具有自主知识产权的精密高效卧式加工中心的开发

xiaotiaopi

表1 机床的主参数
参数范围
μ2000/800H
( t* h% v! _- l2 Q; vμ2000/5-630H
工作台面尺寸
) W, b9 g' p% n$ X8 m  u, I800×800mm
7 S( b2 }) R/ \9 r, \: gØ630mm
工作台承重
1 T8 F/ ^$ X# i5 b1500kg
650kg
# n4 P, S1 |% a" o$ `" z4 L工作行程
1200×1000×900mm
820×1000×900mm
主轴电机最大功率
22/25(15min)kW
8 I. o. ]/ s# {9 L+ l% J! x22/25(15min)kW
主轴最高转速
8000r/min
8000r/min
快速移动速度
9 j- ~: u! e2 CX、Y：48m/min
X、Y：48m/min
0 a& Q2 V; Z+ E; i5 {7 tZ：36m/min
Z：36m/min
刀柄形式
BT50
HSK A100
8 h2 h9 r; t  X/ n, }换刀时间(刀-刀)
7s
7s
刀库容量
38
38
7 [5 E% M  T" P' k0 A4 v5 c定位精度/全行程
" L/ y3 u, Z& F; [, x- [! U$ Z4 E+ |X、Y、Z：0.008mm
X、Y、Z：0.008mm
# ~2 E+ I6 d3 U) \重复定位精度
X、Y、Z：0.004mm
) w8 p, i0 N0 S% d* p5 ^X、Y、Z：0.004mm
8 G* k* j+ ?7 Z4 F. e倾斜角度
( A- {' ?/ k) g& h+ F-
6 j* o. N" n, T5 }-20°～+100°
回转轴定位精度
-
10”
二、机床设计目标和主参数的确定
1 N" M( m+ u$ M1 U$ K5 R; C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。
, o  C7 D6 r& M" T$ b三、总体布局方案及确定
0 P! T3 s) e% _- Y" K! H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。
6 ~$ U% L& G/ ?3 G! ?, ~. ?! }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。
* z7 `5 O+ q. @$ w7 _
# `* s2 U: ~( c  r' O9 }) }# N图1 μ2000系列卧式加工中心布局结构
9 [% K0 r0 ]! x6 k3 M2 y4 l; A! a- W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)。

2 b8 \$ W/ M2 U5 F4 [8 E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
0 H6 s- S4 g, V& y: f' `& e0 Y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。
5 t. s+ W* V5 G% e" G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。
  B% d! s9 y4 S- d! u: b主轴电机的选择
主轴电机功率—扭矩曲线图如图3。
8 [' s1 W; C7 w- }; O: ]
# W( v! |+ A; i" X. U& C图3 主轴电机功率—扭矩曲线图
0 ]% ]' V: H" |( N0 p7 R. ~9 [
图4 整体床身的外形图和结构图

) l+ Q9 H" o* s" w# \5 r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
, Y, c, x$ ?$ b  L. k/ l
图7 本机床的高速精密滚珠丝杠副伺服进给系统
3 ?' [: R; q' |$ r, A
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)。
7 M: T1 j/ t0 N# @7 Y计算及检测结果
- x1 Y3 ?2 s9 V" f+ L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
5 G+ R$ @9 @- o$ J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。
, H: G: J; _' d* w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。
% O# r$ h1 ~+ a$ z" j2 u9 M
$ c4 @9 T; k0 J3 R" P7 {/ ja)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
, I) t. q: n, W" Z: x* w: |0 U六、μ2000系列卧式加工中心的应用
# v0 y! p! N: Iμ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)。
5 `6 d7 Z9 z; e4 D+ L9 P  ~
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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