基于鈦合金結構件加工的AB擺角銑頭設計開發

摘要：以機床AB擺角銑頭為對象，通過對航空工廠用戶需求和典型飛機結構件的工藝分析，對銑頭擺角結構、主軸結構設計進行了研究，獨立自主開發出高性能的AB擺角銑頭產品，通過測試和驗證，各項指標滿足設計要求，適用于飛機結構件的加工應用。

關鍵詞：AB擺角銑頭;機械主軸;鈦合金結構件

1 需求分析

現代飛機構造中，結構件構成了飛機的骨架，是飛機的主要承力件，特點是結構復雜、精度要求高、比強度大，飛機結構件絕大部分需要采用數控加工而成。肋、框、梁類零件是飛機結構件的典型代表，雙面薄壁槽腔類結構，材料去除率大（90%以上），腹板、緣條、筋條高度不等成臺階狀且帶有氣動外形，具有開閉角結構，需五軸聯動加工，加工精度和表面質量要求高。這些結構件主要由鈦合金、不銹鋼、鋁合金材料制成，其中以鈦合金結構件最難加工。鈦合金在切削溫度下具有很高的硬度和剛度，加工時需要更大的切削力，這就決定了加工設備要具有足夠的剛性和驅動扭矩。

AB擺角具備主軸功率和扭矩大、擺角剛性和扭矩足的特點，可以滿足鈦合金、不銹鋼這類難加工材料大余量強力粗切削的要求。同時，由于飛機結構件多具有開閉角結構，最大開角和最大閉角一般在15°以內，而AB擺角結構較為直觀、布局開敞，且易于獲得大扭矩，銑頭擺動范圍可以覆蓋絕大部分框、梁類等典型結構件的加工。所以未來航空工廠及其配套工廠對配置AB擺角銑頭的機床有較大的需求。

2 AB擺角銑頭國內外研究現狀

AB擺角頭部件在國外并沒有專業廠家生產銷售，現階段國外也只有意大利的PARPAS和RAMNAUD公司、美國的CINCINNATI公司生產AB擺角機床，而且只有CINCINNATI公司生產的是高性能的AB擺角機床。法國的FOREST-LINE有著多年生產大型AB擺角銑頭五軸機床的經驗，其產品在航空工廠也有較多的應用，但由于種種原因，該公司已經停止AB擺角銑頭及其配套機床的生產。

意大利的RAMNAUD和PARPAS擺角銑頭體積、功率、扭矩等相對較小，在鈦合金結構件加工尤其是粗加工時顯得能力不足，主要配套立式加工中心進行小型零件的加工。法國的FOREST-LINE的AB擺角銑頭剛性足、扭矩大，主軸具有多檔變速，最大轉速可以達到6000RPM，不僅可以進行鈦合金的粗、精加工，而且能兼顧鋁合金結構件的加工。但其結構較為復雜，所有傳動環節都在箱體內部，雖然顯得很緊湊，但是加工和裝配難度非常大，對加工設備、加工工藝、人員素質、工裝夾具等要求都很高，一定程度上影響了可靠性和品質一致性，高昂的生產成本也降低了市場競爭力。表1為國外幾款AB 擺角頭技術參數對比。

國內航空制造院、沈陽機床等單位開發出了AB擺角銑頭產品，但是技術成熟度、可靠性以及特定種類飛機結構件加工的針對性和適應性不夠，基本處于能用，距離適用、好用還有一定差距。此外很多用戶也對國產AB擺角銑頭的性能水平信任不夠，不愿承擔風險，首選還是國外AB擺角機床，即便是出于自主可控等政策要求采購國產產品，價格也是低的可憐，導致很多機床廠不愿意投入資源對AB擺角頭進行深入研究。

本文研究的AB擺角銑頭是在國家科技重大專項課題“數控機床雙擺角銑頭關鍵技術研究及應用示范”的支持下，深入挖掘用戶使用需求，細分加工對象的結構和工藝特點，分析現有國內外AB擺角銑頭的結構特點和應用情況，開發出適用、可靠、高效的的AB擺角頭產品，并配套數控機床在典型航空結構件批量加工中示范應用。

3AB擺角銑頭結構設計

3.1 高剛性、大扭矩的AB擺角機構設計

由于AB擺角銑頭主要加工對象為鈦合金等難加工材料制成的飛機結構件，切削抗力大，這就要求擺角頭具有非常高的擺角驅動扭矩和傳動剛性。為了獲得充足的擺角扭矩，主要有兩種方式，一種是大型力矩電機直接驅動，無傳動間隙，精度高，速度快，但這種方式由于沒有變速，很難獲得特別高的輸出扭矩，最大一般只能做到三、四千牛米，更大規格的力矩電機基本屬于非標定制產品，不僅成本陡增，其較大的結構尺寸和重量導致很難在AB擺角上布置。所以一般AB擺角銑頭基本不采用力矩電機驅動擺角運動。另一種方式是通過普通的伺服電機通過多級變速來實現大扭矩輸出，這種方式性價比高，通過合理的傳動和速比設計很容易實現非常高的扭矩驅動，可以達到幾萬牛米，滿足鈦合金強力切削對擺角扭矩的需求。

目前，回轉驅動的機械傳動形式最常見的是齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動。齒輪傳動可傳遞空間任意軸間的運動和動力，可開式、閉式結構，轉動平穩，適應范圍廣（傳遞速度、功率范圍都大），壽命長，效率高。但是單級傳動速比較小，一般小于8，如果要獲得大速比需采用多級傳動或行星傳動的齒輪箱，結構尺寸大，齒輪齒圈結構單級雖然也能獲得較大速比，受齒圈直徑過大的影響，一般在大規格轉臺上用于回轉傳動，而在擺角機構上基本采用齒輪配對弧形齒條實現小范圍擺動。蝸輪蝸桿傳動的優勢是單級速比較大，動力傳動中傳動比一般為8-80，結構緊湊，為多齒嚙合傳動，故傳動平穩、噪音很小。兩輪嚙合齒面間為線接觸，具有很高的承載能力，具備自鎖功能，但是傳動效率相對較低。

國際上也有一些機床廠商在回轉運動設計中采用一種凸輪式傳動機構。凸輪式傳動機構主要由凸輪、凸輪滾子和回轉從動件組成，凸輪滾子在回轉從動件圓周方向徑向均勻排列，凸輪為螺旋狀，作為主動輪并與凸輪滾子向嚙合，從而帶動回轉從動件做回轉運動。凸輪式傳動機構避免了一般蝸輪蝸桿傳動機構因磨損而造成的精度降低，并且在嚙合過程中，凸輪滾子和凸輪兩側面曲面存在預載，消除了反向間隙，提高了整個機構的精度和剛度。同時，凸輪滾子采用了滾針支撐，由滾動代替普通嚙合時的滑動摩擦，有效避免了磨損對運行精度的影響，使整個傳動機構更可靠，效率更高。但是凸輪型面復雜，加工工藝難度較大，目前我國凸輪傳動機構的生產水平與國外的差距較大，凸輪傳動機構主要靠進口，受到出口限制和價格因素的嚴重制約，所以此傳動方式不在考慮范圍內。

通過以上對比，任何一種單獨的傳動方式都很難滿足AB擺角大扭矩驅動所需要的的大速比要求，需采用集中方式的組合，同時要兼顧結構緊湊，大負載傳動平穩，便于安裝調整及維護，高性價比。經綜合分析，最終確定了AB擺角驅動的方案，總體結構如圖1所示。

A/B擺角驅動采用伺服電機驅動蝸輪蝸桿箱變速増扭，并通過其輸出齒輪與大直徑弧形齒條嚙合進一步放大扭矩來實現A/B擺角機構的大扭矩驅動，傳動鏈速比大于1000，驅動扭矩27000Nm以上;擺角頭結構采用模塊化設計，AB擺角驅動箱為通用獨立部件，降低加工、檢驗、裝配和維護難度和成本，提高產品的可靠性和穩定性，便于產品系列化。

AB擺角驅動機構的傳動環節由蝸輪蝸桿和齒輪弧齒條兩級構成。為了補償因加工、裝配和溫度變化引起的尺寸變化，以防卡死，并為潤滑油膜溜出去空間，齒輪和蝸輪蝸桿嚙合傳動時均留有側隙，但側隙的存在會導致反向運動時產生空程，影響傳動精度和平穩性，需要對傳動環節進行消隙設計，盡量減小或消除傳動鏈的反向間隙。對于蝸輪蝸桿傳動而言，雙段式蝸輪蝸桿和雙導程蝸輪蝸桿消隙效果比較好，但承載能力和傳動剛性相對普通單導程蝸桿較差，而且加工難度和價格也相對較高。

經綜合考慮分析，為了滿足AB擺角驅動大扭矩、高剛性、高承載、高可靠性的要求，兼顧性價比，確定采用傳統的普通單導程蝸桿設計，通過配磨蝸桿箱和蝸輪箱體之間的隔墊來調整中心距，減小側隙。驅動結構如圖2所示。

AB擺角驅動的第二級為齒輪弧齒條傳動，也是側隙較大的一環，所以也需要做消隙設計。通過彈簧形式的柔性調整可以實現自動補償，但會影響傳動平穩性，且這種調整方式結構復雜，傳動剛性低，不滿足AB擺角要求的高剛性驅動。設計采用內外雙齒輪軸，通過機構剛性調整兩輸出齒輪周向相對扭轉錯位，嚙合時，雙齒輪中的一個輪齒與相鄰會齒條輪齒的受力面嚙合，而雙齒輪的另外一個輪齒與相鄰輪齒的背面嚙合，從而達到消除齒側間隙的目的。

3.2 高剛性、大扭矩、高轉速的齒輪傳動機械主軸箱設計

主軸是直接參與加工的重要部件，目前數控機床廣泛采用的主軸主要有電主軸和機械主軸兩類。電主軸的優點是體積小、結構緊湊、功率密度大，直驅零傳動、無極調速、轉速高、動態性能好，隨著高速高效加工的理念深入人心，應用越來越廣泛，缺點是維護保養復雜、耐沖擊性差、輸出扭矩小，雖然國外一些機床廠如MCM、DMG、Starrag等也采用了1000Nm以上的大規格電主軸配置在臥加上進行高溫合金、鈦合金等加工材料的加工，但也僅限于發動機機匣、葉盤等這些加工余量很少的發動機盤環件，對于飛機結構件這種大余量切除的粗加工適用性不強，且成本昂貴。而齒輪傳動的機械主軸通過合理設計傳動比，可以將扭矩做的很大，而且箱體式結構尺寸大，剛性更足，適合于與結構開敞的AB擺角箱進行配套，機械主軸受切削振動和沖擊影響相對電主軸不敏感，可靠性高。針對鈦合金等難加工材料制成的飛機結構件加工尤其是大余量去除的粗加工優勢明顯。所以本文研究的AB擺角銑頭配置齒輪傳動機械主軸。

鈦合金等難加工材料飛機結構件加工，需要主軸箱具備足夠的剛性和承載能力，這就要求主軸的直徑設計的較大，主軸軸承尺寸也隨之增大。為了增強加工適應性，還要兼顧鋁合金結構件的加工，同時要求主軸具備高轉速，大直徑主軸在高轉速下軸承發熱會顯著增加，需要通過合理的潤滑、冷卻、預緊設計來保證軸承高速運行時達到熱平衡，軸承溫度不能高于60℃，否則軸承壽命會大大降低，甚至有燒毀風險。

為了實現飛機結構件高速高效加工，需要兼顧高剛性、大扭矩與高轉速的雙重特性。為了滿足以上要求，設計時，需采用高性能高功率電機作為驅動源，但電機直驅主軸無法獲得較大扭矩，需要通過載荷傳遞能力較強的齒輪傳動進行減速増扭來實現大扭矩驅動。為實現主軸的高轉速，需要將主軸傳動設計為兩個檔位，高速檔通過齒輪增速來實現主軸高轉速運行，低速檔通過齒輪減速來實現大扭矩。通過滑移換擋實現兩組齒輪的分別傳動。

根據上述設計思路，經過詳細計算分析，機械主軸箱（如圖3）最終設計如下：采用西門子高性能高功率主軸電機作為驅動源，經過一級精密齒輪傳動變速，帶動主軸旋轉。齒輪變速機構由兩組圓柱斜齒輪副組成，其中，主動齒輪作為滑移齒輪，通過滑移換擋實現兩組齒輪的分別傳動。主軸箱在低速擋工作時，具備大扭矩輸出，適合鈦合金等難加工材料的強力切削。高速檔傳動時主軸扭矩隨轉速的升高略有下降，適合鋁合金零件的高速輕載切削。

4 結論

通過對AB擺角銑頭部件相關技術研究，完成了銑頭部件的詳細設計，研制出了性能穩定的AB擺角銑頭產品并配套五軸機床，對其各項性能指標進行試驗驗證，包括AB擺角銑頭的精度、靜態剛度;主軸動平衡、振動、溫度、噪聲、拉刀力、功率、熱膨脹以及S試件及其它典型零件的加工驗證等。通過試驗驗證，各項指標滿足設計要求。通過配套機床在用戶處進行實際加工驗證，滿足飛機鈦合金零件加工需求

參考文獻

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作者簡介：韓慶元（1981.11），男，漢族，河北涿州人，高級工程師，碩士，主要從事航空專用裝備、關鍵功能部件、生產線設計研究。