沈陽第一機(jī)床廠 肖泉洋

高速車削中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能測試分析

沈陽第一機(jī)床廠 肖泉洋

本文分析了高速車削中心的市場需求，以及高速切削在機(jī)械加工中的重要性和必然趨勢。研究和確定高速車削中心性能參數(shù)指標(biāo)，研究實現(xiàn)高速車削中心的主要關(guān)鍵技術(shù)。重點研究應(yīng)用了直線電機(jī)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)的特點、相關(guān)零件的設(shè)計要求，裝配技術(shù)；研究6000-8000r/min的主軸部件鑲套灌膠的結(jié)構(gòu)，主軸軸承結(jié)構(gòu)的選擇；進(jìn)行了主軸的動態(tài)分析、剛性分析，主軸箱溫度場及主軸熱漂移測試分析。

一、產(chǎn)品的市場需求和開發(fā)的意義

隨著機(jī)械制造業(yè)的競爭日趨激烈，產(chǎn)品生產(chǎn)周期日益縮短，提高生產(chǎn)效率已成為企業(yè)增加利潤、占領(lǐng)市場的重要手段。因此，機(jī)械制造行業(yè)對高速切削機(jī)床的需求越來越大，這種需求在汽車、飛機(jī)、模具等制造行業(yè)表現(xiàn)的尤為明顯。高速、高效、復(fù)合、智能、環(huán)保型機(jī)床才是未來機(jī)床行業(yè)發(fā)展大趨勢。高速數(shù)控車削中心采用高速切削（HSC）和高速加工（HSM）技術(shù)，在大幅度提高切削速度的同時，其進(jìn)給速度提高達(dá)5~10倍，單位時間內(nèi)內(nèi)材料切除率大大增加。而且，機(jī)床空程速度也大幅提高，減少了空行程時間，從而極大地提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率。此外，當(dāng)機(jī)床切削速度達(dá)到一定值后，其切削力降低許多，致使絕大多數(shù)的切削熱來不及傳遞給工件即被切屑飛速帶走，工件基本上保持冷態(tài)，因此高速車削有利于加工易受熱變形影響的零件。同時，高速車削時激振頻率特別高，可遠(yuǎn)離“機(jī)床-刀具-工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率，工作平穩(wěn)且振動小，極大提高加工精度。高速切削(HSC)、硬切削和干切削被認(rèn)為是當(dāng)今切削加工中 3項最具發(fā)展前景的技術(shù)。特別是，有些有色金屬及石墨材料的零件，只有應(yīng)用高速切削才可以達(dá)到所要求的很高的表面質(zhì)量，可以省去后面的磨削和拋光的工序，節(jié)約工時，提高效率。由于我國的高速車削中心開發(fā)較晚，對關(guān)鍵技術(shù)和高端技術(shù)掌握較少，產(chǎn)品性能、技術(shù)指標(biāo)及可靠性均與國外知名品牌存在較大差距。我國每年都以昂貴的價格進(jìn)口大量此類機(jī)床，而發(fā)達(dá)國家在數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策，嚴(yán)重地制約了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不利于企業(yè)設(shè)備的升級改造。HTC2550hs高速車削中心的開發(fā)設(shè)計和制造，可使我們掌握高檔數(shù)控裝備的設(shè)計制造核心技術(shù)，可大大縮短我國機(jī)床制造業(yè)與國外競爭對手的差距，是提高我國機(jī)床制造業(yè)競爭力的有效手段，從而在整體上提高我國裝備產(chǎn)品的國際競爭優(yōu)勢。

二、產(chǎn)品開發(fā)總體方案的概述

1.總體方案

本項目消化吸收沈陽機(jī)床股份有限公司現(xiàn)有的技術(shù)，與高校及科研院所聯(lián)合設(shè)計攻關(guān)，研究高速數(shù)控車床及車削加工中心關(guān)鍵技術(shù)，其中包括高剛度主軸技術(shù)、高速驅(qū)動技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、熱變形及其補(bǔ)償技術(shù)、動態(tài)性能研究及其輕量化設(shè)計技術(shù)等。并對國外公司的成熟產(chǎn)品進(jìn)行深入研究，在此基礎(chǔ)上高起點地研究和開發(fā)高速數(shù)控車床及車削中心。

2.主軸方案

確定主軸的驅(qū)動方式，擬采用高速電機(jī)通過同步帶傳動及高速內(nèi)裝電機(jī)的直接驅(qū)動兩種方式，反饋光柵直聯(lián)結(jié)構(gòu)，保證車削主軸的優(yōu)良動態(tài)特性；確定主軸系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)與冷卻方式，在保證主軸剛性的同時減少發(fā)熱；確定獨特的車削主軸鑲套灌膠結(jié)構(gòu)，保證車削主軸前后支撐軸承的同軸度，保證高速工作的可靠性。

3.床身方案

作為機(jī)床支撐件常用的鑄鐵材料雖然具有很多優(yōu)點，但是在動態(tài)性能和熱變形方面很難滿足機(jī)床精度越來越高的要求。樹脂混凝土床身具有很好的減振性能和熱穩(wěn)定性，目前國外已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。本項目設(shè)計床身采用樹脂混凝土床身，與國內(nèi)具有成熟經(jīng)驗的樹脂公司合作研制，并研究具有環(huán)保特點的油水分離結(jié)構(gòu)。

4．進(jìn)給系統(tǒng)方案

采用獨特結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)作為驅(qū)動方式，立式安裝的直線電機(jī)消除了初極和次極之間作用力對導(dǎo)軌的附加載荷，保證了進(jìn)給系統(tǒng)高的快移速度和加速度；改進(jìn)和優(yōu)化兩軸防護(hù)的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，提供穩(wěn)定可靠的安裝基準(zhǔn)。

5．外觀防護(hù)方案

外觀防護(hù)設(shè)計造型美觀大方，能有效防水防屑，便于操作維修，安全可靠，宜人性好。機(jī)床采用單拉門，內(nèi)置向右拉；CRT箱旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，便于操作。

6．系統(tǒng)及主電機(jī)方案

機(jī)床CNC數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置采用德國西門子公司生產(chǎn)的西門子數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能適應(yīng)高效率、高精度的機(jī)械加工；且具有操作方便、功能齊全、可靠性高等優(yōu)點。同時，在相應(yīng)的各部位增加安全措施，充分保障機(jī)床的可靠運行。

7．機(jī)床主要參數(shù)

三、關(guān)鍵技術(shù)分析

1．直線電機(jī)的安裝設(shè)計與計算

直線電機(jī)即直線電動機(jī)，是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機(jī)械能，而不需任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動裝置，實現(xiàn)所謂的“零傳動”，能滿足這種快速進(jìn)給系統(tǒng)的要求，提高快速響應(yīng)、定位精度、剛度和加工精度。

本課題產(chǎn)品采用獨特結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)做為驅(qū)動方式，該電機(jī)消除了直線電機(jī)初極和次極之間作用力對導(dǎo)軌的附加載荷，保證了進(jìn)給系統(tǒng)高的快移速度和加速度；在設(shè)計之初就進(jìn)給系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)與電機(jī)制造廠家進(jìn)行了聯(lián)合設(shè)計與計算，并同時改進(jìn)和優(yōu)化兩軸防護(hù)的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，提供穩(wěn)定可靠的安裝基準(zhǔn)。

圖1 直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2．高速主軸部件設(shè)計與鑲套灌膠結(jié)構(gòu)

根據(jù)高速主軸工作狀態(tài)和精度要求，實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速6000r/min和8000r/min的技術(shù)指標(biāo)，關(guān)鍵取決于主傳動設(shè)計方案選擇、溫升的控制。為實現(xiàn)主軸最高轉(zhuǎn)速目標(biāo)，有效控制溫升，我們采取了如下措施：

（1）采用高速主電機(jī)通過同步帶實現(xiàn)直接驅(qū)動結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)的主軸系統(tǒng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速是6000r/min，采用反饋磁柵與主軸直聯(lián)的結(jié)構(gòu)保證車削主軸的高動態(tài)特性；主軸軸承采用日本NSK高速、高精陶瓷滾動體復(fù)合軸承，軸承直徑、跨距、預(yù)緊等數(shù)據(jù)都與軸承制造廠家進(jìn)行了聯(lián)合設(shè)計與計算；采用前后主軸軸承鑲套灌膠結(jié)構(gòu)，提高軸承外環(huán)與軸承座的接觸剛性，保證前后主軸軸承的同軸性能，保證高轉(zhuǎn)速時較少的發(fā)熱量和低速重切時主軸的高剛性。

圖2 同步帶傳動主軸結(jié)構(gòu)（鑲套灌膠型）

（2）采用內(nèi)裝式主軸電機(jī)直接驅(qū)動結(jié)構(gòu)

采用西門子1FE1系列高精度同步永磁內(nèi)裝式電主軸直接驅(qū)動，主軸啟動快且效率高，無齒輪皮帶故噪聲低，無皮帶的拉力從而使主軸的受力更合理，減少振動，提高工作精度。主軸軸承采用日本NSK高速、高精陶瓷滾動體復(fù)合軸承，軸承直徑、跨距、預(yù)緊等數(shù)據(jù)都與軸承制造廠家進(jìn)行了聯(lián)合設(shè)計與計算；采用主軸箱前后軸承孔與軸承配鏜，以提高軸承外環(huán)與軸承座的接觸剛性，保證前后主軸軸承的同軸性能，保證高轉(zhuǎn)速時較少的發(fā)熱量和低速重切時主軸的高剛性。

另外由于該主軸結(jié)構(gòu)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速是8000r/min，在研發(fā)設(shè)計時采用了緊湊的前置式液壓剎車阻尼裝置，大大縮短了主軸的長度，在實現(xiàn)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的同時保證了主軸系統(tǒng)較高的運動精度。

圖3 內(nèi)裝電機(jī)主軸結(jié)構(gòu)

（3）主軸箱鑲套灌膠結(jié)構(gòu)

數(shù)控車床的主軸箱鑲套灌膠結(jié)構(gòu)，是利用樹脂將軸承套與箱體之間的空隙填滿，保證調(diào)整好的精度不發(fā)生變化。

數(shù)控車床的主軸箱鑲套灌膠結(jié)構(gòu)的相關(guān)部分包括主軸箱內(nèi)主軸兩端前軸承組件3、后軸承組件9及后軸承套7支撐、后端由壓蓋8固定的常規(guī)結(jié)構(gòu)，前、后軸承均采用超高速角接觸球軸承組成，其特征在于箱體4用于安裝后軸承套7的孔，在時鐘3點、9點、12點部位都有注膠孔，這些注膠孔與箱體4與后軸承套7裝配后產(chǎn)生的間隙X聯(lián)通；后軸承套7端面上的兩個注膠孔F、G通過其本體內(nèi)部的通道I也同樣與間隙X相連；壓蓋8端面上有孔J、K與后軸承套7端面上的兩個注膠孔F、G對應(yīng)相通；密封圈5安裝在后軸承套7內(nèi)端面的槽內(nèi)，將后軸承套7與箱體4的端面間隙封閉，至此幾個零件的注膠孔構(gòu)成了注膠通道。將各個接頭分別安裝在各注膠孔上，從接頭注入的填料膠將間隙填滿，過量的膠從箱體的12點部位的E孔溢出，填料膠固化在間隙X內(nèi)。

本實用新型的數(shù)控車床的主軸箱鑲套灌膠結(jié)構(gòu)，在不增加加工制造難度的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整主軸箱后軸承套來滿足前后軸承組的同軸度要求，之后再利用樹脂將軸承套與箱體之間的空隙填滿，保證調(diào)整好的精度不發(fā)生變化。即讓制造經(jīng)濟(jì)，也使設(shè)備在使用中更精準(zhǔn)，節(jié)省維護(hù)時間和費用。

（4）主軸部件的分析

①主軸的動態(tài)分析、剛性分析

高速車削中心主軸部件的動態(tài)特性在很大程度上決定或者制約著機(jī)床價格、質(zhì)量和切削能力。當(dāng)切削過程出現(xiàn)較大的振動時，會使刀具出現(xiàn)劇烈磨損或破損，也會增加主軸軸承所承受動載荷，降低軸承精度和壽命，影響加工精度和表面質(zhì)量。因此，主軸部件應(yīng)具有較高的抗振性。因為這一部分涉及到很多專業(yè)的分析和實驗，因此我們也得到了集團(tuán)實驗室的大力支持與幫助，在此將實驗、分析結(jié)果總結(jié)如下：

利用ANSYS Workbench和Solidworks的無縫接口，將主軸部件的簡化模型如圖5直接導(dǎo)入Workbench中。根據(jù)實際高速車削中心主軸材料采用45號鋼，將Workbench中的材料屬性參數(shù)設(shè)置如下：彈性模量E=210000 MPa，泊松比μ=0.269，密度ρ=7890 kg/m3。

主軸部件網(wǎng)格劃分方法，選擇Hex Dominant，即軟件采用四面體與六面體結(jié)合的方式自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元平均尺寸Element size設(shè)定為20mm，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示，生成9959個單元和31381個結(jié)點。

分析過程中，要將主軸部件支撐軸承模擬成彈簧，彈簧剛度即為軸承剛度，經(jīng)過公式計算，主軸部件軸承剛度分別為540 N/μm和735 N/μm。彈簧的布置方式，對主軸性能的分析影響很大，經(jīng)過對不同彈簧數(shù)量、位置和對不同約束條件的組合，最后采用將每兩個軸承簡化為一組四根彈簧，一端連接主軸，一端連接虛擬的大地，布置在主軸四周，并對彈簧在主軸作用點處進(jìn)行X軸（即軸向）的線位移約束，如圖7所示。

圖5 主軸部件簡化結(jié)構(gòu)

圖6 主軸部件網(wǎng)格劃分

圖7 主軸部件上軸承及位移約束

主軸部件前四階固有頻率、相應(yīng)振型及振型分析（去除了主軸部件剛體振動，即主軸部件只是整體繞X軸旋轉(zhuǎn)振動，主軸部件作為一個剛性整體，沒有發(fā)生變形情況）如表1所示，相應(yīng)振型如圖8～11所示。

從主軸部件振型圖中可以看出，主軸部件在第三階、第四階固有頻率的振動引起卡盤端在Y軸和Z軸方向擺動振動，這對加工工件質(zhì)量和精度起主要影響，其固有頻率約為660 Hz。

表1 主軸部件模態(tài)分析結(jié)果

圖8 主軸部件第一階模態(tài)振型

圖9 主軸部件第二階模態(tài)振型

圖10 主軸部件第三階模態(tài)振型

圖11 主軸部件第四階模態(tài)振型

從固有頻率和振型的線性趨勢線斜率，分析卡盤端和帶輪端軸承剛度。說明要想獲得主軸部件更好的動態(tài)性能，應(yīng)該加大對卡盤端軸承剛度，具體方法可以為卡盤處適當(dāng)加大軸承預(yù)緊力，但要避免過大的預(yù)緊力使得軸承發(fā)熱。

②主軸箱溫度場及主軸熱漂移測試分析

機(jī)床主軸在運轉(zhuǎn)過程中主軸軸承、電機(jī)等由于摩擦而生熱，尤其是高速主軸，其溫升更快、更高。主軸裝配體部件在溫度升高過程中會出現(xiàn)熱變形現(xiàn)象，不對稱熱變形將導(dǎo)致主軸系統(tǒng)精度降低，具體表現(xiàn)為主軸沿軸向的伸長和主軸沿徑向的彎曲變形。研究表明，影響高速機(jī)床加工精度的主要因素之一是熱誤差，在用現(xiàn)代機(jī)床加工零件的制造誤差中，機(jī)床熱變形所引起的制造誤差可占總誤差的50%，在精密加工中熱誤差約占機(jī)床總誤差的40%～70%。而主軸系統(tǒng)的熱變形誤差又是引起機(jī)床熱變形誤差的重要因素。因此，主軸系統(tǒng)的熱特性分析與設(shè)計對機(jī)床精度的保證至關(guān)重要，是高速高精度機(jī)床必須要考慮的關(guān)鍵技術(shù)之一。

利用FLIR熱成像儀和米銥激光三角測量系統(tǒng)，可以采集到機(jī)床主軸系統(tǒng)的溫度變化及分布數(shù)據(jù)及主軸系統(tǒng)的熱變形數(shù)據(jù)，了解及掌握機(jī)床在運轉(zhuǎn)過程中主軸系統(tǒng)的實際工況，如熱平衡時間、主軸系統(tǒng)不同時刻在各方向的變形量等信息，對主軸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和動態(tài)補(bǔ)償提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

實驗條件如下：室溫（20~25攝氏度）；機(jī)床在冷態(tài)下開始試驗，滿足試驗前12小時之內(nèi)沒有工作，試驗時不準(zhǔn)中途停車。

在安裝檢棒以后，為了保證試驗機(jī)床在高速運行時的絕對安全，在進(jìn)行主軸箱溫升及主軸系統(tǒng)熱變形試驗時，采用3000r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行溫升及熱變形試驗，主軸連續(xù)運行3小時以上。

使用FLIR紅外熱像儀對測試部位進(jìn)行測量時，需確定被測物體的發(fā)射率、反射溫度、測量距離和環(huán)境的相對濕度，由于紅外熱像儀對被測物體表面的反射率等較敏感，因此需在關(guān)鍵點處貼上膠布，降低表面反射率，同時可以達(dá)到使表面反射率具有一致性，提高測試精度。

圖12為測試系統(tǒng)連接示意圖，圖中1為紅外熱像儀，2為火線，3為運行數(shù)據(jù)采集及處理軟件的PC機(jī)，4為電源模塊。

圖12 溫度測試系統(tǒng)連接示意圖

主軸跳動及熱變形測試采用米銥公司出產(chǎn)的激光三角測量儀和IF2004數(shù)據(jù)采集卡，測試系統(tǒng)由五個激光三角反射式位移傳感器（分別測量X、Y、Z三個方向，其中主軸軸向一個，其它兩個方向各兩個）、五個控制器和兩個智能數(shù)據(jù)采集卡及一個電源模塊組成。

測試時，機(jī)床主軸需安裝Ф45mm×300mm（尺寸可適當(dāng)調(diào)整）規(guī)格的檢棒，主軸跳動檢測的采樣率為10kHz，熱變形測試時每隔0.2秒采集一次數(shù)據(jù)。主軸跳動及熱變形試驗數(shù)據(jù)受檢棒本身精度及檢棒和機(jī)床主軸連接后的裝配精度影響很大,檢棒與主軸連接后，其隨主軸旋轉(zhuǎn)的跳動（包括徑向跳動和端跳）越小，測試結(jié)果的精度越高；反之則會降低測試精度。

圖13為主軸熱漂移測量裝置的安裝示意圖。

圖13 主軸熱變形測試裝置布置圖

在整個測量過程中主軸箱上靠近主軸軸承的位置為溫度關(guān)鍵點，圖14顯示了主軸箱上關(guān)鍵點的分布情況。

圖14 主軸箱上穩(wěn)定關(guān)鍵點分布圖

主軸溫升熱場

圖15是主軸箱上關(guān)鍵點的溫度時間曲線圖，由圖15可知主軸在連續(xù)運轉(zhuǎn)2小時后溫度值趨于穩(wěn)定，主軸后軸承端跟皮帶輪最近處的溫度最高，達(dá)到32.054℃，主軸箱體最高溫升值為5.9℃。

圖15 主軸箱關(guān)鍵點溫度—時間曲線

主軸熱變形

熱變形試驗主要考核機(jī)床主軸在中速連續(xù)運轉(zhuǎn)時綜合熱位移，即主軸旋轉(zhuǎn)中心線在機(jī)床X方向與Y方向上的線位移和角位移以及主軸Z方向上的熱伸長。機(jī)床主軸安裝Ф45mm×300mm檢棒進(jìn)行檢測，每隔1s記錄一個數(shù)據(jù)。5個傳感器分別裝在機(jī)床X、Y和Z三個方向上。熱變形測試結(jié)果見表2。

表2 主軸中速溫升及熱變形測試結(jié)果

機(jī)床中速連續(xù)運行240min達(dá)到穩(wěn)定溫升。由表2可知，在整個過程中，主軸在X方向最大線位移-0.006mm，最大角位移為0.005mm/150mm；在Y方向的最大線位移－0.013mm，最大角位移為0.003mm/150mm；主軸最大伸長0.009mm。

機(jī)床在升溫與降溫過程中的主軸變形曲線見圖16~圖18。

圖16 主軸軸向熱變形時間圖

根據(jù)實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本臺機(jī)床在主軸運轉(zhuǎn)120min左右時，主軸箱體趨于熱穩(wěn)定狀態(tài)，此時主軸箱上點的溫度基本保持恒定。整個主軸箱上最高溫度達(dá)到32.054℃左右，最大溫升不超過6℃。

機(jī)床主軸系統(tǒng)熱變形較小，達(dá)到熱平衡時間較短，具有較好的熱特性。

圖17 X方向主軸熱變形時間圖

圖18 Y方向主軸熱變形時間圖

四、產(chǎn)品壽命、可靠性、效益分析

該系列產(chǎn)品策劃及設(shè)計理念本著從市場和用戶的角度出發(fā)，在產(chǎn)品質(zhì)量、性能、精度、成本上下功夫，不但具有先進(jìn)的水平，而且產(chǎn)品預(yù)期壽命長，可靠性高。

床身、床鞍導(dǎo)軌采用直線滾動導(dǎo)軌，預(yù)期壽命10年以上。

主軸軸承采用進(jìn)口高速陶瓷球軸承，經(jīng)精心裝配，可確保主軸壽命10年以上。

機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)采用德國西門子840D，能適應(yīng)高效率、高精度的機(jī)械加工；且具有操作方便、功能齊全、可靠性高等優(yōu)點；同時，在相應(yīng)的各部位增加安全措施，充分保障機(jī)床的可靠運行。

目前我國各行業(yè)發(fā)展迅速，從2002年起我國就成為了世界機(jī)床消費大國，而且其中高檔數(shù)控產(chǎn)品進(jìn)口數(shù)量和金額在逐年提高，此外，隨著我國民營企業(yè)的崛起，我國數(shù)控機(jī)床不能自給的狀況還將加劇，因此，高速車削中心的設(shè)計與制造，不但可以提升我廠在機(jī)床行業(yè)的地位，更可以給終端用戶帶來更好的選擇，應(yīng)用前景十分廣闊。 □