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
" ]4 M5 ?6 a5 u  t6 _4 y* zμ2000/5-630H
) {8 P; t) S; f; ^工作台面尺寸
6 t0 q; h( M5 x8 z! q800×800mm
Ø630mm
工作台承重
  Y  Z1 E2 K+ k# G0 ?7 L* P1500kg
7 n! T6 q5 _1 {# q650kg
, Z1 f" u5 b( H. {4 M) X3 o工作行程
: I# g+ q0 u* p! D5 }0 O( m2 @% X1200×1000×900mm
820×1000×900mm
! ^: J5 _( W! B) [主轴电机最大功率
% T  z; i; h1 S; d22/25(15min)kW
22/25(15min)kW
主轴最高转速
8000r/min
8000r/min
快速移动速度
( `9 c6 ~3 b5 m  j* U* g$ LX、Y：48m/min
/ Z3 W3 ?( l8 [- B: U. vX、Y：48m/min
% W& r  H( l9 E& {6 e" GZ：36m/min
Z：36m/min
1 `- ^9 j! L) D- T  F刀柄形式
BT50
6 w# Q; y' W) O/ C7 s, q1 FHSK A100
换刀时间(刀-刀)
7s
# M+ }8 A' m5 S( s1 \7s
2 A, k9 a* v" d刀库容量
38
38
! }6 J  A% E/ w3 X! j2 H4 W' Q定位精度/全行程
" u$ M, Q; s; J# _  J2 @* h2 J" vX、Y、Z：0.008mm
" Q  z$ f/ x5 q3 P2 _! T( }X、Y、Z：0.008mm
重复定位精度
' v: C$ T- K4 U, P+ v% zX、Y、Z：0.004mm
X、Y、Z：0.004mm
2 `# y* d+ c0 L) ?$ C倾斜角度
-
/ t3 G% x$ P8 a6 i-20°～+100°
回转轴定位精度
-
5 ?9 c& O  s+ G$ ?% u10”
二、机床设计目标和主参数的确定
! q  ^3 M+ z; S; L! u- D! H) r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。
$ Y2 @' w6 P/ y" m  a三、总体布局方案及确定
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。
: H/ T0 `6 j% ]$ i9 Z6 s3 p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。
- N6 s+ _/ O3 i  d
图1 μ2000系列卧式加工中心布局结构
# C  D5 u! ^/ f2 E% S+ c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)。

: @/ e8 l& f5 O* ^3 i2 T1 _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
- n& h5 e, C4 W( s( H  \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。
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。
! k; k; Y. I+ N, y主轴电机的选择
主轴电机功率—扭矩曲线图如图3。

图3 主轴电机功率—扭矩曲线图

图4 整体床身的外形图和结构图

) f1 e" `4 |& v5 ?# @$ a图5 整体立柱的外形图和结构图
/ [8 S6 a! l* u% m7 i+ a1 u' ^
图6 主轴箱的外形图和结构图

& v: U# V* E( \8 n  p- V7 d* _图7 本机床的高速精密滚珠丝杠副伺服进给系统

图8 整机的有限元模型及网构图
- n8 E, K; j, U( U5 ]3 ]  a, `* A* e8 M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)。
计算及检测结果
7 S  f6 ]5 M( @; M  Y+ `. |% Q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。
: A# _6 V" x4 D/ x
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
1 V! [: g" C3 a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。
, W  C1 A9 }1 U! }5 B6 y6 v9 [; n  ?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。
0 f6 u# `2 U7 u1 [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。
3 m0 ~& r8 n5 d- U  ?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。
: Y3 p) Y& ?* i& |$ u- p
a)补偿前(最大值33µm)
5 N% u: w1 o: o
b)补偿后(最大值9µm)
+ w. Q5 D) R+ @9 o- W图10 补偿前后主轴热伸长的实测结果
六、μ2000系列卧式加工中心的应用
) r" @; f1 o4 o/ L' s# {2 j2 I/ Wμ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)。
6 s1 O* P: x0 k2 @" ]
图11μ2000/800H卧式加工中心用于某缸盖厂

! ^6 h1 y7 L9 P图12μ2000/5-630H以长刀加工发动机缸体厂
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