軒廣進 洪壽福 顏克輝
(中捷機床有限公司,遼寧 沈陽 110142)
上世紀80 年代,數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床成為制造技術(shù)的主流之后,相繼出現(xiàn)了在一次裝夾下對回轉(zhuǎn)體件進行車、銑、鉆、鏜、攻絲的3 軸(X、Z、C)數(shù)控車削中心和可以鉆削或銑削偏離回轉(zhuǎn)體件軸心線的孔或槽的帶Y 軸控制轉(zhuǎn)塔刀架的4 軸(X、Y、Z、C)復合車削中心。到了90 年代,從車削中心基礎(chǔ)上發(fā)展起來的5 軸控制(X、Y、Z、B、C)車銑復合加工中心成為熱點,因其不僅進一步增加了B 軸控制(使動力刀架繞Y 軸擺動),可以鉆斜孔和銑斜面或用五軸聯(lián)動功能銑削各種復雜的空間曲面,并且不采用車削中心傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)塔刀架型式,取而代之以帶B 軸的車銑頭形式。帶B 軸的車銑頭的應用極大地擴大了機床的銑削、鉆削能力,帶B 軸的車銑頭是車銑復合加工中心上的核心部件,此部件的有無也是車銑復合加工中心與車削加工中心的區(qū)別。
帶B 軸的車銑頭包括用于安裝刀具的動力主軸和使動力主軸擺動的B 軸,其動力主軸不僅可以安裝旋轉(zhuǎn)刀具進行銑、鉆等加工,而且要能定向停、鎖緊以便安裝車刀進行車削加工。能安裝車刀進行車削加工是車銑頭區(qū)別于鏜銑頭的主要標志。
根據(jù)安裝方式的不同,帶B 軸的車銑頭可分為底座式(Foot -type Fixing)(圖1)和法蘭式(Flange -type Fixing)(圖2)兩種類型。
底座式帶B 軸的車銑頭主要應用在平床身+斜床鞍結(jié)構(gòu)(如大隈的Multus B 系列、Mazak 的Integrex IV 系列、EMCO 的Hyperturn MC Plus 系列等)(圖3)、斜床身+平床鞍結(jié)構(gòu)(如WFL 的M 系列、沈陽機床的HTM63、80 系列等)(圖4)、“山”型床身結(jié)構(gòu)(如大連機床的CHD25)(圖5)的臥式車銑復合加工中心上。
法蘭式帶B 軸的車銑頭主要應用在平床身+立柱結(jié)構(gòu)的臥式車銑復合加工中心上(如Mazak 的Integrex e -H Ⅱ、Integrex-i、Integrex -j 系 列、DMG 的CTX TC 系 列、Mori Seiki 的NT 和NTX系列、沈陽機床的HTM40100h 和HTM63150等)(圖6)。當然,也可以應用在像威力銘、寶美公司的“山”型床身+立柱結(jié)構(gòu)的小型車銑復合機床上。
底座式和法蘭式帶B 軸車銑頭在立式車銑復合加工中心上均可以應用(如大隈的VTM 系列、Mazak的INTEGREX eⅡV 系列、沈陽機床的VTM6335 等)(圖7、圖8)。
目前,銷售帶B 軸的車銑頭廠家主要有Duplomatic、Weiss、Kessler、Sauter、WMZ。其中Weiss、Kessler、WMZ 僅銷售帶B 軸車銑頭中的動力主軸,不帶B 軸,且Kessle 銷售的動力主軸不帶外殼,需要機床廠家自己制造。上述廠家中,只有Duplomatic 和Sauter 的帶B 軸的車銑頭規(guī)格較齊全,其余的廠家都沒有明確的規(guī)格,多是在其現(xiàn)有銑削主軸上改制而成,類似于特殊訂制,需要與廠家進行技術(shù)溝通。Duplomatic 公司的帶B 軸的車銑頭有底座式和法蘭式,而Sauter 公司只有底座式。
WFL、DMG、Mazak 和Mori Seiki 等知名機床廠家為降低車銑復合加工中心的制造成本,基本都是自己生產(chǎn)帶B 軸的車銑頭,且不對外銷售。沈陽機床生產(chǎn)的車銑復合加工中心上所用的帶B 軸的車銑頭中的動力主軸多數(shù)是外購的(僅部分是自己生產(chǎn)的),但B軸基本都是自己生產(chǎn)的,底座式和法蘭式均有。
隨著車銑復合加工技術(shù)的發(fā)展,帶B 軸的車銑頭技術(shù)也在高速發(fā)展,很多新技術(shù)在其上都有成功應用,比如高速內(nèi)置式電動機驅(qū)動的動力主軸、力矩電動機直接驅(qū)動的高剛性高定位精度B 軸。
帶B 軸的車銑頭的動力主軸有機械式驅(qū)動的和電主軸式驅(qū)動的兩種。目前,各廠家銷售的帶B 軸的車銑頭的動力主軸都是電主軸式驅(qū)動的,而機械式驅(qū)動的應用較多的是WFL 公司的M 系列臥式車銑復合加工中心,以及沈陽機床的HTM63、80 系列臥式車銑復合加工中心。機械式驅(qū)動的一般采用主軸電動機+減速機+1 對傘齒輪+滾珠花鍵+同步帶輪+1 對傘齒輪來傳遞動力。電主軸式驅(qū)動的轉(zhuǎn)速較高,比較適合高速加工,而機械式驅(qū)動的扭矩較大,比較適合黑色金屬加工。
帶B 軸的車銑頭的B 軸有伺服電動機+蝸輪蝸桿式驅(qū)動的、伺服電動機+減速機式驅(qū)動的、伺服電動機+滾子凸輪式驅(qū)動的、力矩電動機式驅(qū)動的。伺服電動機+蝸輪蝸桿式驅(qū)動的、伺服電動機+減速機式驅(qū)動的屬于早期的結(jié)構(gòu)形式,需要通過消隙機構(gòu)來減小反向間隙,其B 軸剛性好,驅(qū)動力矩大,此結(jié)構(gòu)以WFL 等為代表。伺服電動機+滾子凸輪式的驅(qū)動結(jié)構(gòu),目前主要是在Mazak 的車銑復合加工中心上應用。力矩電動機式驅(qū)動的結(jié)構(gòu),因為是直接驅(qū)動,所以不僅減少了傳遞環(huán)節(jié),而且消除了反向間隙,提高了定位精度和動態(tài)特性,目前應用越來越廣,以Duplomatic、DMG 和Mori Seiki 等為代表。
帶B 軸車銑頭的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面:
(1)動力主軸鎖緊技術(shù)。動力主軸的定向停、鎖緊是帶B 軸車銑頭的一個主要要求。在車削過程中,車刀是非旋轉(zhuǎn)刀具,且需保證準確的中心高,要求動力主軸限制原有的旋轉(zhuǎn)自由度,實現(xiàn)準確定向停止。目前常見的鎖緊機構(gòu)為三齒盤鎖緊(也有采用鎖緊銷或者其他鎖緊機構(gòu)的),由于三齒盤結(jié)構(gòu)在軸向和徑向同時定位,限制了6 個自由度,其中5 個自由度超定位,同時動力主軸結(jié)構(gòu)緊湊,空間狹小,故對零件加工精度、裝配精度要求非常高,否則容易產(chǎn)生“蹩勁”[1]。
(2)動力主軸卸荷技術(shù)。動力主軸具有自動換刀功能,由于打刀力一般在1 000 kN 以上,且是瞬間動作,沖擊力很大,對動力主軸軸承有損害。所以需要在一個有限的空間內(nèi),卸掉打刀時作用在動力主軸軸承上的載荷,以提高動力主軸的精度和壽命。
(3)高剛性高定位精度的B 軸技術(shù)。帶B 軸的車銑頭的B 軸不僅有任意角度鎖緊要求,而且還有固定角度鎖緊要求(一般是5°的倍數(shù)),所以在B 軸上需要2 套鎖緊機構(gòu)。固定角度鎖緊一般采用三齒盤鎖緊機構(gòu);任意角度鎖緊方法相對較多。對于三齒盤鎖緊機構(gòu),要重點解決定齒盤與回轉(zhuǎn)支撐軸承的同心問題,消除“蹩勁”,減少對B 軸軸承的附加載荷,以提高B 軸固定角度的鎖緊剛性。B 軸無論采用何種驅(qū)動方式,都要消隙傳動鏈的間隙,以提高B 軸的定位精度。就此方面而言,力矩電動機的驅(qū)動方式較其他方式有一定優(yōu)勢。
(4)油、水、氣、線通道。動力主軸要求有主軸定向鎖緊、松開,刀具鎖緊、松開,刀具內(nèi)冷、外冷,錐口清潔,主軸電動機(如果是電主軸)循環(huán)水冷,軸承氣密封、潤滑、循環(huán)冷卻;動力主軸上相關(guān)的執(zhí)行元件要有檢測信號。B 軸要求有固定角度鎖緊、松開,任意角度鎖緊、松開,力矩電動機(如果采用力矩電動機驅(qū)動)循環(huán)水冷,B 軸軸承氣密封,B 軸上相關(guān)的執(zhí)行元件要有檢測信號。所以在動力主軸上和B 軸上(動力主軸上的油、水、氣、線通道都需要經(jīng)過B 軸)需要多個油、水、氣、線通道,而且要確保通暢、不泄露,以提高帶B軸的車銑頭的可靠性,這就對帶B 軸的車銑頭的結(jié)構(gòu)布局和相關(guān)件的加工提出了高要求。
近些年,在以沈陽機床為代表的國內(nèi)機床企業(yè)在帶B 軸的車銑頭方面的研究雖然取得了一定的進步和發(fā)展,積累了一定的經(jīng)驗和研發(fā)能力,但與國際先進水平比較還有較大差距,對一些關(guān)鍵技術(shù)(如內(nèi)置式電動機的刀具動力主軸、大扭矩的機械式刀具動力主軸和力矩電動機驅(qū)動的B 軸)雖然已經(jīng)開始有應用,但是至今沒有取得突破性進展,因此還需繼續(xù)努力。
[1]李憲凱.車銑復合機床五軸頭關(guān)鍵技術(shù)[J].設(shè)備管理與維修,2005(12):25 -26.