國產(chǎn)大中型立臥轉(zhuǎn)換式五坐標(biāo)銑車復(fù)合加工中心研發(fā)及測試

王華僑 ，張守明，董維新，劉亞峰，高嵩 ，鄭武

1.湖北三江航天紅陽機(jī)電有限公司 湖北孝感 432000

2.秦川機(jī)床工具集團(tuán)股份公司 陜西寶雞 721009

3.華中科技大學(xué) 湖北武漢 430073

4.武漢華中數(shù)控股份有限公司 湖北武漢 430223

1 序言

近年來五軸加工中心發(fā)展很快，不僅規(guī)格齊全，而且軟件、硬件功能也越來越強(qiáng)大。本文基于國產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)控制的大型五坐標(biāo)聯(lián)動銑車復(fù)合龍門玻璃鋼加工中心進(jìn)行研究，并且對其各項(xiàng)功能進(jìn)行測試。

2 五坐標(biāo)銑車復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)形式

國產(chǎn)大型銑車復(fù)合加工中心采用定柱動梁式龍門結(jié)構(gòu)形式（見圖1），主軸頭沿橫梁水平移動（X軸），工作臺前后移動(Y軸)，橫梁沿龍門立柱上下移動（Z軸），擺動主軸頭繞B軸做45°旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)工作臺（C軸）在車削工作時提供主切削力，在銑削加工時，實(shí)現(xiàn)數(shù)控旋轉(zhuǎn)分度，可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、B及C軸五軸聯(lián)動控制與加工。加工中心配有華中數(shù)控HNC-848C數(shù)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、整齊美觀的全封閉式防護(hù)罩、自動換刀裝置及吸塵除塵系統(tǒng)，加工中心實(shí)物如圖2所示。

圖1 銑車復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)

圖2 加工中心

為滿足新型復(fù)合材料加工需求，對機(jī)械部件進(jìn)行了二次防塵保護(hù)，并配有吸塵除塵系統(tǒng)，有效解決了加工過程中的環(huán)境污染問題。加工中心具有間隙補(bǔ)償、螺距補(bǔ)償、刀具補(bǔ)償、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)及自動報警顯示等功能，在一次裝夾中，可實(shí)現(xiàn)車、銑、鉆、鏜等多工序的復(fù)合加工，不僅減少了裝夾次數(shù)，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。可滿足航空航天、核工業(yè)、船舶和印刷等領(lǐng)域中復(fù)雜幾何形狀的零件、復(fù)雜平面/曲面和異型零件的加工制造要求。

2.2 銑車復(fù)合加工中心特點(diǎn)

銑車復(fù)合立臥式轉(zhuǎn)換運(yùn)動狀態(tài)如圖3所示，系統(tǒng)配備國產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)HNC848，采用高精密光柵尺、圓鋼柵尺及全閉環(huán)位置反饋控制，其中機(jī)床床身、立柱、橫梁、滑座、旋轉(zhuǎn)工作臺和主軸箱等主要基礎(chǔ)件及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件均采用鑄造結(jié)構(gòu)，確保機(jī)床具有高剛度和良好的精度穩(wěn)定性。X、Y、Z直線軸均采用高精度直線導(dǎo)軌支承，由伺服電動機(jī)帶動高精度滾珠絲桿來實(shí)現(xiàn)移動，對直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠采用雙層防護(hù)，以防止加工粉塵的污染。

圖3 銑車復(fù)合立臥式轉(zhuǎn)換運(yùn)動狀態(tài)

銑車復(fù)合旋轉(zhuǎn)工作臺支承采用交叉滾子軸承，驅(qū)動采用雙電動機(jī)帶動變速齒輪箱驅(qū)動工作臺旋轉(zhuǎn)，工作臺在車削工作時提供主切削力，在銑削工作時可實(shí)現(xiàn)數(shù)控旋轉(zhuǎn)分度。主軸系統(tǒng)采用繞45°回轉(zhuǎn)的B軸擺動頭，使主軸實(shí)現(xiàn)立、臥轉(zhuǎn)換，安裝車刀和旋轉(zhuǎn)刀具的主軸可使加工中心具有車、銑復(fù)合功能，實(shí)現(xiàn)車、銑加工。主軸配備HSK A100高速銑削刀柄及CAPTO車削刀柄，設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)10000r/min。機(jī)床左側(cè)裝配40把鏈?zhǔn)阶詣訐Q刀裝置，換刀時間＜5s。

加工中心配備平行于床身的2個螺旋排屑器和1個鏈板式排屑器，這樣可以將切屑順利地排入積屑箱。采用自動潤滑系統(tǒng)，定量對各軸及其他運(yùn)動副自動潤滑，自帶系統(tǒng)報警提示，以保證機(jī)床穩(wěn)定工作。機(jī)床配有大功率吸塵除塵系統(tǒng)，有效地解決了復(fù)合材料加工過程中粉末的收集與處理，以減少對環(huán)境的污染。加工中心切削轉(zhuǎn)速高，機(jī)床主體及電氣系統(tǒng)防護(hù)等級高，切削粉塵大，環(huán)境污染大，不能被切削液和液壓油污染，機(jī)床防護(hù)系統(tǒng)采用全封閉機(jī)床的防護(hù)設(shè)計與制造，導(dǎo)軌采用雙層防護(hù)設(shè)計與制造，刀庫、頭庫通過防護(hù)罩防護(hù)設(shè)計與制造，機(jī)床電氣系統(tǒng)采用單獨(dú)的防護(hù)設(shè)計與制造。

2.3 銑車復(fù)合加工中心主要參數(shù)

該大型銑車復(fù)合加工中心填補(bǔ)了國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的空白，具體的技術(shù)規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 銑車復(fù)合加工中心技術(shù)參數(shù)

3 核心功能部件系統(tǒng)解決方案

3.1 銑車復(fù)合雙驅(qū)轉(zhuǎn)臺

銑車復(fù)合雙驅(qū)轉(zhuǎn)臺采用雙電動機(jī)驅(qū)動，通過雙速換擋齒輪箱驅(qū)動工作臺回轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臺在車削工作時，電動機(jī)以主從模式控制兩個電動機(jī)的功率疊加，可以實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩切削，為車削主軸提供主切削力。在銑削工作時，兩個電動機(jī)可以轉(zhuǎn)換為電氣預(yù)載模式，可使數(shù)控旋轉(zhuǎn)的C軸消除反向間隙，實(shí)現(xiàn)數(shù)控旋轉(zhuǎn)分度。轉(zhuǎn)臺支承采用交叉滾子軸承，該軸承承載大，能承受高傾覆力矩，保證了工作臺的徑向和軸向剛度。在工作臺旋轉(zhuǎn)中心裝有高精度反饋裝置，對臺面（C軸）進(jìn)行位置反饋和對車削主軸進(jìn)行速度反饋，保證了加工工件分度精度和車削精度。雙驅(qū)轉(zhuǎn)臺運(yùn)動及實(shí)物如圖4、圖5所示。

圖4 雙驅(qū)轉(zhuǎn)臺驅(qū)動運(yùn)動示意

圖5 雙驅(qū)轉(zhuǎn)臺實(shí)物

3.2 主軸銑頭45°復(fù)合擺動

擺動主軸頭結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中繞45°回轉(zhuǎn)的B軸擺動主軸頭，在－30°～180°擺動，0°時為立式，180°為臥式，可實(shí)現(xiàn)主軸立、臥轉(zhuǎn)換。B軸采用力矩電動機(jī)直接驅(qū)動，以恒力矩輸出動力，采用全閉環(huán)位置反饋，具有大轉(zhuǎn)矩、承載能力強(qiáng)和動態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)。帶有自動鎖緊機(jī)構(gòu)，在斷電情況下能自動鎖緊。主軸采用電主軸結(jié)構(gòu)，具有車、銑復(fù)合功能，既可安裝車刀，也可安裝旋轉(zhuǎn)刀具，實(shí)現(xiàn)車削、銑削復(fù)合加工。主軸帶有車削自動鎖緊機(jī)構(gòu)，保證車削剛性。車削刀具與銑削刀具在刀庫上可自動交換，提高加工效率。配備的銑車主軸功率、轉(zhuǎn)矩曲線如圖7所示，通過數(shù)據(jù)可以看出，這種配置既可以實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩低速切削，又可以實(shí)現(xiàn)鋁合金、復(fù)合材料的高速切削。

圖6 45°擺動主軸頭結(jié)構(gòu)示意

圖7 銑車主軸功率、轉(zhuǎn)矩曲線

3.3 高效除塵系統(tǒng)及防護(hù)

粉塵從除塵器進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，煙塵進(jìn)入預(yù)處理裝置，大顆粒的粉塵和火花被分離后直接落入集塵盒，較細(xì)的粉塵進(jìn)入除塵器過濾段，粉塵氣體均勻的流入過濾器，粉塵吸附在濾筒外表面，在負(fù)壓作用下過濾后的潔凈氣體進(jìn)入濾筒內(nèi)，再經(jīng)出風(fēng)口進(jìn)入大氣。規(guī)避粉塵污染裝備采取了導(dǎo)軌密封防護(hù)措施，如圖8所示。

圖8 導(dǎo)軌密封防護(hù)結(jié)構(gòu)

4 華中數(shù)控系統(tǒng)配套解決方案

華中數(shù)控H N C848高檔數(shù)控系統(tǒng)框架（見圖9），它不僅具有8軸聯(lián)動的控制功能，而且支持8通道。系統(tǒng)最小分辨率為0.001μm，插補(bǔ)時間為0.125ms，G代碼前瞻段數(shù)可達(dá)2000段。

圖9 華中數(shù)控HNC848高檔數(shù)控系統(tǒng)

1）華中數(shù)控HNC848系統(tǒng)和五坐標(biāo)機(jī)床配套。根據(jù)航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)和實(shí)際加工要求，開展了基于零件工藝性和機(jī)床性能的研究，包括基于機(jī)床機(jī)構(gòu)參數(shù)的加工精度與控制模塊的開發(fā)，分別進(jìn)行高檔數(shù)控系統(tǒng)與六軸龍門玻璃鋼加工中心雙模式五坐標(biāo)聯(lián)動匹配性、適應(yīng)性技術(shù)研究，基于六軸雙模式五坐標(biāo)聯(lián)動后處理模塊開發(fā)等工作內(nèi)容。通過研究及測試，機(jī)床的定位精度進(jìn)行分析和測試、運(yùn)動精度及功能可靠性均滿足要求。

2）機(jī)床定位精度與運(yùn)動精度分析與測試。依據(jù)復(fù)合材料航天結(jié)構(gòu)件的工藝需求，有選擇性地進(jìn)行各運(yùn)動部位在數(shù)控裝置控制下運(yùn)動所能達(dá)到的直線運(yùn)動定位精度（X、Y、Z）和重復(fù)定位精度、回轉(zhuǎn)定位精度（A、B、C）、回轉(zhuǎn)運(yùn)動重復(fù)定位精度及各軸機(jī)械動態(tài)特性等控制保障。功能可靠性和精度保持性分析與試驗(yàn)方面有選擇性地進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、主軸和進(jìn)給軸加載試驗(yàn)、實(shí)際切削試驗(yàn)、空運(yùn)轉(zhuǎn)加速試驗(yàn)、安全試驗(yàn)、進(jìn)給軸和旋轉(zhuǎn)軸的精度保持性測試以及主軸回轉(zhuǎn)精度保持性測試等。

5 五坐標(biāo)機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)件加工檢測

5.1 國家標(biāo)準(zhǔn)三坐標(biāo)立式與臥式綜合測試

針對五坐標(biāo)機(jī)床有立式和臥式兩種加工狀態(tài)，且需按照標(biāo)準(zhǔn)的三軸國家標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行加工，還增加了2處3°斜角檢測斜度精度，增加4處圓孔檢測孔的位置度，圓孔中增加臺階孔檢測兩孔的同軸度。經(jīng)加工及檢測，產(chǎn)品合格，如圖10所示。

圖10 立臥轉(zhuǎn)換三坐標(biāo)聯(lián)動標(biāo)準(zhǔn)件試驗(yàn)切削件

5.2 五軸國際標(biāo)準(zhǔn)NASA及S件加工測試

圖11 為五軸聯(lián)動側(cè)刃加工國際標(biāo)準(zhǔn)五坐標(biāo)NASA件，圖12為五軸聯(lián)動側(cè)刃加工中國國際標(biāo)準(zhǔn)五坐標(biāo)S件，經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)加工測試，產(chǎn)品表面質(zhì)量合格，精度達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 國際標(biāo)準(zhǔn)五坐標(biāo)NASA件

圖12 中國國際標(biāo)準(zhǔn)五坐標(biāo)S件側(cè)刃切削測試

6 金字塔形件五坐標(biāo)加工測試

某金字塔形件（見圖13）采用五軸銑削加工成形，其綜合考核了五軸端銑、五軸側(cè)銑、五軸鉆孔、五軸鏜孔及五軸攻螺紋等綜合反應(yīng)五坐標(biāo)機(jī)床的整體性能指標(biāo)。針對不同類型的五軸機(jī)床，可分別采用鋁合金、不銹鋼、鈦合金和高溫合金等材料進(jìn)行相應(yīng)的高速切削、強(qiáng)力切削，從而綜合考核五坐標(biāo)機(jī)床及其配套的刀具，在不同行業(yè)進(jìn)行機(jī)床綜合驗(yàn)收及應(yīng)用驗(yàn)證的判定。

圖13 金字塔形件

6.1 五軸三聯(lián)動粗加工

正式加工塔形件前，分別完成機(jī)床三維模型運(yùn)動仿真構(gòu)建、后處理程序開發(fā)和程序加工機(jī)床運(yùn)動模擬仿真。粗加工使用XD20R0銑刀，在風(fēng)冷的冷卻條件下，留0.4mm余量，對2A12的鋁塊進(jìn)行粗加工，達(dá)到了粗加工要求無過切現(xiàn)象。五軸三聯(lián)動銑削粗加工分為立式和臥式兩種狀態(tài)下的鏜銑4處φ16mm的銷孔、鉆側(cè)壁槽上的4處φ8.5mm底孔并剛性攻螺紋M10×1.5mm，經(jīng)過檢測后合格。

6.2 五軸底刃加工斜面

使用φ10mm端銑刀底刃進(jìn)行五軸聯(lián)動端面加工，基本滿足要求，但是加工平面有小的凹痕，深度為0.01mm，還需繼續(xù)優(yōu)化。

6.3 五軸側(cè)刃加工斜面

使用XD10R0 側(cè)刃半精加工金字塔外形塔身，表面粗糙度基本滿足要求，但在圓角拐角處有縱向的凹陷（見圖14），其深度為0.02～0.04mm。通過對曲面進(jìn)行離散化后重新編制程序并進(jìn)行精加工，滿足表面粗糙度要求。

圖14 圓角拐角處有縱向的凹陷

6.4 DMU125P五軸聯(lián)動對比切削

針對上述五軸聯(lián)動側(cè)刃和底刃加工質(zhì)量，使用DMU125P設(shè)備分別加工了如下兩個試驗(yàn)件，在DMU12P機(jī)床上加工得較好。選用DMU125P是因該設(shè)備結(jié)構(gòu)為工作臺旋轉(zhuǎn)C軸，機(jī)床頭為45°傾斜B軸，結(jié)構(gòu)運(yùn)動方式同本銑車復(fù)合加工中心基本完全相同，運(yùn)動插補(bǔ)合成原理方式相同，使用進(jìn)口設(shè)備加工，以此驗(yàn)證對比。采用進(jìn)口高檔機(jī)床DMU125P進(jìn)行金字塔件及NASA件銑削對比，經(jīng)檢測對比分析，采用國產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)所控制的大型銑車復(fù)合加工中心達(dá)到國外高檔機(jī)床同等技術(shù)水準(zhǔn)。

7 結(jié)束語

基于國產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)控制的大型五坐標(biāo)聯(lián)動銑車復(fù)合龍門玻璃鋼加工中心研究應(yīng)用示范，所取得的技術(shù)創(chuàng)新亮點(diǎn)較多。具體有如下幾個方面。

1）采用固定式龍門橫梁雙驅(qū)+銑車復(fù)合旋轉(zhuǎn)工作臺整體結(jié)構(gòu)，通過雙電動機(jī)驅(qū)動橫梁上下移動，實(shí)現(xiàn)了橫梁8m/min高速升降的平穩(wěn)性和精確性，有利于減小加工過程中的刀具振顫；規(guī)避單電動機(jī)驅(qū)動及切削運(yùn)動過程中的不平穩(wěn)性。

2）系統(tǒng)采用X、Y、Z三個線性軸+主軸復(fù)合擺頭+旋轉(zhuǎn)工作臺五坐標(biāo)配置模式，通過12000r/min的HSK A100主軸刀柄配置CAPTO車削刀柄共用1個刀庫，實(shí)現(xiàn)五坐標(biāo)聯(lián)動銑車復(fù)合加工。不但實(shí)現(xiàn)了箱體類零件的五面體立臥轉(zhuǎn)換加工，同時可以利用回轉(zhuǎn)工作臺進(jìn)行艙體類零件五軸聯(lián)動加工，有效拓寬了產(chǎn)品的加工對象；同時利用回轉(zhuǎn)工作臺高速車削功能，實(shí)現(xiàn)了艙體外型面及端面的車削加工。

3）采用國產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)HNC848控制，各伺服驅(qū)動電動機(jī)全部采用國產(chǎn)電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個線性軸分別轉(zhuǎn)速達(dá)到15m/min、12m/min和8m/min，復(fù)合擺頭5r/min，回轉(zhuǎn)工作臺5r/min的銑削速度和150r/min的車削速度；采用RTCP編程控制加工中心刀具；基于UGNX模式的五坐標(biāo)聯(lián)動銑削+立式端面車削+臥式外圓車削的車銑復(fù)合自行切換，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)機(jī)床的安全自主可控。

4）采用力矩電動機(jī)直接驅(qū)動復(fù)合擺頭主軸，配備HSKA100主軸刀柄，通過20kW的主軸電動機(jī)及201N·m的恒轉(zhuǎn)矩切削，既可以實(shí)現(xiàn)鋁合金、復(fù)合材料的高速精密切削，也可以實(shí)現(xiàn)不銹鋼、鈦合金及高溫合金等難加工材料的強(qiáng)力切削。

5）大力矩驅(qū)動和鎖緊高速精密旋轉(zhuǎn)工作臺，可實(shí)現(xiàn)5r/min精密銑削和150r/min高速旋轉(zhuǎn)車削。基于5r/min的精密回轉(zhuǎn)工作臺控制聯(lián)合主軸復(fù)合擺頭實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動；利用150r/min高速旋轉(zhuǎn)工作臺，通過配置CAPTO刀柄，同時實(shí)現(xiàn)大型零件的車削加工。

6）主機(jī)系統(tǒng)配備全封閉石墨吸塵裝置和導(dǎo)軌防護(hù)裝置，吸收切削加工過程中的石墨、玻璃鋼粉塵等，在保護(hù)環(huán)境的同時也保護(hù)了機(jī)床的導(dǎo)軌磨損和機(jī)床控制系統(tǒng)電氣安全。