國產功能部件在高檔數控機床的應用研究

沈會，黃寶啟，蔡冰

（沈陽航空產業集團有限公司，沈陽 110000）

0 引言

隨著航空工業的高速發展，對高檔數控機床要求越來越專業化、定制化。依據航空典型零部件種類例如框、梁、壁板、接頭、肋板等不同加工需求，要求數控機床相應定制化設計以滿足使用需求。數控機床是由各類功能部件集成的高端裝備，功能部件的特性（如可靠性、精度保持性）是整機性能的決定因素。目前，在航空制造領域，高檔數控機床功能部件還是存在大量進口的問題，但是在國家04專項的實施帶動下，國產功能部件行業取得了長足的進步。本文就某示范工廠內53臺高檔數控機床國產功能部件應用情況進行研究。

1 功能部件配套

1.1 機床形式及功能部件分類

53臺設備包含臥式精密加工中心和龍門加工中心共計7大類、12種規格，加工范圍包括400、600、800、2000 mm等,機床100%采用國產系統。本文不討論國產數控系統應用，主要研究其他主要功能部件。功能部件種類很多，本文結合實際工作經驗，從臥式加工中心和龍門加工中心功能部件種類考慮，按六大類統計，分別是主軸、擺頭、轉臺、刀庫、導軌及絲桿。

表1 設備簡介

1.2 配套比例

六大國產功能部件數量合計174個，國內、外功能部件總數量合計288個，按照總數統計得出國產功能部件配套比例為60%。具體如下：800 mm加工范圍以下的臥加國產功能部件配套比例較高，800 mm加工范圍以上的臥加國產功能部件配套比例不高，龍門加工中心國產功能部件配套比例較高。

2 應用分析

2.1 電主軸

由北京工研精機生產的鈦合金接頭類臥式精密加工中心，電主軸選用國產品牌（工研），主軸電動機功率（S1）為60 kW，主軸額定轉矩（S1）為345 N·m，主軸轉速范圍為80～5000 r/min。目前，該類機床主要加工鈦合金接頭等航空零部件，主軸性能穩定，圖1是國家機床質量監督檢驗中心出具的第三方檢測報告中對于主軸檢測的情況，檢測結果滿足設計指標。

圖1 國檢中心對機床主軸加載檢測情況

電主軸是機床的核心功能部件之一，其轉速、轉矩等參數直接體現在機床的加工效率和加工能力方面。電主軸主要技術一方面體現在零件的加工制造上，例如內裝式電動機、精密軸承、拉刀桿，另一方面體現在控制上，例如溫升控制、熱補償及結構上對支撐剛度的處理[1]。

表2 國產功能部件配套比例數據統計

當前，由于主軸研制成本較高，另外在精度保持性上跟進口還是有差距，所以進口主軸的情況就很普遍。面向未來，電主軸領域應該還是要從核心技術的推廣應用及產業化、降低國內生產廠家的高昂成本等方面努力。

2.2 擺頭

示范基地中7大類機床，其中6類有擺頭結構，均選用了國產自主擺頭，如濟南二機床的機械AC擺頭、沈陽機床中捷航空航天機床的機械AB擺頭、上海拓璞數控科技有限公司的AC擺頭及北京工研精機的AC擺頭等（如圖2）、沈陽機床中捷航空航天中鋁線鋁合金肋板類臥式加工中心A擺、沈陽精銳小鋁線鋁合金接頭類臥式精密加工中心A擺。這些擺頭配套主機都在示范工廠正常使用，應用狀況良好。

圖2 國產自主擺頭

擺頭是機床的核心功能部件之一，擺頭和直線軸在數控系統的控制下，實現了機床的五軸聯動功能。其聯動特性決定了機床的動態特性。擺頭從結構上大體上可以分成3種類型，機械擺頭、電主軸擺頭及直驅擺頭。機械擺頭比較典型的是沈陽機床的AB擺和濟南二機床的AC擺，特點是大轉矩。電主軸擺頭比較典型的上海拓璞大鋁線臥加，特點是高轉速,最高轉速達到24 000 r/min。直驅擺頭在示范工廠內沒有應用。

2.3 轉臺

由沈陽中捷航空航天機床制造的鋁合金肋板類臥式加工中心，搖籃轉臺[2]選用國產品牌（北京伊貝格），旋轉軸B軸工作轉矩為500 N·m（夾緊時1000 N·m），快速進給速度為10 r/min，定位精度為8″，重復定位精度為5″。由沈陽機床股份公司制造的銑車復合加工中心，配置了搖籃旋轉工作臺。表3是國家機床質量監督檢驗中心出具的第三方檢測報告中對于搖籃轉臺的檢測的情況，檢測結果為：定位精度為6.32″，重復定位精度為2.9″，優于設計指標。

表3 國檢中心對機床B軸參數檢測數據

搖籃轉臺應用到臥式加工中心屬于一種技術應用上的創新，實現了臥式加工中心立式加工航空零部件的形式。這種加工形式具有排屑好、精度高等特點。

搖籃旋轉工作臺應用到臥加，旋轉工作臺最高轉速為400 r/min，附加車主軸定位功能，實現了鈦合金接頭等典型航空零件的車銑復合加工。

2.4 刀庫

由沈陽中捷航空航天機床生產的刀庫墻加六自由度機器人組成的自制刀庫，提供了加工中心每天2班16 h工作，每小時換刀4次，共計1 194 480次的全工況運轉實驗換刀數據，刀庫各項技術參數達到使用要求，刀庫性能可靠。

由江蘇德速數控科技有限公司生產的圓盤式刀庫應用在上海拓璞數控科技股份有限公司制造的鋁合金大型框梁類加工中心，刀庫完成了全工況實驗換刀1 128 960次，每天工作16 h，每小時換刀36次，共計運行了196個工作日，期間未出現故障，刀庫運行穩定。

隨著國內機床的可靠性和精度保持性越來越高，國內應該加強刀庫產品零部件的配套及刀庫產品的可靠性。

2.5 導軌

由廣州高新凱特生產制造的導軌應用在沈陽精銳數控機床鋁合金接頭類臥式精密加工中心，直線導軌用于支撐和引導運動部件做直線往復運動，可在高負載的情況下實現高精度的直線運動，直線導軌的精度主要影響機床的直線度[3]。

國家機床質量監督檢驗中心（沈陽）出具的報告（表4）顯示，X、Y、Z軸線運動直線度共計6項指標，其中5項優于設計指標，1項滿足技術指標。

圖3 沈陽機床自制刀庫

圖4 江蘇德速數控科技公司刀庫

表4 國家機床質量監督檢驗中心（沈陽）檢驗報告

2.6 絲桿

由南京工藝研制的絲桿應用于兩類設備，一類是沈陽機床生產的鈦合金大型框梁類強力加工中心（AB擺），另一類是由上海拓璞數控科技股份公司生產的鋁合金長桁類加工單元。絲桿的精度主要影響機床的定位精度和重復定位精度[4]。

國家機床質量監督檢驗中心出具的對AB機床（表5）、長桁加工單元（表6）的直線軸檢測數據，表明各項指標均滿足設計指標要求。

表5 國檢中心對AB機床直線軸檢測數據 mm

表6 國檢中心對長桁機床直線軸檢測數據 mm

目前，國內絲桿材料選擇GCr軸承鋼。設計上主要從結構、運行流暢性、加載場合、鋼球的選擇等方面考慮。產品制造工藝對產品特性和質量影響較大，常用加工設備為螺紋磨床。有一部分精密制造加工設備還需要從國外進口，這是下一階段重要發展方向。

3 結語

本文通過示范基地53臺高檔數控機床中六大類功能部件的配套使用情況，結合國家機床質量監督檢驗中心提供的第三方報告相關數據及用戶使用情況，可以看出：1）六大類功能部件國內均有廠家在生產，這里既有主機廠，也有專業化功能部件廠家，并且每一類都配套到主機。2）在性能指標方面國產功能部件完全能夠滿足設計指標。3）國產功能部件在精度保持性、核心零件的制造配套及打造世界知名品牌方面將會是未來的發展方向。