具有自主知识产权的精密高效卧式加工中心的开发
表1 机床的主参数参数范围
μ2000/800H
μ2000/5-630H
工作台面尺寸
800×800mm
Ø630mm
工作台承重
1500kg
650kg
工作行程
1200×1000×900mm
820×1000×900mm
主轴电机最大功率
22/25(15min)kW
22/25(15min)kW
主轴最高转速
8000r/min
8000r/min
快速移动速度
X、Y:48m/min
X、Y:48m/min
Z:36m/min
Z:36m/min
刀柄形式
BT50
HSK A100
换刀时间(刀-刀)
7s
7s
刀库容量
38
38
定位精度/全行程
X、Y、Z:0.008mm
X、Y、Z:0.008mm
重复定位精度
X、Y、Z:0.004mm
X、Y、Z:0.004mm
倾斜角度
-
-20°~+100°
回转轴定位精度
-
10”
二、机床设计目标和主参数的确定
由于本系列机床具有很强的针对性,特别是针对汽车发动机缸体孔方面的特殊要求,详细确定了机床的设计目标。主要体现在机床的高刚性、高速度方面,从而为机床最后的高精度、高效率提供保障。
机床的主参数如表1所示。
三、总体布局方案及确定
总体设计的原则:(1)要满足开发输入参数的要求,统筹考虑机床的加工精度、加工效率及高速性能;(2)确保机床具有相应的刚度、抗振性、热变形及噪声水平;(3)应用现有技术,减少开发风险,缩短开发周期,最大限度地考虑机床的系列化和部件的通用化程度;(4)注重采用新技术,同时新技术的应用及其风险要尽可能小;(5)便于观察加工过程,便于操作、调整和维修机床,便于输送、装卸工件和排除切屑,注意机床防护,确保安全生产;(6)考虑宜人性和环保要求;(7)巿场前景好,开发及生产成本低。
本系列产品在总体方案阶段主要设计考虑了两种技术方案。方案1为倒T字型结构,整体床身及整体立柱、工作台左右移动,立柱前后移动,主轴箱上下移动。优点:该结构对所正在生产销售的传统卧式加工中心具有借鉴性,如果采取新的设计手段和方法,采用新技术,在规格提升的同时大幅度提高刚性,在主轴及伺服进给、刀库及转台等方面有较大提高,技术相对成熟,可节约设计研发时间。其缺点主要表现在立柱上具有两个直线坐标轴的传动,因而较重,此方向的线性轴在高速移动方面可能会有所牺牲。
图1 μ2000系列卧式加工中心布局结构
方案2为正T字型结构,工作台前后移动,立柱左右移动,主轴箱上下移动。优点:立柱较轻,适合高速移动。其缺点主要是:当选用分度工作台时,该结构只可在前方配置回转式双工位交换工作台,一般双工位交换工作台与主机为一体设计,为必选配置,不能根据用户的要求,灵活选择是否配置;同时对传统产品没有较多借鉴性,设计研发周期相对较长。
根据总体设计原则,方案2虽然较方案1高速性能好,但与现有技术的兼容性差,技术风险相对高,研发周期较长。对于方案1,通过选择高特性伺服电机,可满足对立柱、转台的驱动要求,同时可以实现48m/min 的快速移动。同时,通过减少结合部、非常规布筋等方式增强机床的刚度,可以满足机床的精度要求。因此,方案1能够更好地满足总体设计的原则标准,最终确定按方案1进行机床设计(图1)。
图2 本机床的主轴部件外形图
四、具体结构优化设计
高刚性、高速度的主轴部件
衡量数控机床水平的高速精密电主轴在中国还主要依赖进口,但我所在电主轴的技术方面一直拥有自主产权。
图2的内装式电机主轴单元,由于是零传动的方式,降低了噪声、发热、振动和功率损失,在加工中心的应用上越来越广泛。
主轴电机的选择
主轴电机功率—扭矩曲线图如图3。
图3 主轴电机功率—扭矩曲线图
图4 整体床身的外形图和结构图
图5 整体立柱的外形图和结构图
图6 主轴箱的外形图和结构图
图7 本机床的高速精密滚珠丝杠副伺服进给系统
图8 整机的有限元模型及网构图
对基础结构件的小圆角、小倒角全部以直角处理;小角度斜面以平面处理,对分析无影响或影响较小的搭子面、螺孔及孔内部筋孔等去除,安装地脚螺钉的凹槽去除,安装导轨压板的斜槽去除,安装光栅的支撑台去除,主轴以实心处理;主轴与转子及轴承内圈做一体处理;定子与轴承外圈及外部支撑冷却件做一体处理;工作台以内部布筋的箱体来简化,使计算模型与实际零件保持最大限度的同一性。有限元网格的划分采用了局部手工划分与自由划分相结合的方法,选取SOLID45 8节点六面体单元作为局部划分网格用单元,SOLID95 20节点六面体单元为程序自动划分网格用单元,选取 COMBIN14阻尼弹簧拉压单元。丝杠、导轨及轴承移动结合部采用了等效弹簧连接,固定结合部采用了粘接方式。共划分单元数115226个,节点总数208914个。计算用图依次为:实体装配图、结合部网格、主轴网格、主轴箱网格、整机有限元模型(图8)。
计算及检测结果
对比来看,计算及检测的结果之间具有相似性。X轴方向的静、动刚度较Y、Z轴方向低,机床的薄弱环节在X轴方向。对加工影响较大的两种优势固有频率的振型见图9,从中可见,振动的薄弱点均发生在大结构件之间的导轨结合部处,因此,导轨结合部处的刚度成为机床整体刚度的薄弱环节,是今后改进设计,进一步提高机床刚度、改进机床性能的关键。
图9整机的有限元分析结果(两种固有频率下的振型)
机床主轴的热变形及补偿试验
补偿方法:
在机床上有两个温度传感器,一个设置于主轴外部作为基准温度,另一个设置于主轴内部,测量主轴的温度,二者之差作为补偿温度。
通过试验的方法得到温度与主轴伸长量的关系曲线,然后将此曲线的数据通过温度输入模块输入到PMC的数据表中,PMC用插补计算的方法将温差计算出来并作为补偿依据,通过数控系统对主轴热伸长进行实时补偿。
按照ISO230-3的测量方法及要求,使用HEIDENHAIN的热效应精密测量仪、可伸缩式精密位移传感器,对主轴进行热变形试验。
根据所测得的曲线,在系统里可对主轴进行补偿。主轴热补偿功能,可以消除因热伸长引起的误差,从而提高机床精度。图10为补偿前和补偿后的比较图,补偿前主轴热伸长为0.033mm,补偿后为0.009mm,具有明显的效果。
a)补偿前(最大值33µm)
b)补偿后(最大值9µm)
图10 补偿前后主轴热伸长的实测结果
六、μ2000系列卧式加工中心的应用
μ系列卧式加工中心可用于加工汽车发动机缸体汽缸孔和曲轴颈孔、精密传动箱、泵体等箱体类零件,并可应用于模具工业、军工、航空航天等领域进行空间复杂曲面的加工(图11、12)。
图11μ2000/800H卧式加工中心用于某缸盖厂
图12μ2000/5-630H以长刀加工发动机缸体厂
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