fù)合機床技術(shù)

2.1 總體布局

HTM125系列重型五軸車銑復(fù)合機床的總體布局，詳見圖3所示，整體上其結(jié)構(gòu)分為以下幾個方面，分別是其床身為斜床身、兩側(cè)裝配由左側(cè)主軸箱和右側(cè)主軸箱、立柱為側(cè)掛式單立柱、在兩側(cè)的掛箱上分別設(shè)有雙刀架的機構(gòu)、刀架的進刀方向為重力方向，并配有刀具檢測刀庫管理、水冷裝置、恒溫冷卻裝置、排屑裝置、電氣保護裝置和防護裝置，所使用的系統(tǒng)是西門子840D系統(tǒng)。

設(shè)備的控制軸為（X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2、 B1、 B2、Cf1、Cf2）軸，可以實現(xiàn)五軸任意方向聯(lián)動，兩側(cè)有雙主軸，主要是實現(xiàn)雙主軸CF f軸同步功能，并配有中心架和第二主軸，可以沿著Z軸方向進行自主控制的移動[4]。車銑復(fù)合其加工功能，主要是實現(xiàn)重載刀具鏜削和深孔加工，并配有高壓內(nèi)冷卻、檢測機構(gòu)，檢測方面可以實現(xiàn)在線的刀具檢測管理。

2.2 與國外同規(guī)格機床技術(shù)參數(shù)對比

對比奧地利WFL的M120機床，本系列HTM125機床相對于功率扭矩承載能力等方面，存在著十分突出的優(yōu)點。而且此機床的生產(chǎn)突破了國外對于曲軸相關(guān)加工的技術(shù)封鎖，實現(xiàn)了有效的技術(shù)突破。車銑復(fù)合加工中心其有刀架大直徑刀盤的配置，可以在一臺機床上連續(xù)實現(xiàn)粗、精加工的有效完成，進一步收獲了高效率、高精度的加工情況。左側(cè)刀架可以與車床C軸實現(xiàn)五軸聯(lián)合插補移動。而具體的與國外同規(guī)格機床參數(shù)對比，詳見表1所示。

3? 設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新

3.1 各軸導(dǎo)軌、絲杠、齒條布置結(jié)構(gòu)

在導(dǎo)軌、絲杠、齒條布置結(jié)構(gòu)的技術(shù)創(chuàng)新方面，導(dǎo)軌實現(xiàn)了與水平面從低角度的結(jié)構(gòu)，具體傾斜角度為30度。床身平面采用磨削加工，進一步保證不會出現(xiàn)屑死角。床身后里面裝配斜齒齒條，主要作用是用于幫助立柱實現(xiàn)縱向的移動，齒條下部裝配有光柵尺，光柵尺生產(chǎn)廠家為德國海德漢，進一步實現(xiàn)立柱在縱向移動，形成了閉環(huán)的控制。床身全長支撐在多個可調(diào)墊鐵上，保證其擁有更加理想的高剛性，更加適合曲軸的重載加工。立柱所采用的結(jié)構(gòu)是側(cè)掛式，上面配有輔助導(dǎo)軌。Z軸使用的驅(qū)動機構(gòu)為主從驅(qū)動機構(gòu)，可以通過減速器對于齒輪軸進行直接的傳動。幫助其在齒條上形成良好的運動。立柱左右兩側(cè)配有雙驅(qū)動機構(gòu)，雙驅(qū)動機構(gòu)主要作用。可以保證進給機構(gòu)在X軸上良好的位移 移動。立柱左刀架裝配有雙光柵尺，生產(chǎn)廠家也為德國海德漢。光柵尺的作用主要是對X1軸方向移動位移進行檢測，對于運動實現(xiàn)有效的差補，具體導(dǎo)軌、絲杠、齒條布置結(jié)構(gòu)，詳見圖4所示。

3.2 左右主軸箱

主軸箱潤滑采用恒溫油潤滑，主軸前支撐外部配有油冷卻循環(huán)裝置，可靠的控制了主軸的溫升。機床主軸軸承選用進口的高精度軸承，兩支承結(jié)構(gòu)，不僅使其具有足夠的剛度，加工、裝配工藝性也好。主軸前端裝有液壓剎車裝置，將主軸與箱體之間實現(xiàn)近于剛性連接，提供必要的銑削制動扭矩。左右主軸箱如圖5所示。

C軸進給采用1FT6交流伺服電機驅(qū)動，經(jīng)無間隙減速箱降速后，在油缸的擺動下，帶動安裝在減速箱上的小齒輪與此大直齒輪嚙合，使主軸獲得合理的銑削扭矩。主軸后端安裝有海德漢角度編碼器，實現(xiàn)與其它軸的聯(lián)動。右主軸箱可沿床身上的齒條移動，液壓鎖緊，配有液壓驅(qū)動的可伸縮頂尖。左主軸箱有Z向固定和可移動兩種。

3.3 左側(cè)進給機構(gòu)

左側(cè)進給機構(gòu)配備旋轉(zhuǎn)刀具和車削刀具的安裝位置，其中旋轉(zhuǎn)刀具可以進行銑削、鉆削和攻絲;車削刀具可以進行外圓和內(nèi)孔等部位的車削加工，可選配通過轉(zhuǎn)位油缸實現(xiàn)刀具180°轉(zhuǎn)位，無需換刀即可對工件的另一側(cè)面進行加工的模塊;B軸可在-90～+90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并配有2.5°位置齒盤鎖緊和任意位置液壓鎖緊機構(gòu)。同時在該進給機構(gòu)上可以選配加長刀桿，用于特殊部位加工。

左側(cè)進給機構(gòu)采用內(nèi)置式技術(shù)，西門子電主軸配雙速減速機，向刀具主軸提供了2400Nm的動力、3150rpm轉(zhuǎn)速。用于安裝電主軸和減速機的箱體孔為多階梯深孔形式，機加難度大，采用灌膠工藝有效的解決了這一難題。

3.4 右側(cè)進給機構(gòu)

右側(cè)進給機構(gòu)為滑枕結(jié)構(gòu)，78kW的主軸電機經(jīng)齒型帶及自制雙速減速箱的減速后，可提供12000Nm的輸出扭矩。滑枕在Y2軸方向的運動通過安裝在右側(cè)滑板上的伺服電機、減速機帶動滾珠絲杠實現(xiàn)的;定點銑削時，采用多個油缸鎖緊Y2軸，避免絲杠受力，保證機床的精度;刀具可沿Y2軸進行旋轉(zhuǎn)，兩個工作位置可保證一次裝卡下對曲軸兩端的連桿頸的加工時，不與兩端的卡盤發(fā)生干涉。右側(cè)進給機構(gòu)詳見圖6所示。

3.5 刀庫結(jié)構(gòu)介紹

本機床配有換刀機械手、刀庫。刀庫位于立柱左側(cè)面，由立柱帶動，落于床身導(dǎo)軌上。為左側(cè)進給機構(gòu)提供刀具。另可選配第二刀庫，該刀庫位于左主軸箱上方，五個刀位，自制V型定位塊，彈簧片鎖緊，配有巴魯夫檢測開關(guān)。該刀庫的配置，對大型設(shè)備尤為重要，可有效的實現(xiàn)自動換刀，避免手動換刀安全性能低，效率低。刀具長度超過500mm的，安裝在第二刀庫內(nèi)（如深孔鉆）。

3.6 拖動機構(gòu)

HTM125系列第二主軸和中心架的移動采用了專用的拖動機構(gòu)。該機構(gòu)動力固定在床身右端，它驅(qū)動長達10m的燕尾導(dǎo)軌在Z向上運動，配合中心架上的插銷機構(gòu)、第二主軸上的齒條機構(gòu)，實現(xiàn)對任意部件單元的Z向位置的改變。該機構(gòu)較采用多個伺服電機分別驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式，性價比高。

3.7 與雄克聯(lián)合開發(fā)的專用中心架

卡盤多種配置形式：采用增力機構(gòu)自制的手動四爪卡盤，德國雄克手動四爪卡盤，德國雄克自定心氣動卡盤，用戶可根據(jù)主軸需要的轉(zhuǎn)速選配。

4? 發(fā)展?fàn)顩r

近些年來，我國國內(nèi)生產(chǎn)廠家針對于重型五軸車銑復(fù)合機床，進行了相關(guān)的設(shè)計和研究。但是加工直徑通常是被設(shè)定在1250mm，其配有的外銑刀盤為1400mm，承重為30噸左右。所采用的結(jié)構(gòu)是斜床身、單立柱、全防護和半防護。而相對于中速機曲軸大型五軸重載機床來說，在國內(nèi)相關(guān)機床生產(chǎn)廠家的實際設(shè)計和生產(chǎn)過程當(dāng)中。并沒有實現(xiàn)有效的裝配和設(shè)計。因此是，與國際上的五軸車銑加工中心很難有效的匹敵，國際的知名企業(yè)主要有奧地利公司W(wǎng)FL公司、德國的尼爾森公司[6]。這兩家企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品，所用的床身結(jié)構(gòu)為斜床身、上刀方向為斜后方，但是中心架承載能力不夠理想，并不能夠?qū)崿F(xiàn)重載的大規(guī)格外銑加工[5]。而同比起國際機床來說，HTM125系列機床，其在精度上和重載加工方面表現(xiàn)的十分優(yōu)秀，而且最主要體現(xiàn)是價格優(yōu)勢十分巨大。此機床在生產(chǎn)之后，國內(nèi)相關(guān)加工企業(yè)紛紛采購，如此不難看出，我國的整體裝備水平、設(shè)計水平和加工水平，同比起國際先進技術(shù)來說，都實現(xiàn)了有效的追趕，甚至是在某一方面明顯超越對方，進一步也為我國數(shù)控機床的發(fā)展，奠定下濃厚的技術(shù)基礎(chǔ)和實力體現(xiàn)。

5? 經(jīng)濟及社會效益

近些年來伴隨著我國經(jīng)濟不斷飛速發(fā)展，數(shù)控機床呈現(xiàn)出精度、質(zhì)量不斷向上飛躍的良好發(fā)展態(tài)勢。但是同比起大型重載五軸車銑復(fù)合機床的生產(chǎn)研發(fā)來說，依舊與國際發(fā)達國家存在著一定的差距，但是HTM125系列車床的誕生，突破了國際生產(chǎn)廠家的技術(shù)壟斷，也逐漸縮短了同國外機床廠家所產(chǎn)生的距離，為我國國際數(shù)控機床的核心競爭力提升，提供了極大的幫助，進一步也降低了國內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)廠家采購成本，減少了設(shè)備維護方面所需要投入的費用。HTM125系列機床為我國船舶領(lǐng)域、礦山領(lǐng)域、大型工程的相關(guān)零件加工，提供了巨大的幫助和偉大的貢獻，為相關(guān)行業(yè)提供了十分理想的技術(shù)支持和設(shè)備幫助，其最關(guān)鍵的體現(xiàn)還是在產(chǎn)品的加工效率方面，以及技術(shù)知識方面，并且為相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展提供了極大的保障。

參考文獻：

[1]鄭兵.車銑復(fù)合加工過程阻尼與切削穩(wěn)定性研究，2018.

[2]李健.淺談車銑復(fù)合加工的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用前景，2019.

[3]劉亞峰，李云霞，張霞妹，孫璐，張勇.新型復(fù)合材料加工用大型五軸車銑復(fù)合機床[J].裝備制造技術(shù)，2018（08）：1-4.

[4]鄒小堤，胡純.五軸聯(lián)動車銑復(fù)合制造工藝技術(shù)應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（信息與管理工程版），2018，36（04）：487-490.

[5]第十三屆中國國際機床展覽會（CIMT2013·北京）展品預(yù)覽（三）[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，2017（02）：63-99.

[6]于思遠.中國數(shù)控機床展覽會CCMT 2008參觀導(dǎo)引和重點展品介紹[J].制造技術(shù)與機床，2018（04）：13-28.