垂直安定面專用機(jī)床的設(shè)計

范 紅 ，仲 秋 ，許興旺 ，李晨輝

(1.江蘇省鹽城技師學(xué)院 數(shù)控技術(shù)系，江蘇 鹽城 224002；2.江蘇恒力組合機(jī)床有限公司，江蘇 鹽城 224055)

0 引言

目前世界上能完全利用自主技術(shù)制造飛機(jī)的有歐洲、美國、俄羅斯和中國。制約飛機(jī)制造的因素很多，制造飛機(jī)是一個國家綜合實力的體現(xiàn)。改革開放以來，軍用飛機(jī)發(fā)展較快，民用飛機(jī)一直相對落后。我國自主生產(chǎn)的中短程干線商用飛機(jī)將經(jīng)歷了許多的“從無到有”的突破。一架大型飛機(jī)約有150～200萬個連接孔，飛機(jī)所承載荷通過連接部位傳遞，形成連接處應(yīng)力集中。據(jù)統(tǒng)計，飛機(jī)機(jī)體疲勞失效事故的70%是源于結(jié)構(gòu)連接部位，其中80%的疲勞裂紋產(chǎn)生于連接孔處。波音公司對鈦合金螺栓測試實驗表明，當(dāng)緊固件沿外載荷作用方向傾斜大于20°時，疲勞壽命降低約47%;傾斜大于5°時，疲勞壽命降低95%。因此連接孔質(zhì)量極大地影響著飛機(jī)的壽命[1-3]。垂直安定面體積大，外形是曲面，加工表面有較高的尺寸公差和位置公差，一般加工中心難以達(dá)到垂直安定面的精加工要求。因此需要設(shè)計專用機(jī)床，研究機(jī)床在切削工況下的受力狀態(tài)、抗震性、利用ANSYS對立柱等機(jī)床重要零件進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，使機(jī)床有良好的精度保持性、快速響應(yīng)速度，并且維護(hù)方便。

1 垂直安定面精加工參數(shù)及要求

圖1 垂直安定面

產(chǎn)品材料：鈦合金 Ti-6Al-4V-α+β鍛造，普通退火。垂直安定面對接面精加工區(qū)域: 2200X620。垂直安定面16個對接孔的加工要求：①16個螺栓孔的孔徑為(6-φ19.3±0.05，10-φ16.1±0.05)；②16個螺栓孔的表面粗糙度Ra為1.6μm ；③垂直安定面左壁板鈦合金5534C10005G70接頭前大螺栓孔軸線和對接平面之間的交點相對全機(jī)坐標(biāo)的位置度公差為φ0.5mm；④其余主盒段根部鈦合金接頭(7個)大螺栓孔軸線和對接平面之間的交點相對于垂直安定面左壁板鈦合金5534C10005G70接頭前大螺栓孔軸線和對接平面之間的交點的位置度公差為φ0.2mm；⑤8個鈦合金接頭大螺栓孔軸線與對接平面的垂直度為φ0.05mm。

鈦合金接頭上132個導(dǎo)孔的加工要求：①132個導(dǎo)孔的孔徑為φ3.26H8 ；②132個導(dǎo)孔的表面粗糙度Ra為3.2μm；③相對全機(jī)坐標(biāo)的位置度公差為φ0.5mm；④132個鈦合金接頭上導(dǎo)孔軸線與對接平面的垂直度為1/2。

2 工藝分析

垂直安定面的制造周期長，制造技術(shù)難度大，工期長。原因是垂直安定面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，加工面積大，加工表面多，加工精度高，質(zhì)量控制困難。根據(jù)加工表面，加工要求和工件外形，結(jié)合垂直安定面的生產(chǎn)批量要求，采用臥式三坐標(biāo)鏜銑床加工垂直安定面,可以在一次裝夾中完成各表面的加工，避免了因為多次裝夾而產(chǎn)生的誤差，加工精度容易保證，也減少了生產(chǎn)輔助時間，提高了生產(chǎn)效率；在機(jī)械加工中，零件的尺寸、幾何形狀、和表面間相對位置的形成，取決于工件和刀具在切削過程中的相互位置關(guān)系，而工件安裝在夾具上，夾具和刀具安裝在機(jī)床上，機(jī)床、夾具、刀具和工件組成工藝系統(tǒng)。直接或間接影響機(jī)械加工工藝系統(tǒng)的因素都將影響零件的機(jī)械加工精度[3]。臥式三坐標(biāo)鏜銑床,需具有良好的剛性、高的精度和生產(chǎn)效率，機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理將直接影響垂直安定面的加工精度。

3 專用臥式三坐標(biāo)鏜銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計

臥式三坐標(biāo)鏜銑床的布局是按照工件的加工姿態(tài)來設(shè)計的[4]，如圖2所示，其切削功能為銑削、鉆削和鏜削，其工作原理為主軸端部銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為主運(yùn)動，工作臺(X軸)的橫向移動為進(jìn)給運(yùn)動，完成銑削加工。通過主軸端部刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為主運(yùn)動，主軸進(jìn)給軸(Z軸)縱向進(jìn)給運(yùn)動來實現(xiàn)連接孔的鉆削和鏜削加工。

圖2 臥式三坐標(biāo)鏜銑床

3.1 主要結(jié)構(gòu)

3.1.1 數(shù)控移動工作臺(X軸)

X軸工作臺的底座及工作臺體為高強(qiáng)度、高剛性優(yōu)質(zhì)鑄鐵件，鑄鐵件粗加工前后經(jīng)充分的去應(yīng)力時效處理，底座為整體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用米筋結(jié)構(gòu)設(shè)計，大幅提高剛性，最大載重時仍維持最佳動態(tài)水平精度；確保機(jī)床具有良好的精度保持性(見圖3)。采用三個線性導(dǎo)軌以避免移動滑臺因立柱的寬與重而變形，同時承載能力大，切削抗振動性能好，可以改善機(jī)床性能特性(見圖4)。

圖3 底座

(a) 立柱在最左邊 (b)立柱在最右邊

3.1.2 立柱(Y軸)

(5)千年古村民居.華堂村的古民居均為四面房子、中間天井的四合院形式，有頗具特色的卵石路相通，均有百余年歷史.不少古民居因住戶外出打工、另建新房等原因，已沒有人居住，也沒有人維修、開發(fā)利用.調(diào)查中走訪的一處華堂村內(nèi)最大最有名的古民居“善慶堂”，整個建筑群只有一個80多歲的老人居住.據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，華堂村有一半以上的古民居處于無人居住的閑置狀態(tài).

Y軸立柱采用優(yōu)質(zhì)高牌號鑄件經(jīng)粗加工前后二次充分的去應(yīng)力時效處理，立柱采用框式對稱結(jié)構(gòu)(見圖5)，受力狀況好，不易變形，有利于精度的保持。 立柱滑板采用雙伺服電機(jī)雙絲杠驅(qū)動(見圖6)，保證Y軸有足夠的響應(yīng)速度和精度，Y軸行程800mm。

圖5 立柱

臥式三坐標(biāo)鏜銑床是一種具有多種加工方式的大型機(jī)床，對于垂直安定面精加工階段主要是進(jìn)行銑削、鉆削和鏜削等加工。在不同的加工方式下，機(jī)床受到的極限載荷是不同的，根據(jù)垂直安定面加工情況分析，鉆削和鏜削時主軸所受的切削力小于銑削時所受到的切削力值，故在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析時考慮機(jī)床在銑削工況下的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性[5]，選擇極限載荷狀態(tài)的銑削進(jìn)行有限元分析。機(jī)床立柱用 HT300 鑄鐵鑄造而成，其物理參數(shù)為：彈性模量E=130GPa，泊凇比υ=0.25，質(zhì)量密度=7400kg/m3。根據(jù)銑削加工的加工條件: 刀片材料硬質(zhì)合金主偏角45°, 切削速度100m/min，進(jìn)給量0.2 mm/z,工件材料為正火中碳碳素鋼，銑刀直徑160mm,切深5mm, 銑削寬度120mm，刀具齒數(shù)12，轉(zhuǎn)速199r/min,金屬切除率286cm3/min，進(jìn)給速度477mm/min，功率13.94kW。通過計算得到銑削加工時切削力為:主切削力Fc=7224N，軸向力Fp=3162N，徑向力Ff=2167N[6]。結(jié)合有限元理論，利用ANSYS對分析立柱變形如圖7所示，立柱變形最大綜合位移變形發(fā)生在立柱后部中間右側(cè)，0.01608mm，并且最大位移只發(fā)生在局部接觸部位，其余大多數(shù)部位位移較小。立柱結(jié)構(gòu)的總變形小[7]，能保證在一定承載條件下產(chǎn)品具有較高的加工精度[8]。

圖6 雙伺服電機(jī)

圖7 立柱有限元分析

3.1.3 主軸進(jìn)給軸(Z軸)

Z軸采用動柱式，可使主軸的前軸承盡可能靠近加工面，Z軸行程500mm使主軸部件可遠(yuǎn)離夾緊支撐機(jī)構(gòu)，有利于機(jī)床的維護(hù)。

機(jī)床各軸均為伺服電機(jī)驅(qū)動，機(jī)床的導(dǎo)軌均采用直線導(dǎo)軌(X軸采用滾柱直線導(dǎo)軌)，滾珠絲杠副的絲杠支撐采用成組角接觸球軸承，裝配時絲杠經(jīng)有效的預(yù)拉伸，以提高絲杠的剛性及定位精度，采用集中潤滑裝置定時定量供油，并帶有潤滑油收集通道。X、Y、Z軸帶有絕對式光柵尺，全閉環(huán)驅(qū)動，可極大的提高定位及重復(fù)定位精度。X、Z軸采用不銹鋼伸縮式防護(hù)，Y軸導(dǎo)軌帶有不銹鋼盔甲式防護(hù)罩殼。

3.1.4 主軸部件

機(jī)床的主軸安裝在立柱的滑板上，滑板通過高精度直線導(dǎo)軌安裝在機(jī)床的立柱上，并可沿立柱上下移動。主軸采用SKF成組使用的主軸專用軸承，具有精度高、壽命長、噪音小等特點[9]，主軸的驅(qū)動采用伺服電機(jī)、雙速減速箱及同步齒形帶，主軸的內(nèi)部裝有用于拉緊刀具的蝶簧組，主軸尾部裝有用于打刀的打刀油缸及主軸轉(zhuǎn)速編碼器,如圖8所示。

主軸傳動、減速箱及主軸軸承采用循環(huán)冷卻油冷卻，以控制主軸溫升，確保主軸保持高的運(yùn)行精度[10]。主軸采用中心出水氣結(jié)構(gòu)，采用干切削微量油氣潤滑冷卻加工部位，不對加工的零件產(chǎn)生污染腐蝕。主軸端部采用BT50錐孔與刀具連接。主軸采用1PH7133電機(jī)15kW ,額定轉(zhuǎn)速1500rpm 最大連續(xù)轉(zhuǎn)速 4500rpm，額定扭矩95.5N·m。雙速減速箱分別是：傳動比為1：1，主軸輸出扭矩最大95.5N·m；傳動比為1：4，主軸輸出扭矩最大382 N·m。

BT50刀庫容量12把,最大刀具重量14kg。采用微量油氣潤滑冷卻加工部位，自動排屑，帶接觸式測量系統(tǒng)。

3.2 主要參數(shù)

主軸轉(zhuǎn)速：20～2000rpm；工進(jìn)：1～1000mm/min； 快進(jìn)： 5～10m/min；主軸中心高度：1600～1800mm；主軸扭矩：300N·m；數(shù)控移動工作臺(X軸)：行程 3500mm ；Y軸立柱上下行程：相對主軸中心高度±400mm；Z軸進(jìn)給行程：500mm；X,Y,Z軸定位精度：0.03mm/全行程；X,Y,Z軸重復(fù)定位精度：0.015mm。

圖8 主軸部件

4 垂直安定面的加工方法

(1)垂直安定面運(yùn)至加工工位，人工安裝哈夫式支撐吊具。

(2)將垂直安定面用吊具吊至吊裝區(qū)域，并使吊具上的支撐球窩與三支撐一一對應(yīng)安放，垂直安定面水平安放，右側(cè)面朝下。

(3)使用激光跟蹤儀測量垂直安定面的各個測量點。

(4)激光跟蹤儀測量數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，調(diào)姿裝置自動將垂直安定面姿態(tài)調(diào)整到正確位置。

(5)垂直安定面運(yùn)至加工區(qū)域。

(6)對垂直安定面進(jìn)行夾緊和支撐，操作過程中不得影響垂直安定面的姿態(tài)。

(7)測量、找正，使用臥式三坐標(biāo)鏜銑機(jī)床加工對接面，粗鏜16個對接孔。

(8)加工鈦合金接頭上132-φ3.26H8 導(dǎo)孔。

(9)精鏜對接孔。

(10)測量孔位孔徑及端面特性。

(11)垂直安定面吊出。

5 結(jié)束語

該機(jī)床自投入使用以來，是國內(nèi)首次利用國產(chǎn)專用機(jī)床進(jìn)行垂直安定面精加工，克服了一般加工中心難以保證垂直安定面加工精度的問題。通過設(shè)計專用機(jī)床，將機(jī)床的三坐標(biāo)單元設(shè)計在一側(cè)，便于零件裝夾，優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高機(jī)床加工精度。

根據(jù)用戶要求先后對多批次產(chǎn)品進(jìn)行加工實驗， 測試結(jié)果表明各項性能指標(biāo)都達(dá)到了目標(biāo)要求，并達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)能力。從裝配后的尾翼整體結(jié)構(gòu)復(fù)合壁板測量數(shù)據(jù)分析，加工精度已達(dá)到國際先進(jìn)水平，生產(chǎn)效率已接近國際先進(jìn)水平，在國內(nèi)技術(shù)處于領(lǐng)先水平。該技術(shù)的開發(fā)成功，具有很好的社會效益和良好的經(jīng)濟(jì)效益，填補(bǔ)了國內(nèi)在該領(lǐng)域的空白。對于我國航空制造行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，提高我國航空制造業(yè)的市場競爭力有著重要的意義。