HMC63h 高速臥式加工中心設計研究

張立彬

（沈陽機床股份有限公司，遼寧 沈陽 110142）

近年來隨著汽車行業的高速發展，汽車用戶對汽車的多樣化、個性化的要求及發動機技術的飛速發展和汽車行業激烈競爭的現狀，迫使汽車企業的產品換型越來越快，產品品種紛繁多樣。原來單一工件的大批量生產變成了多種工件較小批量迭加而成的大批量生產，因此，多年來在汽車制造行業占統治地位的組合機床（專機）生產線已無法滿足汽車行業快速更新的現實需要。高精、高效、全柔性加工成為當前汽車發動機生產線的基本需求，因此加工中心類機床成為目前國內外汽車發動機加工行業的首選[1]。發動機作為汽車的心臟，制造廠商有非常苛刻的制造和檢驗標準，為了滿足廠商對高速、高效率機床的要求，高速臥式加工中心應運而生，滿足了加工柔性與產量、質量的需求。

高速切削機床是高速切削加工的物質基礎[2]，HMC63h 高速臥式加工中心屬于工業和信息化部“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項，其目的是通過該重大專項的實施，形成高檔數控機床與基礎制造裝備主要產品的自主開發能力，總體技術水平進入國際先進行列。“柴油發動機缸體柔性加工生產線”課題主要針對國產高檔數控機床的現狀，結合柴油發動機缸體加工工藝特點，通過對專項中支持的數控機床、共性技術等成果的實際工程應用，解決國產高檔數控機床在生產使用過程中存在的實際問題并進行示范，從而完善機床功能，提高機床精度和可靠性，提高工件加工質量和加工效率，達到推進國產高檔數控機床在汽車發動機加工領域廣泛應用的目的，促進國產數控機床設計制造水平的快速提升?！笆痉豆こ獭笔侵卮髮ｍ椀闹攸c任務之一，其作用是在最終用戶單位建立重大專項成果應用平臺，將重大專項的研發成果在最終用戶處進行推廣應用。

1 機床主要用途和適用范圍

HMC63h 高速臥式加工中心是具有高速度、高精度、高效率的金屬加工機床，采用630 mm×630 mm雙交換工作臺、高速大扭矩電主軸、高速進給系統和快速換刀系統，大大提高了加工效率并減少輔助時間。可在一次裝夾中完成零件多個工作面的銑、鉆、鏜和攻絲等工序，是箱體、殼體、閥體等零部件加工的理想設備，廣泛適用于汽車、摩托車、儀表、液壓件等行業，尤其適合發動機缸體、缸蓋、變速箱殼體等零件的成套加工生產線。

2 機床主要技術參數

機床主要技術參數如表1 所示。

表1 機床主要技術參數

表1（續）

3 機床的主要結構、性能

3.1 床身部與Z 軸驅動介紹

機床為T 字形鑄造整體床身，為中心排屑結構，下方均布有8 個地腳螺栓，可以保證機床本身具有較高的剛性和穩定性。床身部主要部件包括調節床身-立柱位置的調整塊和定位銷、交換機構的調整塊、整機吊裝時用的吊環、Z軸驅動、Z軸直線導軌、Z軸光柵尺以及接水盤。

Z軸直線導軌能無間隙輕快地運動，可以獲得較高的移動速度和定位精度，具有較強的剛性，容許負荷大，并且能長期維持高精度，有出色的高速性，維護保養非常簡便。數控轉臺在床身部Z軸直線導軌上移動實現Z軸運動，并且在行程兩端向外各預留出25 mm 距離作為安全沖程。兩導軌之間設有滾珠絲杠副，滾珠絲杠的兩端有軸承座支承，滾珠絲杠的軸端用聯軸器與伺服電機相連，采用一端固定一端支撐的安裝方式，滾珠絲杠螺母的法蘭盤固定在數控轉臺下部的支承面上，伺服電機驅動滾珠絲杠使數控轉臺沿床身前、后移動，其最大進給速度為60 m/min，最大移動速度為60 m/min。

滾珠絲杠的螺母由絲杠制造廠預先調好預應力，以消除絲杠與螺母滾道間間隙。

3.2 立柱部與X 軸驅動介紹

立柱為鑄造“回”形結構，通過20 根M24 的加強螺栓固定于床身之上，使其定位可靠、穩定。立柱部主要部件包括X軸直線導軌、X軸上驅動、X軸下驅動、X軸上光柵尺、X軸下光柵尺、走線槽以及撞塊和支座。

滑板在X軸直線導軌上移動實現X軸運動，并且在行程兩端向外各預留出20 mm 距離作為安全沖程。機床X軸采用了伺服電機直聯雙滾珠絲杠副同步驅動技術，配置精密光柵檢測系統形成閉環控制[3]。立柱采用雙驅動結構，使滑板在立柱上運行時更加平穩。兩導軌之間設有兩組滾珠絲杠副，滾珠絲杠的兩端有軸承座支承，滾珠絲杠的軸端用聯軸器與伺服電機相連，采用一端固定一端支撐的安裝方式，滾珠絲杠螺母的法蘭盤分別固定在滑板背部的支承面上，伺服電機驅動滾珠絲杠使滑板沿立柱左、右移動，其最大進給速度為60 m/min，最大移動速度為60 m/min。

3.3 滑板部與Y 軸驅動介紹

滑板采用雙絲母驅動，滑塊安裝面與X軸滑塊緊密貼合使其定位可靠、穩定?；宀恐饕考╕軸驅動、Y軸光柵尺、限位開關、Y軸直線導軌、平衡氣缸及拖鏈支架。

主軸箱在Y軸直線導軌上移動實現Y軸運動，并且在行程上端、下端分別向外各預留出10 mm、15 mm距離作為安全沖程。兩導軌之間設有滾珠絲杠副，滾珠絲杠的兩端有軸承座支承，滾珠絲杠的軸端用聯軸器與伺服電機相連，采用一端固定一端支撐的安裝方式，滾珠絲杠螺母的法蘭盤固定在主軸箱后部的支承面上，伺服電機驅動滾珠絲杠使主軸箱沿滑板上、下移動，其最大進給速度為60 m/min，最大移動速度為60 m/min。Y軸驅動的伺服電機帶有機械抱閘裝置，可以實現斷電保護，避免主軸突然下落對刀具、工件及機床造成的損害。

3.4 主軸箱部與電主軸介紹

主軸箱絲母安裝座與滑板的Y軸絲母緊密貼合，滑塊安裝面與Y軸導軌滑塊連接使其定位可靠、穩定。主軸箱部主要部件包括電主軸、主軸外冷、尾桶及固定架。

機床配置電主軸，該電主軸配有主軸外冷和主軸中心出水的功能，最高轉速為8 000 r/min。主軸錐孔型式為HSK-A100，此類型刀柄可實現大扭矩、高轉速的加工，配合中心出水冷卻的功能，可更好地保護刀具和工件，使加工效果更佳。

電主軸在正常運轉中，如果沒有刀具，則電主軸的最高轉速不能超過500 r/min，且主軸的錐柄部分的卡爪要根據具體情況進行潤滑，每次工作前必須確定水冷已經打開，且要注意主軸的溫升是否在允許的范圍之內。

3.5 數控轉臺與交換臺站結構介紹

單個工作臺最大承載量為1 200 kg，最高轉速為30 r/min，可以進行聯動加工。數控轉臺與床身直線導軌滑塊和絲杠緊密貼合、交換臺站與床身前部緊密結合，并由螺釘緊固，保證其穩定可靠。

交換臺站帶動交換叉進行升起、降落運動，升降行程為45 mm，工件自身回轉最大直徑為1 000 mm。在使用過程中，工件必須固定牢固，而且應避免頻繁的單側偏載使用，偏載最大質量為300 kg。交換叉在交換臺站的電機驅動下實現旋轉運動，完成2 個工作臺的交換。另可通過調整輸入液壓缸的液壓油的流量來調整工作臺上下運動的速度、電機的轉速等。

前工位處的工作臺在交換之前必須通過傳感器信號確認是否處于鎖緊狀態，并位于可以交換的位置，方可進行交換。前工位處的防護門在機床工作過程中必須是處于關閉鎖緊狀態，應通過電氣按鈕控制，不可人為隨便開啟。當操作工人手工上、下料或通過機器人上、下料時，雖然工作臺可以進行任意角度的旋轉，但是出于安全的考慮，前工位必須在每隔90°的位置進行鎖緊和工作，其他角度位置不允許上、下料。

數控轉臺滑座帶動托盤在床身導軌上沿Z向運動，采用蝸輪蝸桿結構實現B軸旋轉。轉臺頂面裝有2 個定位銷和4 個錐形夾緊塊。通過油缸控制夾緊塊內的夾爪，抓緊或松開安裝在托盤底部的銷釘，實現數控轉臺對托盤的夾緊、松開功能。

主軸中心距工作臺面最小距離為160 mm，主軸端面距轉臺中心的最小距離為110 mm，工件最大高度為1 000 mm（如使用卡具，則需要考慮卡具底座的高度，適當降低工件的高度，避免托盤交換不能順利進行）。工件加工時需要合理的裝卡，以避免由于裝卡等原因導致工件上的某些特征加工不到。工作臺卡緊和松開狀態、工作臺是否處于交換位置都由傳感器來確認。

數控轉臺頂面中心裝有快換接頭的下接頭，與裝在托盤中心的快換接頭上接頭配合，可向用戶提供6個用來夾緊、清潔夾具的液/氣接口。

3.6 刀庫結構及刀具檢測裝置介紹

本機床刀庫選擇的是鏈式刀庫，刀庫的換刀機械手能承受的最大刀具質量為單側25 kg，最大換刀長度為450 mm。刀庫所能容納的最大刀具直徑：滿刀時為125 mm，臨位空刀為250 mm。

刀具檢測裝置采用刀庫內檢測機構，主要用來檢測刀具破損、斷裂情況等。每次換刀完成后，刀具進入待刀區，刀具檢測開始，檢測完成后數據反饋回系統。

3.7 機床的防護系統

本機床采用的是整體防護形式。除排屑器水箱和水冷機外，其他都在防護間內，由于排屑器和水箱整體連接，故放在防護之外，便于拆卸。另液壓站沒有防護門，便于觀察及維護。防護間前工位為左右電氣控制拉門，刀庫側為平開門，防護間右側的拉門可使操作者方便對刀、檢測工件和手動換刀。

4 計算

4.1 X 軸電機的選擇

根據參考同類機床和實際經驗，本機床的X軸傳動絲杠外徑d=50 mm，導程Ph=25 mm。選用西門子1FT7102 型伺服電機，X軸采用雙驅結構，電機直聯傳動，減速比為1∶1。

4.2 旋轉扭矩的計算

等速時需要的旋轉扭矩Tt計算過程如下：

式（1）（2）中：T1為外部載荷引起的摩擦扭矩，N·mm；Fa為加速時軸向載荷，N；Ph為進給絲杠的導程，mm；η1為進給絲杠的正效率（取值查詢絲杠樣本）；μ為導向面上的摩擦系數；m為運送物的質量，kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；f為導向面的阻力（無負荷時），N。

式（2）中，各量具體取值如下：μ=0.003，m=2 158 kg，f=1 000 N。則Fa=0.003×2 158×9.8+1 000=1 063 N。

式（1）中，各量具體取值為Ph=25 mm，η1=0.96。并將式（2）的結果代入式（1）得：

加速時需要的旋轉扭矩TK計算過程如下：

式（3）—式（6）中：T2為加速時扭矩，N·mm；J為負載慣性力矩，kg·m2；ω為角加速度，rad/s2；Nm為電機每分鐘轉速，r/min；t為加速時間，s。

其中，Nm=3 000 r/min，t=0.2 s，Jm=0.009 14 kg·m2。則J=2158×106=0.0343kg·m2，=1 570 rad/s2，T2=0.034×2 093×103=91.03 N·m，TK=4.4+91.03=95.43 N·m。

4.3 減速時需要的旋轉扭矩Tg

Tg的計算公式如下：

代入上述求得的數據得：

5 校核

5.1 最大扭矩TMAX

負載最大扭矩必須等于或小于電機的最大扭矩值，即TMAX≤MMAX。電機最大扭矩值MMAX=120 N·m，負載最大扭矩值TMAX=TK=95.43 N·m，即TMAX＜MMAX。

5.2 扭矩的有效值Trms

負載扭矩的有效值必須等于或小于電機的額定扭矩，即Trms≤MN。

X軸采用雙驅結構，根據經驗公式，負載扭矩有效值小于2 個電機扭矩有效值的70%，即可滿足要求。

電機額定扭矩值：MN=2×20×70%=28 N·m，負載扭矩有效值：Trms=25.8 N·m，即Trms＜MN。

5.3 慣性力矩的校核

負載慣量比選取的過大，會造成電機的控制不穩定，調試電機將十分困難。同時，還會使得加工表面的精度與粗糙度降低，定位時間變長。推薦選取范圍：負載慣量/電機慣量為3～5。

通過計算得出結論，電機選型滿足要求。

6 主要成果

高速加工中心是數控機床中加工精度、生產率和自動化程度最高的綜合性機床，也是現代數控機床中最具代表性和技術附加值的產品。隨著中國裝備制造業產業優化升級和自主創新能力提升，從綜合技術性能和發展應用趨勢分析，高速加工中心應用范圍日益擴大，日后將成為主流制造裝備[4]。

本機床研究課題開展了國產數控機床性能驗證、可靠性測評及國外同類產品對比試驗研究，機床技術參數和指標達到同類型國外高速、高精機床水平，總投資相比同類進口設備節省30%以上，采取“產、學、研、用”聯合開展研究，采取沈陽機床與最終用戶聯合開展的方式，為沈陽機床培養一批具有高素質、專業化的技術人才，同時對“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項“十一五”科研成果進行示范，開展高速臥式加工中心機床結構優化、生產線規劃技術研究等。同時對“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項“十一五”科研成果在示范工程上進行展示，從而滿足用戶需求、使機床制造廠掌握自主高速臥加技術、成線技術，并對以國產數控機床為主的高檔自動生產線進行示范及推廣。