六軸臥式數控鏜銑機床的研究與開發

曾大慶，陳海源，賀立峰，吳雨春，胡世衡

（環球工業機械（東莞）有限公司，廣東東莞 523771）

0 引言

鏜銑床是加工行業普遍使用的一種加工機床，主要分為立式鏜銑床和臥式鏜銑床兩種，其中臥式數控鏜銑床應用最為廣泛，臥式數控鏜銑床的主軸軸線平行于水平面，為了擴大加工范圍和擴充加工功能，臥式數控鏜銑床通常采用增加數控回轉工作臺來實現四坐標加工，可以實現工件在一次安裝中，通過數控回轉工作臺改變工位，可以把工件上在水平面內呈現不同角度的加工面或者孔擺成與主軸軸線平行來進行加工，因此可以省去許多專用角度成形銑刀。對于箱體類零件，配置數控回轉工作臺，最適合于零件多工作面的銑、鉆、鏜、鉸、攻絲、兩維、三維曲面等多工序加工，具有在一次裝夾中完成箱體孔系和平面加工的良好性能，還特別適合于箱體孔的調頭鏜孔加工，另外鏜銑床結合了鏜床和銑床的兩種加工功能于一體，主要用于鏜孔和銑削平面或曲面使加工效率更高、精度更好，極大地提高了產品品質和勞動效率。鏜銑機床因其工藝范圍非常廣泛而得到在機械加工行業普遍應用，尤其適合大型、復雜的箱體類零件的銑削及鏜孔加工，適用于工程機械、風電、船舶、飛機、機車、汽車、機床等行業。因為這些零件孔本身的精度、孔間距精度、孔的軸心線之間的同軸度、垂直度、平行度等都有嚴格要求，上述這些零件如果在其他機床上加工難以保證精度。

在機床設備制造領域，國內外臥式數控鏜銑機床生產商一般采用數控回轉平臺與主軸能夠在X、Y、Z三個軸的方向上相對運動，同時數控回轉工作臺能夠自轉，以便鏜銑機床的主軸帶動刀具對工件的各個部位進行加工。然而現有的數控鏜銑機床無法對工件上傾斜于水平面（孔軸線與水平面傾斜）的孔進行鏜削加工，而為了加工上述孔洞，需將工件重新裝夾，方法一是把通過工裝把工件傾斜碼放，使得上述孔洞的孔軸通過現有的數控鏜銑床進行加工，然而重新裝夾工件又會導致夾具誤差（包括但不限于定位誤差、夾緊誤差），而且不同的角度需要相對應的工裝裝夾，費事費力，成本高昂；方法二是增加一個可以在水平面內傾斜的回轉工作臺，通過傾斜的回轉工作臺使得上述孔洞的孔軸與鏜銑機床主軸軸線平行進行加工，這樣方法對于小型零件尚且可以實現，但對于超過3 t以上的大型工件就很難實現，因為可以在水平面內傾斜的回轉工作臺承受不了大型工件傾斜產生的旋轉扭矩，工作臺在水平面內傾斜驅動及鎖緊都非常困難，回轉精度也極難保證。所以上述兩種方法都不能較好地解決臥式數控鏜銑機床加工傾斜于水平面（孔軸線與水平面傾斜）的孔。

針對目前國內外臥式數控鏜銑床在豎直平面內無法傾斜加工的行業難題，本文著重研究主軸軸線在豎直平面內的旋轉，解決臥式數控鏜銑床在水平平面及豎直平面都能傾斜加工的行業難題，實現對大型金屬加工工件空間任意角度高精度深孔鏜削與銑削加工，提高復雜曲面工件的精密加工能力。

1 六軸臥式鏜銑機床總體設計方案

本文研究六軸臥式數控鏜銑加工機床以解決現有的設備無法鏜削加工與水平面相傾斜的孔的問題，圖1所示為設備總體外形圖。包括床身1、數控回轉臺2、立柱3、滑臺4、滑枕5、主軸6、底座8，數控回轉臺2能夠驅動工件相對床身1水平移動并轉動，立柱3豎直設置并連接于底座8，且立柱3能夠在水平方向上相對床身1沿X軸方向移動，滑臺4連接于立柱3且滑臺4能夠在豎直方向上沿Y軸方向移動，滑枕5通過水平設置的轉軸7轉動連接于滑臺4，主軸6設在滑枕5上。

圖1 設備總體外形

2 機床具體結構設計

如圖2所示，滑枕5上設有第一驅動機構51以及用于驅動主軸6沿其軸向運動的第二驅動機構52，第一驅動機構51包括第一驅動主軸電機512、不可相對轉動地套接于主軸6且能夠沿主軸6的軸向運動的皮帶輪511，

圖2 滑枕結構

第一驅動主軸電機512連接于皮帶輪511（為了增加低轉速時的主軸輸出扭力，主軸電機512輸出端一般連接一個變速箱，變速箱有2個變速擋位，例如當主軸轉速低于1 500 r/min時，變速箱減速比為1∶4，當主軸轉速高于或等于1 500 r/min時，變速箱減速比為1∶1），以驅動皮帶輪511轉動，皮帶輪511可帶動主軸6繞其軸線轉動，第二驅動機構52可推動主軸6沿其軸向運動以進行鏜銑加工，皮帶輪511可在主軸6的軸向相對主軸6滑移，這使得主軸6在其軸向運動時并不會帶動皮帶輪511跟隨主軸6軸向移動，能夠使得主軸6運行更為平穩，以提升機床的加工精度。由于滑枕5能夠帶動主軸6相對滑臺4傾轉（傾轉的軸線即為水平設置的轉軸7），

因此主軸6能夠加工工件上傾斜于水平面的孔，而無需對工件進行重新裝夾，避免出現夾具誤差，而且還能夠提升機床的加工效率。此外，滑枕5的轉動軸線和數控回轉平臺2的轉動軸線相垂直，以實現主軸6在豎直平面和水平平面內多個角度對數控回轉平臺2上的工件進行加工。

第二驅動機構52包括第二驅動電機523、絲桿521和活動地配合連接于絲桿521的螺母522，絲桿521設于滑枕5且所述絲桿521平行于主軸6，主軸6的端部轉動連接于螺母522，第二驅動電機523設在滑枕5上，第二驅動電機523連接于絲桿521，第二驅動電機523帶動絲桿521轉動，以驅使螺母522在絲桿521的軸向上運動，以帶動主軸6沿其軸向運動?；?上設有與主軸6平行設置的滑軌58，導軌上活動地配合連接有滑塊61，主軸6的一端轉動連接于滑塊61，滑塊61連接于主軸6的端部可以抑制主軸6在加工工件時產生的振動。

如圖3～5所示，滑臺4上設有與轉軸7同軸設置的從動齒輪41，從動齒輪41為扇形結構（為了驅動更平順，齒輪一般設計為斜齒嚙合），滑枕5設有與從動齒輪41相嚙合的主動齒輪組，主動齒輪組包括在軸向上并列排布的第一主動齒輪53和第二主動齒輪54（滑枕5向上方旋轉用第一主動齒輪53驅動，滑枕5向下方旋轉用第二主動齒輪54驅動，由于重力原因，滑枕5向上方旋轉驅動力遠大于向下方旋轉驅動力，所以第一主動齒輪53要比第二主動齒輪54要寬），第一主動齒輪53上固定地設有安裝軸531，第二主動齒輪54開設有安裝孔541，安裝軸531穿設并連接于安裝孔541，且第一主動齒輪53的端面和第二主動齒輪54的端面相抵接，這使得第一主動齒輪53和第二主動齒輪54合二為一。第一主動齒輪53的輪齒和第二主動齒輪54的輪齒分別抵接于從動齒輪41的異側齒面，進而消除齒間間隙，不僅提升了傳動精度，而且能夠防止滑枕5在機床對工件進行加工時相對滑臺4產生異常傾轉，進一步提升加工精度。

圖3 滑臺結構

圖5 A軸驅動齒輪結構

第二主動齒輪54上還設有空心軸542，安裝軸531穿設于安裝孔541和空心軸542的中心孔，空心軸542可提升第二主動齒輪54和第一主動齒輪53的連接緊密性，進一步防止第二主動齒輪54的軸線與第一主動齒輪53的軸線產生偏轉，具體地，第一主動齒輪53的一端設有傳動軸532，另一端設有上述安裝軸531，傳動軸532通過第一推力軸承轉動連接于滑枕5，空心軸542通過第二推力軸承轉動連接于滑枕5，第一推力軸承和第二推力軸承的止推方向相反，因此第一推力軸承和第二推力軸承還能夠提供止推力以迫使第一主動齒輪53和第二主動齒輪54緊緊地相貼合。

如圖4和圖6所示，該機床還包括滑枕5旋轉抑制機構，旋轉抑制機構包括螺桿57、設于滑枕5的安裝底座55以及與滑臺4相對設置的頂推板56，安裝底座55上具有第一斜面551，頂推板56上具有與第一斜面551可滑動地相抵接的第二斜面561，第一斜面551和第二斜面561均與滑臺4的側壁傾斜設置，在安裝機床的滑枕5的過程中，施力驅動頂推板56在豎直方向上相對安裝底座55運動，使得第一斜面551相對第二斜面561滑動，進而調節頂推板56對滑臺4的擠壓力，頂推板56可防止滑枕5在水平面上相對滑臺4擺動。機床在長期使用后，若頂推板56對滑臺4施加的擠壓力低于出廠預設的臨界值，維護人員可直接驅使頂推板56在豎直方向上相對安裝底座55運動，以調節頂推板56對滑臺4的擠壓力。安裝底座55上設有螺孔，螺桿57的一端活動地配合連接于螺孔，另一端抵接于頂推板56的一側，裝維人員可旋動螺桿57，使得螺桿57沿其軸向運動以帶動頂推板56在豎直方向上相對安裝底座55運動。頂推板56在豎直方向上越向上運動，就越把滑枕5上的導軌緊壓在滑臺4上面，以保證滑枕5一直是緊貼著滑臺4導軌面旋轉。

圖4 滑臺、滑枕后視圖

圖6 滑枕旋轉抑制機構

3 機床的數控系統設計

本機床采用的CNC數控系統主要包含伺服控制單元和PLC控制單元兩個方面。

（1）伺服控制單元

如圖7所示，CNC控制系統通過光纜連接主軸伺服驅動器，用于控制主軸的旋轉的速度和方向，用于主軸的角度定位和定向；光纜連接伺服驅動器，用于控制X、Y、Z、W、A、B各軸的移動方向和移動速度。通過伺服控制單元，控制各伺服軸與主軸的聯動，從而實現對工件的加工。

圖7 伺服控制單元連接

（2）PLC控制單元

CNC控制系統通過信號電纜連接I/O模塊，用于控制機床各軸的手動軸向移動，主軸的手動控制，機床手動冷卻控制，機床手動氣動控制，機床潤滑控制以及機床外部報警提示等等，PLC控制程序均由專用的編程軟件編寫及編譯完成，程序格式如圖8所示。

圖8 PLC控制程序格式

4 測試驗證與結果分析

本文研究的的六軸臥式數控鏜銑加工機床，經過前期的調研、立項、設計、試制、調試完成，機床各項功能達到立項要求。其數控回轉工作臺2（定義為B軸）能夠在X、Y、Z軸方向上相對主軸6運動，且滑臺4與滑枕5通過水平設置的轉軸7轉動相連，使得主軸6能夠繞轉軸7擺動（定義為A軸），第二驅動機構52用于驅動主軸6沿其軸向運動，實現主軸6的鏜銑進給運動（定義為W軸），并設計了滑枕5旋轉時的抑制機構，加強了滑枕5旋轉剛性，雙齒輪消除間隙驅動結構，并通過轉軸一端的圓光柵檢測旋轉角度。實現了A軸高精度旋轉，且A軸軸線垂直于B軸軸線，可實現主軸6在水平平面及豎直平面上任意角度對數控回轉平臺2上的工件進行加工，樣機完成后經測試驗證其各直線軸X、Y、Z、W定位精度達到0.012 mm/3 000 mm、0.012 mm/2 000 mm、0.008 mm/1 500 mm、0.013 mm/700 mm、各旋轉軸A、B定位精度達到4.05″、4.30″。圖9所示為本文研發產品效果圖。

圖9 產品效果圖

5 結束語

當今航空航天、汽車、船舶、大型家電、電力等行業高端機械零部件越來越趨大型化、復雜化、精密化，目前同行一般采用傳統的臥式數控鏜銑床，自動化程度不高，而且都是四軸，或者選配回轉工作臺五軸（4個直線軸X、Y、Z、W加一個回轉工作臺B軸），沒有配置主軸在豎直平面內旋轉的A軸，在豎直平面內的斜孔和型腔不方便加工，而本文在傳統鏜銑加工機床優化升級，增加了主軸箱繞X軸旋轉功能（A軸）和高精密數控回轉工作臺（B軸）。通過對算法的優化設計和機械結構的創新設計，實現對大型金屬加工工件空間任意角度高精度深孔鏜削與銑削加工，提高復雜曲面工件的精密加工能力，提高作業精度及生產效率。同時該項目指標性能方面的優勢，這對此系列產品后期進行批量生產以及推廣提供了足夠的機會。

加工效率與精度是金屬加工領域追求的永恒目標。隨著數控技術、機床技術以及加工工藝技術的不斷發展，傳統的加工理念已不能滿足人們對加工速度、效率和精度的要求。在這樣的背景下，多軸復合加工技術應運而生。一般來說，復合加工是指在一臺加工設備上能夠完成不同工序或者不同工藝方法的加工技術的總稱。與常規數控加工工藝相比，六軸鏜銑機床加工具有的突出優勢主要表現在以下幾個方面。

（1）六軸四聯動數控系統，通過對算法的優化設計和機械結構的創新設計，實現大型加工工件的空間任意角度高精度銑削與鏜削復合加工，縮短產品制造工藝鏈，提高生產效率。

（2）鏜銑主軸箱繞X軸旋轉功能（A軸），實現了鏜銑主軸在垂直平面內任意角度加工，將解決目前國內大型鏜銑床在垂直平面內無法傾斜加工的行業難題。

（3）減少裝夾次數，提高加工精度。裝卡次數的減少避免了由于定位基準轉化而導致的誤差積累。從而提高產品的加工精度。

（4）減少占地面積，降低生產成本。緊湊美觀的外形設計，改善了空間利用方式，維護修理更方便讓客戶得到最大的滿意；雖然六軸鏜銑機床設備的單臺價格比較高，但由于制造工藝鏈的縮短和產品所需設備的減少，以及工裝夾具數量、車間占地面積和設備維護費用的減少，能夠有效降低總體固定資產的投資、生產運作和管理的成本。