【機(jī)床商務(wù)網(wǎng)欄目 科技動態(tài)】HTM系列臥式車銑復(fù)合加工中心的研發(fā)與應(yīng)用。
一、產(chǎn)品概述
臥式車銑復(fù)合加工中心作為機(jī)床行業(yè)的高檔機(jī)床之一其市場需求巨大,在提高能源、航空、航天、船舶及軍工等行業(yè)一些關(guān)鍵零件的加工精度和加工效率方面具有不可替代的作用。
沈陽機(jī)床HTM系列臥式車銑復(fù)合加工中心是針對汽車、航天、軍工等行業(yè)高檔數(shù)控機(jī)床的需求而研制開發(fā)的,該機(jī)床以“零件單機(jī)完工”為設(shè)計宗旨,融合了車削中心與臥式加工中心的優(yōu)點,采用X1、Y、Z1三個直線軸正交結(jié)構(gòu),加大的Y軸行程很好地擴(kuò)展了機(jī)床的加工空間。與可以連續(xù)分度的車削主軸(C軸)和在240°范圍內(nèi)擺動的銑削主軸(B軸)配合,能進(jìn)行五軸聯(lián)動加工,極大地改善了機(jī)床對復(fù)雜零件的加工能力。
機(jī)床配置自動換刀機(jī)構(gòu),車、銑主軸采用大功率電主軸驅(qū)動,工件一次裝卡調(diào)整后,不僅能進(jìn)行車削、銑削、鉆削、磨削等多工序的復(fù)合加工,利用多軸聯(lián)動功能還可完成零件傾斜部位及復(fù)雜空間曲面的加工,極大地提高了加工效率與精度。
HTM系列臥式車銑復(fù)合加工中心體現(xiàn)了當(dāng)今數(shù)控機(jī)床高效、高精、復(fù)合化的發(fā)展趨勢,尺寸公差為IT6級;加工表面粗糙度Ra1.6μm,圓度為3.5μm,該機(jī)床的顯著特點是銑削加工葉片螺旋面、加工偏心零件、銑削斜面等,特別適用于復(fù)雜零件的加工。
二、新技術(shù)的應(yīng)用情況
現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的主要特征為高速、高精度和高動態(tài)特性,沈陽機(jī)床對HTM系列車銑復(fù)合加工中心動態(tài)性能展開研究,通過借鑒國內(nèi)外機(jī)床動態(tài)特性測試手段以及機(jī)床整機(jī)仿真分析等方法,為高檔數(shù)控機(jī)床的性能評估及改善,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù);基于現(xiàn)有機(jī)床原型構(gòu)建機(jī)床動力學(xué)模型分析計算,并針對機(jī)床主要部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善整體動態(tài)性能。
沈陽機(jī)床緊緊圍繞重點用戶領(lǐng)域需求,進(jìn)行高速車銑復(fù)合、銑削主軸、高剛性高定位精度B軸技術(shù)及熱變形誤差補償技術(shù)的研究開發(fā),攻克了一系列技術(shù)難題。
1. 高剛性高定位精度B軸技術(shù)
通過對高剛性高定位精度B軸技術(shù)的研究,解決了三個關(guān)鍵技術(shù)問題,即B軸高定位精度的實現(xiàn)方式;B軸高剛性的實現(xiàn)方式;小空間內(nèi)B軸附屬功能的實現(xiàn)方式。B軸的驅(qū)動依靠安裝在主軸上的大轉(zhuǎn)矩、高可靠性的力矩電機(jī)來完成,外環(huán)配有水套,實現(xiàn)力矩電機(jī)的循環(huán)冷卻,控制B軸溫升。
主軸旋轉(zhuǎn)分度時,依靠轉(zhuǎn)臺軸承進(jìn)行回轉(zhuǎn)支撐。主軸后端配有高精度直聯(lián)反饋光柵,保證B軸的分度精度。該B軸裝置有兩種鎖緊固定方式,當(dāng)B軸分度角度是2.5º的整數(shù)倍時,通過軸承前端的鎖緊齒盤進(jìn)行固定;當(dāng)B軸分度角度不是2.5º的整數(shù)倍時,通過B軸后端的剎車機(jī)構(gòu)進(jìn)行鎖緊。在B軸參與插補加工的過程中,如果出現(xiàn)振動,可以對B軸后端的剎車機(jī)構(gòu)進(jìn)行低壓控制,使其起到增加減振阻尼的作用。B軸裝置后端有復(fù)雜的液壓、冷卻、氣動配給裝置,保證B軸裝置及車削主軸功能的實現(xiàn)(見圖1)。
圖1 B軸機(jī)械圖
為提高B軸控制精度和響應(yīng)速度,對原有產(chǎn)品進(jìn)行升級改造,更改B軸結(jié)構(gòu),HTM63系列車銑加工中心采用力矩電機(jī)式B軸(見圖2)代替機(jī)械式B軸結(jié)構(gòu)形式(見圖3)。相比機(jī)械式B軸具有以下優(yōu)點,傳動鏈減少,以力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)代替原齒輪傳動結(jié)構(gòu),減少了減速變速、齒輪傳動、齒輪定位等環(huán)節(jié)和零件;在保持B軸扭矩不變的情況下,提高系統(tǒng)傳動效率及響應(yīng)速度,便于加工制造和壓縮裝配調(diào)整時間,提高裝配效率,減少裝配誤差;提高B軸動態(tài)響應(yīng)能力,減少響應(yīng)時間,提高加工效率,增加使用可靠性和穩(wěn)定性。
圖2 力矩電機(jī)B軸結(jié)構(gòu) 圖3 機(jī)械B軸結(jié)構(gòu)
機(jī)床主軸采用高速、高可靠性的內(nèi)裝電機(jī)實現(xiàn)直接驅(qū)動,反饋光柵直聯(lián)結(jié)構(gòu),保證車削主軸的高動態(tài)特性;主軸箱體內(nèi)置水套,對電主軸進(jìn)行循環(huán)冷卻;車削主軸前端布置液壓鎖緊機(jī)構(gòu),保證了工件任意角度定位進(jìn)行銑、鉆加工時的鎖緊剛性。電主軸主軸箱如圖4所示。
圖4 電主軸主軸箱
對主軸刀具高壓內(nèi)冷進(jìn)水結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了改進(jìn),原結(jié)構(gòu)在使用一段時間后,受機(jī)加件加工精度的工作影響,存在漏水問題,影響使用壽命。將原結(jié)構(gòu)改為旋轉(zhuǎn)接頭,靠高壓水壓力自動密封接頭,有效解決了結(jié)構(gòu)漏水,提高了使用壽命,增加密封可靠性。
HTM63系列車銑加工中心副主軸鎖緊裝置改進(jìn)為滑塊鎖緊,床身加高更改內(nèi)部筋型,B軸三齒盤鎖緊機(jī)構(gòu)由外布置改為內(nèi)布置結(jié)構(gòu)。第二主軸鎖緊原為液壓壓板結(jié)構(gòu),布置在床身內(nèi)側(cè)。使用中發(fā)現(xiàn)問題為當(dāng)有鐵屑或油污進(jìn)入床身內(nèi)部后,會造成鎖緊失靈,不在正確位置鎖緊;后采用鎖緊滑塊形式,通過對導(dǎo)軌鎖緊達(dá)到定位鎖緊目的。這種鎖緊形式安裝、調(diào)整、維護(hù)和使用方便,定位鎖緊安全可靠,精度和可靠性高。
針對原床身剛性不好,裝配后床身精度不好等情況,重新設(shè)計床身內(nèi)部結(jié)構(gòu)。原床身結(jié)構(gòu)如圖5所示,內(nèi)部為1條筋型支撐,床身整體變形量大;通過計算分析機(jī)床受力點和變形量大點,通過軟件模擬分析增加床身內(nèi)部筋型,調(diào)高床身高度等設(shè)計改進(jìn),增強(qiáng)了整體剛性,減小了床身變形量,達(dá)到提高機(jī)床精度、可靠性的目的,同時提高了床身固有頻率達(dá)到遠(yuǎn)離機(jī)床共振點,避免切削共振產(chǎn)生。改進(jìn)后床身結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖5 改進(jìn)前床身結(jié)構(gòu) 圖6 改進(jìn)后床身結(jié)構(gòu)
B軸原分度鎖緊機(jī)構(gòu)布置在滑枕外側(cè),裸露布置。易受到油氣污染銹蝕,同時原銑削頭,受機(jī)構(gòu)整體變形影響鎖緊時鎖緊角度誤差容易超差,精度保持性不好。本次改進(jìn)將鎖緊機(jī)構(gòu)整合在B軸箱體內(nèi)部,靠近銑削頭處,B軸整體全防護(hù),鎖緊機(jī)構(gòu)使用精度和壽命得到提高,同時增強(qiáng)機(jī)構(gòu)運行可靠性和穩(wěn)定性。HTM80150機(jī)床如圖7所示,HTM63150iy機(jī)床如圖8所示。
(a)外部展示圖
(b)部分結(jié)構(gòu)示意圖
圖7 HTM80150機(jī)床
(a)正視圖 (b)機(jī)床側(cè)視圖
圖8 HTM63150iy機(jī)床
2.車銑復(fù)合加工中心動態(tài)性能測試及拓?fù)鋬?yōu)化
通過對車銑復(fù)合加工中心動態(tài)性能展開研究,借鑒國內(nèi)外機(jī)床動態(tài)特性測試手段以及機(jī)床整機(jī)仿真分析等方法,實現(xiàn)高檔數(shù)控機(jī)床的性能評估及改善,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。基于現(xiàn)有機(jī)床原型構(gòu)建機(jī)床動力學(xué)模型分析計算,并針對機(jī)床主要部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善整體動態(tài)性能。
(1)模態(tài)測試
綜合模態(tài)分析方法即用模態(tài)試驗的結(jié)果來驗證和校正模態(tài)仿真的設(shè)置。由于在模態(tài)仿真中需要設(shè)置模型的材料參數(shù)、邊界條件和結(jié)合面部件等效參數(shù)(包括滾珠絲杠、滑塊導(dǎo)軌、軸承),變量較多,各變量對于仿真結(jié)果的影響機(jī)理較為復(fù)雜。鑒于此原因,我們在進(jìn)行模態(tài)試驗時采用邊裝配邊進(jìn)行模態(tài)試驗的方法,也即當(dāng)裝配一個部件時即進(jìn)行模態(tài)試驗并進(jìn)行模態(tài)仿真,并用模態(tài)試驗校正仿真參數(shù),這樣就確定下該部件的仿真參數(shù)。當(dāng)再裝配下一個部件時同樣進(jìn)行模態(tài)試驗和模態(tài)仿真,這樣只需要調(diào)整下一個需要裝配的部件的仿真參數(shù)。由此,便于控制模態(tài)仿真過程中的單一變量,減少誤差。
將各個機(jī)床部件參數(shù)導(dǎo)入機(jī)床整機(jī)模型進(jìn)行仿真,得到機(jī)床的整機(jī)模態(tài)性能如圖9所示。
(a)機(jī)床整機(jī)一階模態(tài)圖(b)機(jī)床整機(jī)二階模態(tài)(c)機(jī)床整機(jī)三階模態(tài)(d)機(jī)床整機(jī)四階模態(tài)圖9 機(jī)床整機(jī)各階模態(tài)
從以上整機(jī)模態(tài)仿真結(jié)果可以看出,機(jī)床第一階的振動頻率為33Hz,振型為銑主軸結(jié)構(gòu)的振動變形和立柱結(jié)構(gòu)的振動變形,二階振型也為立柱結(jié)構(gòu)與銑主軸結(jié)構(gòu)的振動變形。需要對機(jī)床相關(guān)部件進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。
(2)立柱輕量化
機(jī)床立柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)為:低階固有頻率高、運動部件質(zhì)量小、兼具體積與效率。
對機(jī)床立柱的箱體式結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和改進(jìn),如圖10所示。將機(jī)床的箱體式結(jié)構(gòu)修改為開放式結(jié)構(gòu),將箱體式結(jié)構(gòu)的垂直交叉肋板修改為更為穩(wěn)定的斜交叉肋板,并加一些肋板進(jìn)行加固。采用該結(jié)構(gòu)材料節(jié)省0.03m3,若是采用鑄鐵材料,重量減輕約210kg。
圖10 輕量化立柱結(jié)構(gòu)與剖視圖
使用該立柱結(jié)構(gòu)對機(jī)床進(jìn)行模態(tài)仿真,該模型設(shè)置與機(jī)床原仿真模型設(shè)置一致,僅將原模型中的立柱結(jié)構(gòu)換為經(jīng)過改進(jìn)的機(jī)床立柱結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果如圖11所示。
圖11 機(jī)床立柱仿真結(jié)果(部分略)
(3)銑主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化
固有頻率較低說明結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度較小,或者承載質(zhì)量較大。提高結(jié)構(gòu)的剛度或降低結(jié)構(gòu)的承載質(zhì)量,都可以提高機(jī)床的固有頻率。根據(jù)研究對象的設(shè)計,機(jī)床的銑主軸長度僅為350mm,可以節(jié)省更多的空間,機(jī)床的加工空間更大,同時在不降低輸出功率的情況下,該型號主軸的功率密度更高,質(zhì)量更輕,對于機(jī)床的動態(tài)特性更有利。
對比機(jī)床原設(shè)計動態(tài)特性仿真分析結(jié)果以及銑主軸經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計的機(jī)床動態(tài)特性結(jié)果,見表1。
從表1對比分析可以看出,采用新主軸的設(shè)計結(jié)果,機(jī)床各階次的頻率都有提升,對銑主軸振動的階次的振型尤其明顯,高階模態(tài)頻率提升也較明顯。
(4) 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化
此次對結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的流程如圖12所示。
圖12 拓?fù)鋬?yōu)化流程
在HTM3150iy的床鞍結(jié)構(gòu)研究中,進(jìn)行了結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化的研究工作。如圖13所示,其中,x1為兩側(cè)板厚度,x2為前側(cè)板厚度,x3為底板厚度,x4為背部肋板厚度,x5為底部肋板厚度。其優(yōu)化變量見表2。
圖13 HTM3150iy床鞍結(jié)構(gòu)
根據(jù)設(shè)計變量的變化范圍,采用拉丁超立方設(shè)計方法,使試驗設(shè)計矩陣中各個樣本點因素水平分布盡可能均勻,得到15組試驗數(shù)據(jù),并對得到的數(shù)據(jù)點進(jìn)行仿真,形成床鞍性能評價指標(biāo)樣本(見表3)。
通過表3,借助Isight軟件建立RBF近似模型,并根據(jù)所建立的RBF近似模型,基于帕累托法則,得到輸入輸出的帕累托圖(見圖14)。
(a)設(shè)計變量與機(jī)床一階固有頻率的帕累托圖
(b)設(shè)計變量與大變形量的帕累托圖
(c)基于RBF近似模型的設(shè)計變量與質(zhì)量m的帕累托圖圖14 設(shè)計變量與響應(yīng)的帕累托圖
利用RBF近似模型進(jìn)行優(yōu)化分析,借助優(yōu)化算法,得到優(yōu)解,為了方便鑄造,對尺寸進(jìn)行一定的改進(jìn)。并基于原始有限元模型,將設(shè)計尺寸改為優(yōu)化改進(jìn)后的尺寸,重新生成模型,并進(jìn)行靜力分析和裝配條件下的模態(tài)分析,得到的結(jié)果如表4所示。
由表4可以看出,經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)后機(jī)床一階固有頻率提高了4.24%,大變形量減小了3.83%,同時床鞍的質(zhì)量減輕了94kg,減少了9.4%。此次優(yōu)化在減輕了床鞍質(zhì)量的前提下,同時提高了一階固有頻率,并且降低了機(jī)床床鞍大變形量,且結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)特性有所加強(qiáng),因此該尺寸優(yōu)化改進(jìn)是可行的。
采用變密度法,經(jīng)過有限元分析及迭代計算,得到機(jī)床床鞍結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果,其密度云圖如圖15、圖16所示,紅色區(qū)域為密度大的材料需要保留,藍(lán)色區(qū)域為密度小的材料,對結(jié)構(gòu)性能影響相對較小,可以嘗試去除。
圖15 床鞍密度云圖 圖16 床鞍拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)
從鑄造工藝及加工成本方面進(jìn)行考慮,根據(jù)床鞍拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果,兼顧鑄造方便性及可行性,建議分別在兩側(cè)板的下部開兩個圓孔,在兩側(cè)的上部開一個孔,改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖17所示。
圖17 拓?fù)鋬?yōu)化改進(jìn)后結(jié)構(gòu)
通過表5可知,進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化后,機(jī)床的一階固有頻率有所提升,并且大變形量變化很小,且比原結(jié)構(gòu)的大變形量小,同時床鞍的質(zhì)量又減少了3.6%,達(dá)到了設(shè)計目的,因此該設(shè)計是合理的。
三、成果應(yīng)用及推廣情況
在研發(fā)HTM系列臥式車銑復(fù)合加工中心的過程中,開展了機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、熱變形誤差補償技術(shù)、多軸聯(lián)動車銑復(fù)合加工工藝、可靠性技術(shù)、在線檢測技術(shù)、三維防碰撞技術(shù)、動態(tài)性能研究與測試技術(shù)、空間誤差補償技術(shù)、高剛性高定位精度B 軸技術(shù)和帶刀具自動識別系統(tǒng)的自動換刀技術(shù)的研究。對于以上關(guān)鍵技術(shù)的研究,對車銑復(fù)合數(shù)控加工設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)提出了重要的參考和指導(dǎo)要求。
車銑復(fù)合加工設(shè)備的精度及其性能指標(biāo)直接影響了產(chǎn)品的加工精度。車銑復(fù)合加工工藝設(shè)計對車銑復(fù)合加工設(shè)備的性能依賴性更大,車銑復(fù)合加工設(shè)備的主軸數(shù)目、刀架數(shù)目、主軸與刀架的相對位置關(guān)系都對車銑復(fù)合工藝有很大影響。因此,為了完成高精度的產(chǎn)品加工要求,車銑復(fù)合數(shù)控加工工藝設(shè)計及其仿真或?qū)嶋H加工可以有效檢驗車銑復(fù)合加工設(shè)備的精度和參數(shù)指標(biāo)。
在車銑復(fù)合加工機(jī)床研發(fā)方面,可考慮解決現(xiàn)有的車銑復(fù)合工藝設(shè)計問題,如工藝設(shè)計過程中,易出現(xiàn)刀架上的非加工刀具與工件或機(jī)床干涉的問題,可考慮將刀架改為刀塔,并建立刀具庫,不僅提高了加工過程中可攜帶的刀具數(shù)量,而且大大減少了發(fā)生干涉碰撞的概率。
在車銑復(fù)合加工機(jī)床的生產(chǎn)裝配方面,車銑復(fù)合加工工藝對機(jī)床刀架、主軸的位置精度、雙主軸之間的位置精度、雙刀架之間的位置精度等方面提出了具體的要求,合理安排車銑復(fù)合加工設(shè)備裝配工藝,保證車銑復(fù)合機(jī)床的精度要求。如HTM63系列車銑加工中心是沈陽機(jī)床自行開發(fā)設(shè)計HTM系列五軸車銑中心的更新?lián)Q代產(chǎn)品,具有先進(jìn)水平。該車銑中心除了可以實現(xiàn)直線、斜線、圓弧、錐螺紋及多頭螺紋外,還可進(jìn)行銑直、斜面,銑螺旋槽,銑螺紋,以及鏜、銑鉆等多種加工方式,特別適合于軍工、航空航天、船舶、運輸?shù)刃袠I(yè)對高精度、形狀復(fù)雜的大型回轉(zhuǎn)體零件加工的要求。
同時在產(chǎn)品研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化過程中,同相關(guān)用戶緊密聯(lián)系,針對臥式車銑復(fù)合加工中心的幾個典型樣件,進(jìn)行車銑復(fù)合工藝研究與示范應(yīng)用,實現(xiàn)一次裝卡中完成回轉(zhuǎn)車削、斜面及曲面銑削、斜孔及孔口倒圓加工等多道工序。
掌握和優(yōu)化用戶加工工藝,努力開拓市場需求空間,始終把用戶的需求放在第一位,通過解決終銷售問題,保證了產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)的實現(xiàn)。
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