車削復(fù)合機(jī)床的設(shè)計(jì)制造

孫彥旭 劉春聯(lián) 孫 希

(①山東魯南機(jī)床有限公司，山東滕州 277500;②中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島 266000)

世界機(jī)床市場(chǎng)正朝著高速、復(fù)合、智能、環(huán)保方向發(fā)展。在世界機(jī)床制造和機(jī)械加工領(lǐng)域，復(fù)合加工技術(shù)正以其獨(dú)特的魅力被逐漸認(rèn)識(shí)并應(yīng)用于實(shí)踐中。我公司與國(guó)外設(shè)計(jì)公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的TMC250車削中心復(fù)合機(jī)床，既能夠完成車削功能，又能夠完成銑、鉆、鏜、攻絲、鉸孔、擴(kuò)孔等功能，還具有自動(dòng)工件交換、刀具長(zhǎng)度檢測(cè)與自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)溫控與碰撞保護(hù)等附加功能，是現(xiàn)代智能加工的典型體現(xiàn)。它與常規(guī)的臥式數(shù)控機(jī)床相比，顯著特點(diǎn)其一是工件加工精度高、效率高，并具有疊加效應(yīng);其二是占地面積小，多工序多工位集約化，實(shí)現(xiàn)了工件短加工循環(huán)，機(jī)床的功率被充分利用，減少了消耗，是綠色機(jī)床制造的發(fā)展方向之一。

1 機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局和模塊化設(shè)計(jì)

該機(jī)床是雙主軸、三刀塔、半閉環(huán)三通道數(shù)控系統(tǒng)控制的機(jī)床，見(jiàn)圖1。整機(jī)采用45°斜床座，機(jī)床重心低，排屑好;導(dǎo)軌全部是滾柱式直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，剛性好。采用日本FANUC31 i數(shù)控系統(tǒng)，兩主軸都采用內(nèi)置式高低速雙繞組α200L/6000iB主軸電動(dòng)機(jī)，線圈的切換可實(shí)現(xiàn)低速大扭矩、高速大功率;進(jìn)給軸皆使用α型交流伺服電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)扭矩大，滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸安裝，定位精度高。機(jī)床兩電主軸左、右對(duì)稱排列，左主軸固定為主主軸，右為副主軸，副主軸的移動(dòng)采用伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠副的可編程控制。兩主軸均配有C軸，C軸分度精度為0.001°。機(jī)床三動(dòng)力刀塔布局是，兩上動(dòng)力刀塔采用左右對(duì)稱布局型式，獨(dú)立的Y軸結(jié)構(gòu)，非合成軸，使加工能力更強(qiáng);下動(dòng)力刀塔配置在機(jī)床右下部，不配Y軸。動(dòng)力刀塔的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力為內(nèi)藏式電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小;刀位數(shù)為12工位，每工位都可以配裝BMT65型刀座，即包括直柄、直角、直角后縮(又稱位短式)及其他特殊結(jié)構(gòu)刀座等。該BMT型刀座剛性好、切削力大、重復(fù)精度高。

該機(jī)床是集機(jī)、電、液、氣于一體和全封閉式防護(hù)，機(jī)床整體布局合理，維修與操作方便。兩電主軸配裝φ254 mm(10英寸)中空動(dòng)力卡盤(pán)，主軸功率15/22 kW，最高轉(zhuǎn)速4 500 r/min，最大加工直徑380 mm，床身上最大回轉(zhuǎn)直徑800 mm，最大加工長(zhǎng)度715 mm;Z、X軸最大快移速度30 m/min。動(dòng)力刀塔刀柄規(guī)格BMT65，動(dòng)力刀具最高轉(zhuǎn)速6 000 r/min，功率5.5/7.5 kW，相鄰刀具換刀時(shí)間0.35 s，重復(fù)定位精度4″。

為能滿足廣泛的客戶要求，降低生產(chǎn)制造成本，縮短交貨時(shí)間，我公司開(kāi)發(fā)TMC系列復(fù)合機(jī)床設(shè)計(jì)之初，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)方法，總體規(guī)劃設(shè)計(jì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)配置，從機(jī)床的功能結(jié)構(gòu)和各軸運(yùn)動(dòng)組合入手，按功能和安裝配置方式，劃分為不同的大小設(shè)計(jì)模塊，整體實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)械、電氣、液壓的匹配。內(nèi)置電動(dòng)機(jī)主軸和內(nèi)置電動(dòng)機(jī)刀塔是兩個(gè)主要的功能模塊。該系列機(jī)床最多可安裝3個(gè)刀塔和2個(gè)主軸，副主軸可以設(shè)計(jì)為伺服尾架替代，根據(jù)刀塔數(shù)和Y軸數(shù)，在底座和床身等主要基礎(chǔ)件不變的情況下，可組成共計(jì)12種規(guī)格的系列產(chǎn)品供用戶選擇使用。

2 機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電主軸

主軸作為機(jī)床的心臟，是機(jī)床性能的關(guān)鍵部件，尤其是采用電主軸結(jié)構(gòu)的機(jī)床，可明顯提升轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)精度、響應(yīng)速度，并極大降低噪聲和振動(dòng)等。我公司設(shè)計(jì)制造的TMC25系列車削復(fù)合機(jī)床配置是高低速雙繞組15/22 kW的主軸電動(dòng)機(jī)(見(jiàn)圖2)，做到了無(wú)論是低速重切削，還是高速精加工，均可實(shí)現(xiàn)廣域穩(wěn)定輸出，主軸電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線如圖3所示。

該電主軸的特點(diǎn)是裝配維修方便，當(dāng)裝拆轉(zhuǎn)子時(shí)，只要擰緊松開(kāi)轉(zhuǎn)子兩端鎖緊錐套4、5上的6個(gè)螺釘即可。由于轉(zhuǎn)子內(nèi)套材料為20CrMnTi，兩端直徑較薄，有較好的彈性，鎖緊錐套一端開(kāi)有6條均布的槽，通過(guò)鎖緊錐套的彈性變形收縮使轉(zhuǎn)子內(nèi)套兩端緊緊抱在主軸上，主軸與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就成為剛性一體。關(guān)于該電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主要技術(shù)參數(shù)的確定、定子和轉(zhuǎn)子的熱裝配、動(dòng)平衡的方法、溫控技術(shù)與密封技術(shù)等，在此不再細(xì)述。

2.2 動(dòng)力刀塔

動(dòng)力刀塔是車削中心的重要功能部件之一，動(dòng)力刀塔上的動(dòng)力刀具與主軸帶有分度、插補(bǔ)的C軸控制功能配合，使工件加工工序集約成為可能。我公司研制的12刀位動(dòng)力刀塔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，裝刀方式為星型布置，配BMT65型刀座，刀座剛性好、切削力大、精度高，無(wú)論換刀和銑削，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力都來(lái)自同一內(nèi)藏式電動(dòng)機(jī)3;當(dāng)?shù)侗P(pán)12需變換刀位時(shí)，在油壓的作用下，鼠牙三齒盤(pán)10松開(kāi)(鼠牙三齒盤(pán)由鎖緊齒盤(pán)、定位齒盤(pán)、轉(zhuǎn)動(dòng)齒盤(pán)組成，每個(gè)齒盤(pán)均為24齒)，氣缸7推動(dòng)齒輪11右移，與齒輪組8嚙合，其齒輪速比1/12，經(jīng)傳動(dòng)軸9帶動(dòng)齒輪11轉(zhuǎn)動(dòng);而齒輪11與鼠牙三齒盤(pán)10轉(zhuǎn)動(dòng)齒盤(pán)、刀盤(pán)12聯(lián)為一體，即刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)換位指定刀位后，通過(guò)鼠牙三齒盤(pán)10鎖緊齒盤(pán)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)的鎖緊。當(dāng)氣缸7推動(dòng)齒輪1左移，與齒輪2咬合，齒輪2與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子主軸3是一體，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)螺旋錐齒輪5以相同的速度帶動(dòng)動(dòng)力刀座6上的刀具轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)工件進(jìn)行銑、鉆、攻絲等。使用室溫同調(diào)型油冷卻機(jī)，對(duì)內(nèi)置電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱進(jìn)行冷卻。

2.3 同步技術(shù)

該機(jī)床左右兩主軸具有同步功能(圖5)，安裝在左主軸(主主軸或第一主軸)的工件正面加工完成后，主軸在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)工件左主軸到右主軸(副主軸或第二主軸)的自動(dòng)傳遞，然后在右主軸上再進(jìn)行工件背面的加工。機(jī)床上三刀塔可配裝36把刀具，相當(dāng)于一個(gè)中型刀庫(kù)，對(duì)比較復(fù)雜的工件，可實(shí)現(xiàn)工件一次裝夾，完成正、反兩面的加工。其原理是當(dāng)左主軸夾持工件以一定速度旋轉(zhuǎn)，加工完成后，右主軸首先是速度與左主軸同步，然后是角相位與主軸同步，同時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)右主軸向左移動(dòng)(W軸)，進(jìn)行耝定位;當(dāng)右主軸上的卡盤(pán)接觸到左主軸上的工件時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)軸向的反力，該力大小在系統(tǒng)面板上根據(jù)轉(zhuǎn)速已預(yù)設(shè)定為定值，軸向的反力達(dá)到設(shè)定的數(shù)字時(shí)，反饋給系統(tǒng)，伺服W軸停止左移，即精確智能定位;旋即左主軸動(dòng)力卡盤(pán)夾緊工件，同步旋轉(zhuǎn)，然后右主軸卡盤(pán)松開(kāi)工件，左主軸夾緊工件退回到設(shè)定位置，對(duì)工件背面進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)一個(gè)循環(huán)。

3 機(jī)床的工作原理

本機(jī)床采用三通道數(shù)控系統(tǒng)控制，其中各軸分配為:第一通道:S1(第一主軸)，S2(左刀塔主軸)，X1，Y1，Z1軸;第二通道:S3(第二主軸)，S4(右刀塔主軸)X2，Z2，W 軸;第三通道:S5(下刀塔主軸)，X3，Y3，Z3軸;三個(gè)通道中程序可以分別執(zhí)行，也可以第一、二、三通道進(jìn)行組合調(diào)用執(zhí)行。以下是第一、二通道主軸同步加工，主軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中第一主軸(第一通道)與第二主軸(第二通道)交換工件的程序。

以上為雙通道主軸同步對(duì)接中程序編輯中的一個(gè)簡(jiǎn)單例子，如果需要往返同步對(duì)接，可以按照以上例子進(jìn)行擴(kuò)展即可。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用模塊設(shè)計(jì)的車削中心復(fù)合機(jī)系列機(jī)床，單主軸單刀塔、雙主軸雙刀塔的配置實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。隨著該系列機(jī)床各項(xiàng)配套件和制造成本的下降，以及多樣化復(fù)雜工件對(duì)制造精度的要求提高和人工成本的不斷增加，工件加工工序集約化越來(lái)越被用戶所接受認(rèn)可，車削中心復(fù)合機(jī)床必將像普通數(shù)控機(jī)床一樣廣泛普及使用。