國(guó)產(chǎn)功能部件在高檔數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用研究

沈會(huì)，黃寶啟，蔡冰

（沈陽航空產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，沈陽 110000）

0 引言

隨著航空工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床要求越來越專業(yè)化、定制化。依據(jù)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(shù)控機(jī)床相應(yīng)定制化設(shè)計(jì)以滿足使用需求。數(shù)控機(jī)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(jī)性能的決定因素。目前，在航空制造領(lǐng)域，高檔數(shù)控機(jī)床功能部件還是存在大量進(jìn)口的問題，但是在國(guó)家04專項(xiàng)的實(shí)施帶動(dòng)下，國(guó)產(chǎn)功能部件行業(yè)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文就某示范工廠內(nèi)53臺(tái)高檔數(shù)控機(jī)床國(guó)產(chǎn)功能部件應(yīng)用情況進(jìn)行研究。

1 功能部件配套

1.1 機(jī)床形式及功能部件分類

53臺(tái)設(shè)備包含臥式精密加工中心和龍門加工中心共計(jì)7大類、12種規(guī)格，加工范圍包括400、600、800、2000 mm等,機(jī)床100%采用國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)。本文不討論國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用，主要研究其他主要功能部件。功能部件種類很多，本文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，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(tǒng)計(jì)，分別是主軸、擺頭、轉(zhuǎn)臺(tái)、刀庫、導(dǎo)軌及絲桿。

表1 設(shè)備簡(jiǎn)介

1.2 配套比例

六大國(guó)產(chǎn)功能部件數(shù)量合計(jì)174個(gè)，國(guó)內(nèi)、外功能部件總數(shù)量合計(jì)288個(gè)，按照總數(shù)統(tǒng)計(jì)得出國(guó)產(chǎn)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(guó)產(chǎn)功能部件配套比例較高，800 mm加工范圍以上的臥加國(guó)產(chǎn)功能部件配套比例不高，龍門加工中心國(guó)產(chǎn)功能部件配套比例較高。

2 應(yīng)用分析

2.1 電主軸

由北京工研精機(jī)生產(chǎn)的鈦合金接頭類臥式精密加工中心，電主軸選用國(guó)產(chǎn)品牌（工研），主軸電動(dòng)機(jī)功率（S1）為60 kW，主軸額定轉(zhuǎn)矩（S1）為345 N·m，主軸轉(zhuǎn)速范圍為80～5000 r/min。目前，該類機(jī)床主要加工鈦合金接頭等航空零部件，主軸性能穩(wěn)定，圖1是國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心出具的第三方檢測(cè)報(bào)告中對(duì)于主軸檢測(cè)的情況，檢測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖1 國(guó)檢中心對(duì)機(jī)床主軸加載檢測(cè)情況

電主軸是機(jī)床的核心功能部件之一，其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)直接體現(xiàn)在機(jī)床的加工效率和加工能力方面。電主軸主要技術(shù)一方面體現(xiàn)在零件的加工制造上，例如內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)、精密軸承、拉刀桿，另一方面體現(xiàn)在控制上，例如溫升控制、熱補(bǔ)償及結(jié)構(gòu)上對(duì)支撐剛度的處理[1]。

表2 國(guó)產(chǎn)功能部件配套比例數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

當(dāng)前，由于主軸研制成本較高，另外在精度保持性上跟進(jìn)口還是有差距，所以進(jìn)口主軸的情況就很普遍。面向未來，電主軸領(lǐng)域應(yīng)該還是要從核心技術(shù)的推廣應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化、降低國(guó)內(nèi)生產(chǎn)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(jī)床，其中6類有擺頭結(jié)構(gòu)，均選用了國(guó)產(chǎn)自主擺頭，如濟(jì)南二機(jī)床的機(jī)械A(chǔ)C擺頭、沈陽機(jī)床中捷航空航天機(jī)床的機(jī)械A(chǔ)B擺頭、上海拓璞數(shù)控科技有限公司的AC擺頭及北京工研精機(jī)的AC擺頭等（如圖2）、沈陽機(jī)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(jī)都在示范工廠正常使用，應(yīng)用狀況良好。

圖2 國(guó)產(chǎn)自主擺頭

擺頭是機(jī)床的核心功能部件之一，擺頭和直線軸在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的五軸聯(lián)動(dòng)功能。其聯(lián)動(dòng)特性決定了機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性。擺頭從結(jié)構(gòu)上大體上可以分成3種類型，機(jī)械擺頭、電主軸擺頭及直驅(qū)擺頭。機(jī)械擺頭比較典型的是沈陽機(jī)床的AB擺和濟(jì)南二機(jī)床的AC擺，特點(diǎn)是大轉(zhuǎn)矩。電主軸擺頭比較典型的上海拓璞大鋁線臥加，特點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速,最高轉(zhuǎn)速達(dá)到24 000 r/min。直驅(qū)擺頭在示范工廠內(nèi)沒有應(yīng)用。

2.3 轉(zhuǎn)臺(tái)

由沈陽中捷航空航天機(jī)床制造的鋁合金肋板類臥式加工中心，搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)[2]選用國(guó)產(chǎn)品牌（北京伊貝格），旋轉(zhuǎn)軸B軸工作轉(zhuǎn)矩為500 N·m（夾緊時(shí)1000 N·m），快速進(jìn)給速度為10 r/min，定位精度為8″，重復(fù)定位精度為5″。由沈陽機(jī)床股份公司制造的銑車復(fù)合加工中心，配置了搖籃旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。表3是國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心出具的第三方檢測(cè)報(bào)告中對(duì)于搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)的檢測(cè)的情況，檢測(cè)結(jié)果為：定位精度為6.32″，重復(fù)定位精度為2.9″，優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表3 國(guó)檢中心對(duì)機(jī)床B軸參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)

搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)用到臥式加工中心屬于一種技術(shù)應(yīng)用上的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)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(diǎn)。

搖籃旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)應(yīng)用到臥加，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)最高轉(zhuǎn)速為400 r/min，附加車主軸定位功能，實(shí)現(xiàn)了鈦合金接頭等典型航空零件的車銑復(fù)合加工。

2.4 刀庫

由沈陽中捷航空航天機(jī)床生產(chǎn)的刀庫墻加六自由度機(jī)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(shí)換刀4次，共計(jì)1 194 480次的全工況運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)換刀數(shù)據(jù)，刀庫各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)達(dá)到使用要求，刀庫性能可靠。

由江蘇德速數(shù)控科技有限公司生產(chǎn)的圓盤式刀庫應(yīng)用在上海拓璞數(shù)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(shí)驗(yàn)換刀1 128 960次，每天工作16 h，每小時(shí)換刀36次，共計(jì)運(yùn)行了196個(gè)工作日，期間未出現(xiàn)故障，刀庫運(yùn)行穩(wěn)定。

隨著國(guó)內(nèi)機(jī)床的可靠性和精度保持性越來越高，國(guó)內(nèi)應(yīng)該加強(qiáng)刀庫產(chǎn)品零部件的配套及刀庫產(chǎn)品的可靠性。

2.5 導(dǎo)軌

由廣州高新凱特生產(chǎn)制造的導(dǎo)軌應(yīng)用在沈陽精銳數(shù)控機(jī)床鋁合金接頭類臥式精密加工中心，直線導(dǎo)軌用于支撐和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動(dòng)，直線導(dǎo)軌的精度主要影響機(jī)床的直線度[3]。

國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（沈陽）出具的報(bào)告（表4）顯示，X、Y、Z軸線運(yùn)動(dòng)直線度共計(jì)6項(xiàng)指標(biāo)，其中5項(xiàng)優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，1項(xiàng)滿足技術(shù)指標(biāo)。

圖3 沈陽機(jī)床自制刀庫

圖4 江蘇德速數(shù)控科技公司刀庫

表4 國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（沈陽）檢驗(yàn)報(bào)告

2.6 絲桿

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

國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心出具的對(duì)AB機(jī)床（表5）、長(zhǎng)桁加工單元（表6）的直線軸檢測(cè)數(shù)據(jù)，表明各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表5 國(guó)檢中心對(duì)AB機(jī)床直線軸檢測(cè)數(shù)據(jù) mm

表6 國(guó)檢中心對(duì)長(zhǎng)桁機(jī)床直線軸檢測(cè)數(shù)據(jù) mm

目前，國(guó)內(nèi)絲桿材料選擇GCr軸承鋼。設(shè)計(jì)上主要從結(jié)構(gòu)、運(yùn)行流暢性、加載場(chǎng)合、鋼球的選擇等方面考慮。產(chǎn)品制造工藝對(duì)產(chǎn)品特性和質(zhì)量影響較大，常用加工設(shè)備為螺紋磨床。有一部分精密制造加工設(shè)備還需要從國(guó)外進(jìn)口，這是下一階段重要發(fā)展方向。

3 結(jié)語

本文通過示范基地53臺(tái)高檔數(shù)控機(jī)床中六大類功能部件的配套使用情況，結(jié)合國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心提供的第三方報(bào)告相關(guān)數(shù)據(jù)及用戶使用情況，可以看出：1）六大類功能部件國(guó)內(nèi)均有廠家在生產(chǎn)，這里既有主機(jī)廠，也有專業(yè)化功能部件廠家，并且每一類都配套到主機(jī)。2）在性能指標(biāo)方面國(guó)產(chǎn)功能部件完全能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。3）國(guó)產(chǎn)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(huì)是未來的發(fā)展方向。