一種臥式五軸加工中心的研究與應用

張傳思，侯延星，范春宏

（科德數控股份有限公司 沈陽分公司，沈陽 110041）

0 引言

航空發動機是飛機的心臟，為飛機提供飛行動力。而航空發動機的各種機匣、葉盤是發動機的重要組成部件，其加工質量決定著發動機的性能。目前，加工航空發動機機匣類的數控機床主要依賴于進口，不僅設備價格昂貴、貨期長，而且售后周期長、費用高，且經常受到發達國家的技術限制和封鎖。因此，研究一種用于加工機匣類等回轉體、多面體復雜型面、難加工材料的臥式五軸加工中心機床具有重要的現實意義。

為此，以用戶工藝為導向，充分分析國外該類產品的典型結構與特征，依托國內某航空零件制造企業，針對航空發動機機匣類、葉盤類等零件的工藝特征和工藝需求，設計了一種KHMC80 U型臥式五軸加工中心機床，并成功應用于該類零件的加工，達到部分替代進口。

1 整機結構

KHMC80 U臥式五軸加工中心的設計主要由床身組件、立柱組件、滑鞍組件、回轉工作臺組件，擺頭組件等部分組成[1]，如圖1所示。機床床身水平布置，L形立柱固定于床身之上，滑鞍通過滑塊在立柱導軌上左右移動為X軸，擺頭通過滑塊在滑鞍導軌上上下移動為Y軸，回轉工作臺通過滑塊在床身導軌上前后移動為Z軸，擺頭繞X軸旋轉形成A軸，工作臺繞Y軸旋轉形成B軸，機床X、Y、Z、A、B五軸五聯動。機床側面安裝有自動換刀裝置，進行刀具的自動交換，提高加工效率，同時刀庫具備刀具的RFID讀寫功能，能夠對刀具進行智能化管理。機床整機結構采用對稱布局設計，受熱均勻。采用重心驅動原理，運動平穩，無傾覆力矩。整機研發過程中，采用有限元分析軟件，對單件、整機進行了靜態分析和動態分析，通過分析，增加了支撐固定件的支撐剛度。在保證運動部件剛度的前提下盡量輕量化，增加動態特性。經過反復的結構優化，提升了整機的靜態、動態特性，為整機高效、高精度的加工提供保證。

圖1 KHMC80 U型臥式五軸加工中心結構示意圖

2 主要結構及特點

2.1 床身組件

KHMC80 U型臥式五軸加工中心的床身為整機支撐件，立柱、滑鞍、擺頭及回轉工作臺等都置于床身之上，因此，床身要有足夠的剛度，以滿足穩定地支撐其上的其他運動組件要求。特殊的床身結構設計，保證足夠的排屑角度，實現整機中央后排屑，加工過程排屑順暢；床身采用高強度的鑄鐵鑄造而成，具有良好的吸振特性，采用時效處理消除鑄件的殘余內應力，采用有限元分析方法[2]，優化布置內部筋格型式及厚度，以保證床身和機床整機具有足夠的剛度和精度穩定性。

2.2 立柱組件

立柱組件作為滑鞍組件及擺頭組件的支撐部件，要保證足夠的支撐剛度。立柱采用L形墻式結構，保證其上運動部件的重心在立柱內部。同時在其內部合理地布置縱向和橫向的環形筋板，并經有限元動、靜態特性分析優化設計，保證立柱具備足夠的抗彎剛度。采用3根高剛度滾柱導軌支撐導向，保證其上運動部件的運行精度。

2.3 滑鞍組件

滑鞍組件用來支撐擺頭組件，擺頭組件在滑鞍組件上上下運動，同時滑鞍組件沿立柱橫向運動。因此，滑鞍需具有足夠的抗彎剛度和抗扭剛度。同時，滑鞍組件及其上的擺頭組件整體高速運動時，在滿足強度、剛度的情況下，要盡量較少其組件的質量，使其具有較高的動態特性。滑鞍采用對稱的封閉式結構，經有限元動、靜態特性分析優化設計，達到減輕運動部件質量的效果，提升動態特性的同時且保證足夠的抗彎與抗扭剛度。

2.4 回轉工作臺組件

回轉工作臺組件由滑座、回轉軸和工作臺3部分組成[3]，如圖2所示。滑座布置于床身之上，采用伺服電動機直聯絲杠，雙驅同步控制，使回轉工作臺具有高的動態特性。回轉軸由安裝在滑座內的B軸驅動力矩電動機直接驅動，繞B軸回轉中心做360°范圍的連續回轉運動，采用力矩電動機直接驅動、無級傳動，高效率、零間隙傳動，滿足高動態特性和高剛度加工需求。采用重心驅動設計原理，不受工件質量變化的影響。滑座設計成熱對稱的結構，受熱均勻，采用重心驅動原理，使其在運動過程中更加平穩，提高零件的加工精度和表面質量。配有高承載能力、高傾覆剛度、高精度的YRT轉臺軸承，使轉臺承重大。工作臺可聯動加工，也可通過液壓夾緊與松開剎車片，進行定位加工，液壓鎖緊力矩大。配置絕對式角度編碼器，全閉環控制，保證高精度的定位精度與重復定位精度。

圖2 回轉工作臺組件

2.5 擺頭組件

擺頭組件包括擺頭箱體、旋轉主軸箱和電主軸3部分。擺頭箱體由安裝在滑鞍上的Y軸雙驅動伺服電動機通過滾珠絲杠副驅動，沿滑鞍導軌做垂直上下運動，雙驅同步控制實現高速、平穩運動。旋轉主軸箱由安裝在擺頭箱體內的A軸驅動力矩電動機直接驅動，繞A軸旋轉中心連續擺動，擺角范圍可達165°（以主軸呈水平狀態為零點），向上可擺動60°，向下可擺動105°，如圖3所示。旋轉主軸箱驅動側采用高剛度的轉臺軸承支撐，以提高旋轉部分的支撐剛度。A軸采用增壓式鎖緊機構，鎖緊力矩大，鎖緊穩定可靠；采用高精度絕對式角度編碼器，全閉環控制，定位精度高。旋轉主軸箱內裝有電主軸，其最高轉速為12 000 r/min，最大轉矩為312 N·m，能夠滿足多種材料的高效加工需求。

圖3 A軸擺角示意圖

2.6 直線伺服進給機構

X、Y、Z直線伺服軸均采用伺服電動機直聯絲杠，各軸均雙驅同步控制，增大了驅動力，提升了動態特性。采用高剛度的圓柱滾子直線導軌，導向精度高，摩擦因數小，有利于移動部件的高速平穩運行。

2.7 數控系統

采用科德自主研發的GNC62數控系統，如圖4所示。具有高速信息交互——GLNK光纖運動控制現場總線技術、精密的位置/角度感知——傳感細分技術、精準的高頻控制調度——GRTK實時內核技術。

圖4 科德GNC62數控系統

3 主要技術參數

在充分調研用戶群體的前提下，分析了國外產品現有機型及技術指標的情況下，結合典型用戶零件的工藝特征、加工工藝性，提出了主要適用于航空發動機典型零件加工機床的主要技術參數，如表1所示。

表1 KHMC80 U型臥式五軸加工中心主要技術參數

4 應用

KHMC80 U型臥式五軸加工中心已成功應用于某些航空發動機廠家，用來加工機匣[4]（如圖5）、葉盤類（如圖6）等零件，并得到了用戶的充分認可與肯定，同時用戶也提出了寶貴的優化升級建議，將促進產品的不斷完善與提升，同時也請相關高校、科研機構共同參與了基礎共性技術的研究，也將不斷提升機床性能的穩定性與精度保持性，充分地發揮了產學研用的機制，有利地促進了產品的升級迭代。

圖5 機匣

5 結語

隨著航空發動機的不斷發展，新一代的難變形材料、輕質合金、復合材料應用步伐加快，針對上述材料的大量應用，其高效加工必將成為航空制造業不斷追求的目標。而針對航空發動機機匣類的設備，主要依賴進口，因此研制具有自主知識產權的臥式五軸加工中心，用于機匣類等多面體類零件的加工，有著廣泛的市場需求和廣闊的市場前景。研制的KHMC80 U型臥式五軸加工中心，能夠部分滿足航空發動機機匣類等多面體類零件的高效、高精度加工的要求，但較國外設備還有一定差距，希望通過國家政策的不斷引領和企業用戶的不斷應用反饋，持續提升產品的性能和各項技術指標，使設備最終能替代進口產品，達到自主化、技術可控，免于國外的技術限制與封鎖，最終促進我國航空航天工業的不斷發展。