高性能五軸聯動機床機械結構設計實踐與探索

蘭志俊

（黃鵠（上海）機床有限公司,上海 201613）

五軸聯動加工中心具有高效率、高柔性、高精度等特點,可以實現復雜空間曲面的加工,在眾多行業得到了廣泛的應用,尤其隨著國內產業升級,五軸加工中心的需求持續增長,具有很好的市場前景。目前我國的高端五軸數控機床市場主要由歐美日等國的產品占據,一些國內廠家雖然開發了多型同類型高檔數控機床,但是在加工效率、精度、可靠性等方面仍有明顯差距。

本文圍繞一款高性能五軸聯動機床進行研究,對機床的核心功能部件進行自主設計開發,并通過優化設計、精細裝配等手段,實現了機床的高精度、高剛性和高可靠性。

1 設計目的

五軸聯動加工中心的效率高、適應性強,可以用于復雜曲面和多面體零件的加工,在模具加工、飛機制造、汽車制造等領域得到了廣泛應用,隨著產業升級,其需求也在持續增長。國外的五軸加工中心雖然品質可靠,但存在交貨期長和價格高的不足,國內產品則往往性能欠佳,無法滿足生產需求。因而,一款更具性價比的五軸聯動加工中心將會有不錯的市場表現,針對此,公司組織了專業團隊,進行機床設計、制造和銷售,計劃設計制造一款高性能的五軸聯動機床。該款高性能的五軸聯動機床將與國外同類型機床競爭,在加工精度、加速度和可靠性等方面達到進口機床水準,并在交貨期和價格方面具備足夠的競爭力。

2 參數要求

本款機床主要用于加工1 米以下尺寸的工件,可以加工硬質材料,如模具鋼或鑄鐵件,也能用于加工輕質的鋁合金或高分子合成材料,因此主軸和機床各軸的剛性、運動速度和動態精度都要很高,同時為了增大加工區域的空間,機床采用了B 軸+C 軸的結構,即旋轉銑頭和轉臺,以此來實現五軸聯動。機床的主要參數如表1 所示。

表1 五軸加工中心主要技術參數

3 設備結構

該型機床的設計目標是適應多種行業需求,既可以加工精密模具、汽車零部件等硬質材料,又可以加工鋁合金、高分子合成材料等軟質材料,因而要求機床具備高剛性、高速、高精度和高可靠性的綜合性能,以便在低速重切削和高速輕切削時獲得同樣高質量的零件。圖1 是五軸加工中心的裸機結構圖。圖中的1 是床身,本款機床設計采用X、Y 軸布置的“T”字型整體鑄件來確保整臺機床的基礎剛性,并且X、Y 軸傳動的電機座和絲桿軸承座也與床身鑄造在一起的,這樣整體式的結構可以降低安裝和調試的難度,利于批量生產時的質量控制；2 是X 軸立柱,同樣將電機座和絲桿軸承座整體鑄造,考慮到運動速度要求,該零件經過了重量優化；3 是Z軸滑枕與銑頭合為一體直接鑄造,屏蔽了滑枕與銑頭采用裝配工藝產生的剛性不足問題,銑頭B 軸采用斜45 度結構,主軸箱與滑枕依靠轉臺軸承連接,B 軸回轉軸線與X/Z 移動軸形成的平面呈45 度夾角,方便機床進行立臥式轉換；4 是電主軸,直接安裝在銑頭主軸箱；5 是旋轉工作臺作,用于承載夾具和工件,它作為本款機床的C 軸；6 是旋轉工作轉臺基座,在Y 軸導軌上移動。

圖1 五軸加工中心總體結構

本款機床的X/Y/Z 直線移動軸都采用了高精度中載線軌,使機床在大載荷和高速度之間達到性能均衡；B 軸和C軸兩個旋轉軸采用的是推力向心圓柱滾子軸承,用以確保兩個關節的剛性,使B/C 旋轉軸能夠有更大的承載,同時也保證了旋轉精度。

4 機械結構設計分析

4.1 銑頭結構設計

本款五軸加工中心的銑頭B 軸采用斜45 度結構,即B軸回轉軸線與X/Z 移動軸形成的平面呈45 度夾角,此結構形式便于采用更大尺寸的推力軸承,可以有效強化B 軸關節的剛性。銑頭的驅動方式一般有直驅和減速機驅動,直驅的結構簡單,便于加工制造和標準化,缺點則是成本高,占用空間大,發熱大,容易造成系統精度的溫度漂移。綜合考慮后,該款機床傳動設計上采用了減速機的結構,通過大減速比的行星減速機將伺服電機的驅動力矩放大后傳導給B 軸齒輪,從而驅動B 軸旋轉,并保證其具有高的加速度,達到機床整機響應速度的要求。減速機同樣采用45 度布置,軸線與B 軸軸線平行,該方式可以使用直齒輪傳動,避免了使用傘齒輪帶來的齒輪加工和安裝調試困難等問題。但采用齒輪傳動又會產生反向間隙,使刀尖位置失控,體現在加工工件表面的形狀上就是過切或者欠切,為此設計時采用了雙減速機的結構,也就是在原有傳動系統的基礎上再增加一個相同的減速機,兩個減速機的主動軸同步帶輪和驅動電機的同步帶輪由同一條同步帶連接,即由同一個伺服電機提供動力,利用同步帶的張力使兩組減速機承受反向力,在工作時一個減速機負責提供動力,另一個減速機負責提供反向力來消除間隙,從而實現了單驅動電機驅動五軸頭平穩運行。

圖2 是機床的銑頭結構,1 是銑頭本體,采用整體鑄造件,推力軸承直接安裝于銑頭前部加工出的安裝面上；2 是伺服電機,用于提供B 軸的驅動力,該電機工作負荷較大,在設計時特意增加了安裝過渡法蘭,減少伺服電機發熱對銑頭精度的影響；3 是同步帶,用于傳遞伺服電機的驅動力,并提供消除反向間隙的預加力；4 是減速器,此處配備了兩個同型號的減速器,它們的從動軸齒輪同時作用于B 軸齒輪。

圖2 銑頭傳動結構

4.2 電主軸結構設計

電主軸是機床的核心部件,為滿足本款五軸加工中心的需求,電主軸的最高轉速必須要達到18000rpm,功率達到25kw,連續功率模式下扭矩要達到100NM以上,且功率密度要高,以便實現更小的體積和重量。

圖3 是本款主軸的結構圖,其中1 是主軸殼體,由鑄件一體加工,外部設計了螺旋狀的導流筋,在裝入銑頭的主軸箱后,與主軸箱一起形成密閉的冷卻水道,并將冷卻液導入前端軸承座3,用于冷卻軸承和主軸定子；2 是芯軸,錐孔結構選擇了HSK63A,該刀柄形式可以適應更寬的轉速范圍,芯軸的外尺寸主要由軸承和轉子選型來確定,并要兼顧剛性,本款主軸前后端軸徑分別為80mm 和55mm；3 是前端軸承座,內部設計了冷卻水道來冷卻前后兩片軸承；4 是前端軸承,此處選擇了占用空間更小的719 系列軸承,為了同時滿足軸向載荷和徑向載荷,將接觸角定在了25 度,該角度軸承的兩個方向承載比較均衡,且可以滿足18000rpm 高轉速的要求,預緊方式為彈簧預緊,即使用彈簧來提供軸承的預緊力,該預緊方式可以使軸承的預緊力恒定和可控,而且可以很好的補償芯軸的熱伸長,可以確保主軸在高低轉速時的剛性穩定；5 是電機轉子,通過過盈配合裝配在芯軸上,材質選擇了銅,用于增加電機的功率密度；6 是定子繞組,此處采用了塑封處理,可以防止油液等傾入導線,有效延長主軸的壽命；7 是拉刀系統的拉刀桿,選用的是德國羅姆公司的產品,可以提供25KN 的拉刀力,使用壽命10 萬次以上；8 是后端軸承,為補償主軸工作時的熱伸長,后端采用了浮動結構,可以延軸線方向自由滑動,軸承為兩片DB 結構的719 系列軸承；9 是主軸測量系統,本款主軸選擇了磁感應編碼器,他可以適應高轉速要求,并且有很好的耐污性；10 是旋轉接頭,用于刀具加工時的中央噴水,旋轉接頭可以承受達80bar的出水壓力,用于快速深孔鉆的排削非常有效；11 是液壓缸,主軸松刀時用來推動拉刀桿向前運動,此處的液壓缸進行了全新設計,軸向的尺寸有所減小,用來控制整個主軸的長度。

圖3 電主軸結構

4.3 床身一體式結構設計

本款機床最初的方案是床身分體設計,即X 軸和Y 軸的床身分別鑄造加工后再組合起來作為整體床身,這種模塊化的方案利于標準化和柔性設計,零部件的通用性好,但在評審時,考慮到X/Y/Z 三個直線軸的進給速度達到60m/min,五軸聯動加工時頻繁的加減速沖擊,以及環境溫度變化時的整體變形,最終將床身結構確定為整體式的T 型布局,雖然整體床身的成本高、制造周期長,但是他的剛性強、精度易于控制、穩定性好,對于整機的調試安裝非常有利。

圖4 是床身結構圖,其中1 是床身整體,在確定床身尺寸時要確保X 軸和Y 軸的有效行程,同時結合工藝排布時選定的設備加工范圍,滿足一次裝夾可以加工所有基準面,從而獲得較高的幾何精度,且量產的穩定性好,床身整體偏置布置,增大了加工空間的實際可加工范圍,刀庫布置在偏置的反向,并與床身剛性連接,這樣可以使換刀位置穩定,且可以糾正床身的重心位置；2 是Y 軸安裝的基準面,設計尺寸依據選定的中載導軌來確定；3 是Y 軸伺服電機和絲桿座,與床身本體一體加工,可以獲得較好的形位精度；4 是X軸導軌安裝面,由于本款機床使用了45 鍍B 軸加C 軸的方式來實現五軸聯動,導致主軸處于臥姿時會位于整個五軸頭的下端,這里將X 軸安裝面做了抬高設計,不但保證了Z 軸的有效行程,而且利于控制X 軸立柱的整體重量,使得機床可以擁有更好的滿足動態性能；5 是X 軸電機和絲桿座,6 是X 軸尾端絲桿座,X 軸絲桿用于驅動X 軸立柱和整個五軸頭及其附件,要使如此重量的部件具有很好的動態性能,減小軸移動產生的反向間隙,必須在絲杠安裝時進行預拉緊處理,而將電機和絲桿座與床身一體設計,可以使這兩個部位承受載荷能力更強,穩定性和精度也得以保證。

圖4 床身結構

5 樣機調試與優化

本款加工中心共有三個直線軸和兩個回轉軸,在機床裝配完成后使用激光干涉儀、方尺和芯棒,對他們的直線度、垂直度、母線、回轉中心進行了精確測量,依據測量結果對調整墊片進行了配磨,將機床形位誤差進行修正；然后將機床X軸正負軟極限之間,距離Y 軸正軟極限500mm 內和距離Z軸正軟極限300mm 內的區域界限處設置為銑頭安全旋轉的外邊界,在不設置工件區域條件下,在上述規定區域中,激活五軸聯動,確認五軸插補功能正常后,使用探頭測量五軸聯動誤差,再綜合五個軸的幾何誤差后輸入到機床數控系統的補償參數中進行補正；使用誤差補正后的加工中心來進行溫度漂移測量,即在空運行、三軸試切、五軸聯動試切等不同情況下進行了長時間的跑合測試,記錄大量的溫度變化和精度變化數據,通過對數據的統計分析,再結合床身關鍵部位布置的溫度傳感器,歸納出了溫度漂移曲線,用于控制系統對溫度變化引起的誤差補償,提高機床的實時動態精度。

經過了一系列的調試和優化后,本款五軸加工中心的各項性能指標都達到了設計要求。圖5 是運用本款加工中心完成的S 型試件,在整個試切過程中,機床運行非常穩定,插補過程中無過切欠切與撞刀現象,加工完成后的零件表面光滑,三坐標測量顯示,試件完全達到標準,整臺機床的加工能力符合預期。

圖5 S 型試件

6 結論

綜上所述,本文針對一款高性能的五軸聯動機床進行了機床的整體開發,設計了配備雙減速機的45 度銑頭、整體式的T 型床身以及高速電主軸,使機床具備了高剛性、高精度、高速度和可靠性,并在裝配完成后進行了調試和優化,最終運用該加工中心進行了S 型試件的五軸聯動加工,加工完成后的零件表面光滑、精度合格,顯示該機床的加工能力達到了設計要求。