立式双轴车削中心助力高效、高柔性加工

HEATS

随着机床产品呈现出多轴化、复合化的发展趋势，并具有高效、多能和高精度的特点，东风汽车有限公司设备制造厂开发出对置双主轴立式车削中心，该机床可适应常用金属材料零件两端完全粗、精加工的高柔性、高精度加工，可实现全自动生产，并能很方便地连入自动生产线中，或者与同类机床串联形成新的具有高度柔性的加工自动线。

汽车、摩托车生产中存在大量轴、盘毂类回转体零件加工，往往数量大、品种多、要求高、工艺内容复杂，对车削设备提出了高效率、高柔性、高精度和多功能的要求，促进了车削设备的快速发展。许多刀辅具、电力驱动及控制、传动及测量等方面的新技术在其中得到应用，相关技术的发展也使得机床结构变得多种多样。

6 X1 k7 b4 G3 q2 n0 p

. E, K1 t- i1 W, d+ _! _* z% n

0 ]" r: u6 u2 a( S

图1  对置双主轴立式车削中心

8 a/ d& w/ y" m4 D3 {) v" \- i

国外先进机床行业在数控车削中心的设计制造上技术成熟，其机床产品呈现多轴化、复合化的发展趋势，具有高效、多能和高精度的特点，代表了此类机床的发展方向。顺应这一发展趋势，我厂开发了对置双主轴立式车削中心（如图1），填补了国内此类设备空白。

机床总体布局和性能特点

引入全新立车设计理念，结合主轴倒置立车与传统立车结构形式，采用克服传统车床缺陷的机床结构布局方案，机床设计目标期望满足下列要求：

1. 高度自动化从而实现高效率，易于自动化连线。

2. 易于排屑，可靠定位，从而有利于加工自动化和加工质量的保障。

3. 适应常见金属零件两端完全粗、精加工的高柔性、高精度车削。

4. 先进技术的应用（大扭矩电主轴开发应用、高速度高精度进给系统开发应用以及动力刀架应用等）和先进的技术指标，适应国内机床应用维护水平的进步。

机床由床身、十字滑台、移动倒置主轴I、电动刀架I、固定正置主轴II、伺服动力刀架II、下料机械手、电气、液压、自动集中润滑、气路和自动冷却排屑系统等部件构成，根据具体零件加工条件，另配备相应刀辅具、夹具和上下料自动滚道，编制相应数控加工程序，即构成完整的自动化制造系统（如图2）。

* Y0 S& s5 P+ D0 `. n

$ F( x% V8 H% l0 h; c

% ^% [. T6 G x# k( I/ ^; l- t

图2  完整的自动化制造系统

/ J9 x O: T. ^& i2 L

机床工作循环为：工件通过上料机动滚道到达上料位置→主轴I下行(Z1轴),上料油缸顶起工件实现端面定位,夹具I由回转油缸驱动夹紧→主轴I抓起工件沿 Z1、X1轴运行到刀架I加工区间→工件按程序加工→主轴I沿Z1、X1轴运行到主轴II,将工件放置主轴II，夹具II夹紧，主轴I 返回进入下一循环→刀架II沿X2、Z2轴运行到主轴II→工件按程序加工→夹具II松开，刀架II安装台上的下料机械手抓起工件沿X2、Z2轴运行到下料滚道并放下工件→下料机动滚道将工件送出机床。

由此显见，主轴I（夹具I）和刀架II的二坐标运动除完成切削进给功能外，还兼有自动上下料运动的功能，配备自动滚道后，全自动化生产变得简便易行，数控的主轴和进给轴运动保证了加工的灵活性。加工盆形工件时盆形向下，刀架I加工盆内特征，刀架II加工盆外特征，排屑顺畅，定位可靠，利于加工。对置双主轴+上下双刀架配置简单，实现工件两端完全加工，比较两台单轴立车组线，机床部件和占地面积更少，工件输送更简单、可靠，这些构成了机床结构最大的优点。

比较国外类似机床，本机床结构吸取了其优点，且主要技术性能指标已处相同水平，各进给坐标轴快进速度达40m/min，加速度达0.4g，定位精度和重复定位精度分别达0.008mm和0.005mm。

机床可加工工件最大直径φ350mm，最大高度250mm，两刀架均为8刀位，足以满足较复杂工件加工，配置伺服动力刀架，更可以对工件进行铣镗、钻孔、攻丝等加工，也可配置自动检测系统以具备刀具补偿和自动对刀功能，丰富、灵活的配置极大地满足了功能集成化、多工序工艺复合化的要求。

主要技术要点

1. 大扭矩车削电主轴的开发

立车主轴I需要快速移动，因此采用伺服电主轴（如图3）驱动方式，比较传统机械主轴，其结构简单、体积小、重量轻、噪音小和传动惯量小，快速响应好，能实现极高的速度、加速度。

4 Y! Q E# L& ]$ |

图3  主轴结构

5 U' }1 L9 E7 ]4 \" w2 F

一般立车主轴上装较大夹具及工件，要求电机转速相对较低、扭矩相对较大，这一点与加工中心用电主轴显著不同，为此专门开发了本机床使用的电主轴，其转速额定1000r/min，最大2800r/min，扭矩额定260Nm，最大340Nm。

主轴尾端装有齿轮式绝对编码器，用于主轴转速和周向位置控制反馈，实现主轴C轴功能，使得机床具备周向特征加工功能，如钻孔、攻丝和铣槽等。

车削工件环状端面时，往往采取恒线速、变转速切削，直到限制转速后再恒转速切削，有利于提高效率和表面加工质量。配置德国INDRAMAT公司MTC200-R数控系统和DIAX04系列全数字交流伺服系统，使其得以方便实现。

( U: e1 Q' X& V- ]7 l2 ?5 F c$ B

采用进口精密角接触球轴承组，轴承采用全寿命免维护高级脂润滑，采用气密封，0.1MPa压力气流经端盖与主轴表面间隙外泄，阻挡污物进入，空气过滤精度0.001mm且经过干燥，这种密封比接触式密封和迷宫密封效果更好。

2 h" E2 X" |# p* l1 |

内装主轴电机作为高功率密度的伺服电机，电流较大，定子绕组电流和转子感应涡流产生大量热量，进而影响到轴承温度，对其强制冷却是必需的。主轴箱体设计了通过转子、轴承外部的水冷通道，采用压力低于0.3MPa温度低于40℃的水强制冷却，水中加防锈剂。水冷系统的可靠工作极为重要，水冷系统具备温度、压力监控报警，防止主轴损坏。

# I( A+ L8 O0 W# [; m

机床自动化运行，采用进口回转油缸和液压动力卡盘。

主轴箱体采用铸造铝合金材料，重量比铸铁减轻 60%，减小惯量利于提高加速性能，同时利于主轴散热。考虑硬度较低，容易擦伤，其主轴孔不宜直接安装配合较紧的轴承，主轴孔内衬以钢套，确保可多次高精度重复装配。箱体壁内加工出气、液通道孔，管线全从主轴尾端接入，整齐美观。

! @# y7 q2 _+ e3 Q' }

主轴旋转部分经动平衡，等级G2.5，主轴高速区间运转平稳，无振动，利于使用寿命和加工质量。

+ j! P% r& `$ d, e" p2 Q

2. 高速、高精度进给系统开发

进给系统包括X1、X2、Z1、Z2四轴伺服控制直线运动，完成两个工位的进给功能。

7 B5 ?; d# L2 w7 b S: C7 ~) C* J% n

采用进口高刚性精密滚柱直线导轨，满足粗加工高负载和精加工高精度两方面要求；使用进口光栅尺作为滑台位置测量反馈元件，组建机床全闭环控制系统。

使用伺服电机和进口精密滚珠丝杠组成进给运动系统，对传动系统中电机负载、惯量匹配性能和系统刚性进行精心设计校核。各轴负载惯量与电机转动惯量之比控制在1.0～1.5之间，保证其运动响应迅速；采用丝杠两端固定并对丝杠预拉伸，提高系统刚度，保证实现微细进给。

9 l* P+ ?3 `' C2 Y' U0 w

3. 电控系统

配置INDRAMAT公司MTC200-R数控系统，该系统具有高性能、高柔性和高可靠性等特点，有丰富的NC编程指令集，可以满足各种通用、专用机加工机床的加工要求，该数控系统还集成了PLC控制器、PLC编程器，人机接口等功能；配置INDRAMAT公司的DIAX04系列全数字交流伺服系统，该系列伺服系统具有高精度、高速度和高可靠性等特点，并具有完善的故障诊断、状态提示功能；配备10.4in（1in=25.4mm）彩色液晶TFT显示器作为人机接口，实时显示机床的状态，包括各伺服轴的运动速度、当前位置、各机床检测开关的状态以及执行元件的状态等；该机床还有操作提示功能、故障诊断和显示功能，指导操作及维修人员进行使用、维修机床。

; J* F8 X: i" V2 \& {. _

结语

新型立式车床具有结构紧凑、敞开性好和排屑流畅的特点，可适应常用金属材料零件两端完全粗、精加工的高柔性、高精度加工，可实现全自动生产，并能很方便地连入自动生产线中，或者与同类机床串联形成新的具有高度柔性的加工自动线。该机床于2005年成功研制后，各项性能指标达到预期目标，投入生产使用良好，并获得2006年中国数控机床展览会春燕奖二等奖、2007年中国汽车工业科技进步三等奖项。-【MechNet】