五軸一體式轉(zhuǎn)臺立式加工中心設(shè)計要點分析
2022-5-7 來源：寶雞機床集團有限公司 作者：羅海軍，賈銀濤
摘要: 針對用戶零件工況及機床最大軸向抗力計算，提出利用三維仿真模擬對五軸立式加工中心進行變形量分析，確定出了整機為五軸一體式轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，有效的提高了 Z 軸空間，使得整機具有良好的剛性。重點對機床夾具、一體式轉(zhuǎn)臺、光機部件進行了結(jié)構(gòu)要點分析，結(jié)合對轉(zhuǎn)臺裝配過程中技巧方法的論述，力求對同類機床的設(shè)計與制造提供借鑒與幫助。
關(guān)鍵詞: 最大切削力; 三維仿真模擬; 變形量; 五軸一體式轉(zhuǎn)臺
0 引 言
五軸加工中心被認為是汽車、航空、精密儀器行業(yè)加工關(guān)鍵部件的最重要加工設(shè)備，作為應用范圍最廣的數(shù)控機床技術(shù)，五軸加工中心在加工方面有著其不可替代的優(yōu)點，高端五軸加工技術(shù)是我國機床行業(yè)的短板，從整體來看國內(nèi)五軸加工機床市場完全被國外市場壟斷。要早日實現(xiàn)五軸加工機床從低端到高端再到高精尖產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變，必須以市場為導向，緊抓技術(shù)升級，促進五軸機床產(chǎn)業(yè)化整體升級，因此研發(fā)一款高性能的五軸加工中心十分必要。五軸加工中心一般分為擺頭式和搖籃式( 雙轉(zhuǎn)工作臺) ，搖籃式適用于輕型零件，主軸只做直線軸運動，結(jié)構(gòu)簡單可靠，主軸剛性及精度也會更好［1］，結(jié)合用戶合作單位的汽車類輕型零件加工，筆者對五軸立式加工中心設(shè)計過程中的技術(shù)要點進行分析，選定整體結(jié)構(gòu)為 3+2 搖籃式結(jié)構(gòu)，為其后續(xù)的改進、批量生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
1、用戶零件工況分析及整機結(jié)構(gòu)的確定
1．1 用戶零件加工內(nèi)容及計算
用戶工件如圖 1 為本次專項牽頭單位典型產(chǎn)品，機床設(shè)計完成后，需完成該零件的多工序加工，零件材料為 QT400－15 ，硬度為 HB = 130－180，鉆 Ф13．15鎖銷孔及銑外側(cè)面 Ф22 平臺，以及割寬度 10 mm 的減振器槽。
刀具選用硬質(zhì)合金切槽刀直徑 d0 = 125 mm，主軸轉(zhuǎn) n = 600 r/min，進給量 fz = 0．035 mm /z，背吃刀量ap = 10 mm，側(cè)吃刀量 ae = 25 mm，刀具齒數(shù) z = 6，計算出主軸系統(tǒng)所需功率［2］。
圖 1 用戶工件
1．2 五軸加工中心設(shè)計功率及最大切削力的確定
加工工件材料為 45 鋼，刀具選用硬質(zhì)合金立銑刀直徑 d0 = 25 mm，主軸轉(zhuǎn) n = 1 600 r/min，進給量 fz= 0．12 mm /z，背吃刀量 ap = 8 mm，側(cè)吃刀量 ae = 25mm，刀具齒數(shù) z = 5，計算出主軸系統(tǒng)所需功率:
根據(jù)以上典型工況的計算，確定出本次機床的最大設(shè)計功率為 11 kW 和最大設(shè)計扭矩值為 75 N·M，主軸電機選用 FAUNC βiI 12 /12000。選取一款整體式主軸最高轉(zhuǎn)速為 12 000 r/min，最大扭矩為105N，最大輸出功率 15 kW，這些都滿足于用戶零件的加工要求。
1．3 整機的應力分析及整體結(jié)構(gòu)確定
立銑刀在銑槽時，主軸系統(tǒng)所受軸向抗力是造成主軸箱變型的重要因素如圖 1 所示，以上述大切削力銑槽工況中所計算出的切削力 Fz = 4 725 N 為算例，根據(jù)公式 F0≈( 0．5 ～ 0．55) Fz，可計算出銑削時的軸向抗力 F0≈2 500 N。
如圖 2 所示機床采用的是傳統(tǒng)的 3+2 模式，工作臺和五軸轉(zhuǎn)臺是通過過渡板連接，轉(zhuǎn)臺和機床為分體式結(jié)構(gòu)，這時立柱頂面距底面為 2 900 mm，受到 2500 N 的軸向抗力時，通過 Solidwords Simulation 分析其變型量最大為 0．015 7 mm。
主軸系統(tǒng)在受同樣的軸向抗力時，通過優(yōu)化五軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，使得工作臺和五軸轉(zhuǎn)臺設(shè)計為一體式結(jié)構(gòu)，這時機床結(jié)構(gòu)更緊湊，穩(wěn)定性更好，立柱頂面距底面降低為 2 700 mm，如圖 3 所示其變型量最大為 0．010 5 mm，變型量有了明顯的下降，整體剛性有了顯
著提高。
圖 2 傳統(tǒng)工作臺與轉(zhuǎn)臺分體式 圖 3 五軸一體式轉(zhuǎn)臺立
五軸加工中心變型量 加工中心變型量
2、機床核心部件結(jié)構(gòu)設(shè)計分析
2．1 機床夾具設(shè)計
如圖 4 夾具結(jié)構(gòu)所示夾具本體 1 通過 T 型槽塊2 與五軸一體式轉(zhuǎn)臺固定，用戶工件 3 通過一面兩銷進行定位，夾緊油缸 4 負責對工件提供夾緊力，輔助支撐油缸 5 對工件提供側(cè)向支撐力防止工件變形。液壓油通過夾具本體里預留的油路，為所有液壓缸提供動力，液壓油管 6 接入五軸轉(zhuǎn)臺盤面里的油路分配器，油路分配器又與外置液壓站相連接，液壓站最高壓力 20 MPa，具有保壓和卸壓報警功能，配五路電磁其中四路為單路電磁閥僅為夾具提供輔助支承及轉(zhuǎn)臺鎖緊動力，剩余一路電磁閥為一進一出回路系統(tǒng)，驅(qū)動夾具上液壓夾緊缸夾緊和松開。
圖4 夾具結(jié)構(gòu)圖
1．夾具本體 2．T 型槽塊 3．用戶工件 4．夾緊油缸5．輔助支撐油缸 6．液壓油管
2．2 五軸一體式轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)及裝配要點分析
如圖 5 數(shù)控搖籃一體式回轉(zhuǎn)工作臺為該機床的核心部件，可實現(xiàn) A 軸±110°擺動，C 軸 360°回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臺盤面 1 為直徑 400 mm 帶 T 型槽圓形工作臺，夾具油路與盤面中心分配器連接，為壓緊工件提供動力，結(jié)構(gòu)美觀、可靠。通過將機床工作臺 3 和搖籃轉(zhuǎn)臺 2 設(shè)計為一體，提高了 Z 軸空間的利用率，降低了立柱的高度，使得機床具有良好的剛性，工作臺底部為兩組六滑塊滾柱線軌結(jié)構(gòu)，為工作臺提供了恒久的支撐力。導軌防護 4 為工作臺線性導軌及滑塊提供良好的保護，避免切削液污染導軌。
圖5 一體式轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)圖
1．轉(zhuǎn)臺盤面 2．搖籃式轉(zhuǎn)臺 3．機床工作臺 4．導軌護罩
在實際裝配過程中必須保證一體式轉(zhuǎn)臺 6 個滑塊安裝面的等高度在 0．02 mm 以內(nèi)，為了消除底面的加工誤差，必要時需對底面進行刮研，由于一體式轉(zhuǎn)臺外形不規(guī)則并且較重，不容易進行翻轉(zhuǎn)，通過計算確定出轉(zhuǎn)臺重心位置，如圖 6 所示把刮研支架固定在轉(zhuǎn)臺頂部，利用轉(zhuǎn)動工裝對其進行翻轉(zhuǎn)，使滑塊安裝面朝上，方便進行修配。通過對底面進行刮研，保證一體式轉(zhuǎn)臺底面與線軌的六個滑塊保持良好接觸，最后利用三組壓塊對滑塊側(cè)母線進行定位。
圖 6 一體轉(zhuǎn)臺刮研示意圖
1．刮研支架 2．壓塊 3．轉(zhuǎn)動工裝 4．滑塊
作為測量與反饋元件的圓光柵，是數(shù)控轉(zhuǎn)臺保證回轉(zhuǎn)精度的重要元器件，它的裝配精度直接影響轉(zhuǎn)臺的定位精度和重復定位精度［3］，本次圓光柵安裝充分保證了安裝后的同軸和垂直度要求，圓光柵動、定部分的間隙嚴格控制在 0．2 mm，A /C 軸加裝了高精度圓光 柵 后，按照五軸聯(lián)動立式加工中心檢驗標準［4］，實際測得兩回轉(zhuǎn)軸定位精度≤0．016，重復定位精度≤0．008，優(yōu)于國家標準，順利的通過專項驗收。
3、五軸立式加工中心光機部件結(jié)構(gòu)解析
如圖 7 機床整體為 C 形結(jié)構(gòu)，采用鏈條式配重 1平衡方式，立柱 2 采用人字型結(jié)構(gòu)，配合大跨距淬硬導軌，貼塑、刮研工藝，使摩擦阻力小，精度保持性長久。
圖7 五軸立式加工中心光機結(jié)構(gòu)
1．鏈條式配重 2．立柱 3．五軸一體式轉(zhuǎn)臺 4．底座 5．C3 級絲杠 6．滑臺 7．主軸箱 8．定量式分油器
五軸一體式轉(zhuǎn)臺 3 具備 A、C 軸復合功能，適合加工汽車行業(yè)復雜曲面零件。X、Y、Z 軸均采用高精度 C3 級絲杠 5 與大扭矩交流伺服電機直接傳動，實現(xiàn)高動態(tài)特性，適宜于工件高速切削; 底座 4 上四條重載高精度線軌與滑臺連接，保證整機的位置精度能達到了精密機床的標準。滑臺 6 采用導軌內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，降低了工作面到地面的高度，有利于人工操作上下料并且整機剛性更好，有效的提高了 Z 軸的加工空間和范圍。主軸箱 7 采用油冷卻方式，熱穩(wěn)定性好、精度保持性高。機床選用 12 000 r/min 高速主電機與主軸連接，主軸運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠。導軌、滾珠絲杠副均采用集中自動稀油潤滑，各個節(jié)點配有定量式分油器 8，定時定量向各潤滑部位注油，保證各滾、滑動面均勻潤滑，有效的減小摩擦阻力，提高了運動精度，保證了滾珠絲杠副和導軌的使用壽命。
4、樣機可靠性驗證與設(shè)計應用
8 臺 VM1270L 五軸立式加工中心如圖 8 樣機試制完成后，對其進行了負荷試驗，在機床恒功率區(qū)范圍內(nèi)選取主軸轉(zhuǎn)速 n = 1 600 r/min ，采用直徑 d0 = 25mm 四齒硬質(zhì)合金鋼端銑刀進行銑削試驗，通過改變進給速度或切削深度，使機床達到設(shè)計最大功率 11kW，此次試驗過程中樣機工作正常、可靠。
根據(jù)五軸聯(lián)動立式加工中心技術(shù)條件和精度檢驗標準對樣機進行了大量切削和精度檢測試驗，各項位置精度、幾何精度及加工精度都優(yōu)于國家標準。機床已在用戶處加工轉(zhuǎn)向節(jié)等汽車類典型零部件，使用效果良好，并且已經(jīng)順利通過國家專項驗收。
圖 8 樣機實物
5 、結(jié)語
汽車行業(yè)轉(zhuǎn)向節(jié)、渦輪增壓等技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應用，會帶動大量適用復雜零件加工的五軸聯(lián)動機床的需求，同時也為國內(nèi)機床制造企業(yè)提供了機遇。本文通過介紹一款具備 A、C 軸復合功能，可實現(xiàn)一次裝夾完成復雜曲面零件加工的五軸立式加工中心，經(jīng)過對該產(chǎn)品重要部件及五軸一體式轉(zhuǎn)臺的技術(shù)要求點分析，結(jié)合樣機試制完成后的大量實驗數(shù)據(jù)，得出該產(chǎn)品是一款精度高，效率高，可顯著提高機械行業(yè)的生產(chǎn)效率、自動化水平的設(shè)備，力求對同類機床的設(shè)計與制造提供借鑒與幫助。
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