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APM係列翻板臥式加工中心的研發與應用

2016-2-17 來源（yuán）：濟南二機床集團公司（sī）作者：任立偉

APM係列翻（fān）板臥式加工中心項目是由濟南二機床集團承擔的，成都飛機、西安飛機、清華大學、北京航空航天大學共同參（cān）與研究的國（guó）家科技重大專項課題，應用於航空大型鋁合金（jīn）結構件高速高效加工。機床主機采用落地式結構（gòu）、高速大功率主軸；配K大型翻板工作台，實現零件在水平位置裝夾、垂直位置加工的（de）工藝目的（de）。整機加工區全封（fēng）閉防護，實現綠色安全加工。機床搭載毛坯測量與加工餘量分（fèn）析係統和接觸式原位檢測係統，實現毛（máo）坯的虛擬劃線和零（líng）件的在線檢測。機床（chuáng）主要性能和技術指標達到國際先進水平（píng）。

一、研發H的

飛機上95%的金厲結構件需（xū）要數控機（jī）床加工（gōng），由於有強度高、重M•輕、耐腐蝕等特殊要求，多為深槽腔、小轉角、薄壁、具有氣動理論曲麵的（de）盒形結構（gòu）。通常采用（yòng）“整體製造法”，即毛坯為板材、鍛件和鋁合金擠壓型材（cái），通過加工形成薄壁、細筋等結構。統計數據表明（míng），一個金厲零件從毛坯加工到成品，材料的（de）利用率僅為原材料的20% ~10%甚（shèn）至隻有5%，其（qí）餘80% ~90%甚至（zhì）95%的材料都成了切屑。由於飛機結構件的上述工藝特點，為了（le）縮（suō）短零件加（jiā）工占用的大M時間，必須采用（yòng）高速高效銑削技術。另外，隨著（zhe）切削速度的提高，切削力會隨之下降，在高速切削範圍內機床的激振頻率遠離加工工藝係統的固有頻率範圍，而切削產生的熱量絕大部分也被切屑帶走（zǒu）。因此，高速高效銑削技術可以最大程度（dù）地減少加工中徑向切削力、共振和熱變形對加工工藝係（xì）統的影響。

采用高速高效銑削技術後，加工工藝係統的落（luò）屑和排屑成為問題的（de）焦點。典型的鋁合金零件高速加工，每（měi）分鍾就能產生多達數千立方厘米的切屑。傳統的立式加工工藝係統，越來越不（bú）能滿足用戶的需求。這類係統，由於工件（jiàn）水平（píng）放置，加工過程中產生的大fi高溫（wēn）切屑堆積在薄壁型腔中無法及時順利排出，並將熱量傳遞給工件（jiàn）、刀具和主軸，導致整個加工工藝係（xì）統產生二（èr）次（cì）熱變形。切屑的堆積，還會（huì）產生二次切削效應，加劇刀具（jù）的磨損，並影響工件的最終加工質量。

為便於落屑、排屑（xiè），避免上述不利的結果（guǒ），必須轉變工藝思路：由工件在水平位（wèi）置完成整個定位裝夾和加工過程，轉換為工件在水平位a完成定位裝（zhuāng）夾，然（rán）後在垂直位a完成加工。這（zhè）樣（yàng）可以集立式（shì）、臥式機床的優勢為一體（見圖1)。加工設備也考慮由（yóu）水平（píng）工（gōng）作台加立式（shì）主軸布局特征的龍門式加工中心，轉換為翻板（bǎn）式工作台加（jiā）臥式主軸（zhóu）布局特征的（de）翻板臥式加工中心。翻板臥式加工中心不僅便於落（luò）屑排屑，而且易於實現切削加工工作區全封閉設計，實現了綠色安全加工。臥式的主機結構還便於構建（jiàn）FMC或FMS�

綜上所述（shù），APM係列翻板臥式加工（gōng）中心（xīn）就是根據（jù）飛機製造企業的（de）工藝及設備®求（qiú），為其量（liàng）身定做的專用高檔數控機床和解決方案。

二、主（zhǔ）要技水參數

工作台規格（寬度x長度）：2000mm x4_mm�2000.ii.il x 6000mm (或根據用戶要求定製）。主軸功率60kW�最高轉速24000r/miri�X/17Z進給速度5 ~ 20000mm/miri�機床定位（wèi）精度(X/Y/Z ) � O.OlOmni/m,重複定位精度�X/Y/Z� 0.010mm,翻板重（chóng）複定位精度0. 020mm�

三、關鍵技術創新

機床整體結（jié）構布局（jú）采用立柱移動（dòng）式的主機結構。立柱沿X軸方向橫向左右移（yí）動，采用（yòng）雙齒輪齒條（tiáo）傳動；主軸箱沿y軸垂直上下移動，采用雙絲杠驅（qū）動；滑枕沿z軸前（qián）後水平移動，采用絲杠驅動。配置可（kě）90°翻轉的大型翻板工（gōng）作台，通（tōng）過雙（shuāng）絲杠（gàng）同步驅動實現（xiàn）翻板工作台翻轉。翻（fān）板工作台（tái）翻轉到位後采用楔塊定位，液壓（yā）夾緊，鉤鎖（suǒ）防鬆確保翻板工（gōng）作台安全可靠。

圖2翻版臥（wò）式加工中心（xīn）外觀圖(圖中翻板工作台（tái）處於加（jiā）工位置）

1.機床全部（bù）大件均采用（yòng）鋼板焊接件，保證

機床具有良好的（de）剛度質量比床身是機床的基礎部件，要求具有良好承載能力和（hé）穩定性。設計（jì）采用箱式焊接結構，受力中心通過主壁板，使（shǐ）之具有良好的承載（zǎi）能力和剛性。立柱是移動部件，在具有良好剛（gāng）性的同時（shí），要求盡可能地減輕質姑，以滿（mǎn）足高（gāo）速運動的耑要。設計（jì）采用雙層壁板焊接結構，合理布筋，開孔減重，滿足加速（sù）度等動態（tài）性能設計指標。

滑枕采用八邊形焊接結構設計。與傳統方形滑枕對比，在相同切削力作用下，八邊形結構滑枕具有更好的剛度，因而變形更小。

溜板主承重壁板采用箱式焊接結構，承載導軌設支撐壁板（bǎn）也形成箱型結構，因而具有良好的剛（gāng）性。

翻板工作台及其支撐結構均采用鋼板焊接結（jié）構（gòu）。采用型鋼組焊，相對（duì）於鋼板焊接，焊接（jiē）應力小，桁度穩定。

2.基於數（shù）字（zì）化樣機設計進行考慮結合麵特性的整機有限元（yuán）分析，實現機床動靜態性能優（yōu）化設計

在（zài）設計階（jiē）段，基於數字化樣（yàng）機，對機床整體性能進行預估。采用考慮（lǜ）典型結合麵特性的機床整機有限元分析方法，並通過實驗對仿真結果進行驗證，進而獲取機床整機性能參數，為機床性能設計提出優化建議。分析中考慮了三（sān）向導軌（guǐ）結合麵、絲杠螺母接（jiē）合麵、齒輪齒條（tiáo）結合麵（miàn）、主軸套筒結合麵、套筒滑枕結合麵等結（jié）合麵特點，分析影響結合麵特性的主要因素，確定結合麵參（cān）數（shù），進而建立考慮結合麵特性的整機有限元仿真（zhēn）模型。通過這種方法（fǎ），對機床加工過程中不同位置、不同工況（kuàng）下整機（jī）的靜動（dòng）熱態性能進行仿真研究，識別機（jī）動（dòng）熱態性（xìng）能的薄（báo）弱環節並進（jìn）行優化。計算分析的結果已經在產品研製中得到了部分應用和驗證。

3.進（jìn）給軸采用高剛度設計，滿足機床高速高精性能的需要

X軸傳動采用雙齒輪齒條傳動（dòng），雙電機（jī）電氣消隙。該傳動機構安裝在（zài）立柱上，由西門子交（jiāo）流伺服電（diàn）機經精密減速箱降速後帶動立柱沿床身導軌移動（dòng）。該傳動采用通用型齒輪齒條，結構簡單，可靠性好，製造調試維修方便，可實現正常磨損的自動補償（cháng），保證機床長期高精度穩（wěn）定運行。F軸傳動采用雙絲（sī）杠重心驅動，滾珠絲杠采用消除間隙的預（yù）雙螺母的結構（gòu）形式（shì）。由西門子交流伺服電機驅動（dòng），經減速筘降速後，通過滾珠絲（sī）杠旋轉帶動主軸箱上下運動。y軸承（chéng）擔（dān）溜板及滑枕的（de）上下移動，需克服（fú）較大質量的影（yǐng）響，采用雙絲杠驅動，可以提高傳動剛性，滿足快速響應。

z軸采用絲杠驅動，滾珠絲杠采用消除間隙的預載雙螺母的（de）結構形式。由西門子交流伺服（fú）電機（jī）驅動（dòng），經一級同步（bù）帶降速後，通過滾（gǔn）珠絲杠旋轉帶動（dòng）滑枕前後運動。

各軸傳動鏈短、剛度大，使機床具有良好的增益特性、加速度性能，以滿足高速高精加工的需要。

4.采用大功率電主軸配置，滿足鋁合金零件的高效加工需求

主軸（zhóu）采用（yòng）60kW大功率高速電主軸，最高速度可達ZAOOOr/min�主軸支承采用大接觸角高速角接觸球軸承，滾動體為耐髙溫陶瓷球（qiú），以適應軸承高速運行。刀柄采用HSK-A63標準，主（zhǔ）軸采用碟簧拉刀-液（yè）壓刀，動作準確可靠，有專用傳感器用於檢測刀具的鬆、拉、空刀位。電主軸具有自動刀柄吹氣功能（néng），以便在換（huàn）刀時用壓縮空氣對主軸錐（zhuī）孔和刀具錐（zhuī）柄進行清潔。主軸在運轉時發熱S很（hěn）大，為（wéi）防止其過熱燒壞線圈或（huò）軸承，在電主（zhǔ）軸的定子和主軸（zhóu）軸承套的外壁有液冷螺旋循環（huán）套，經過水（shuǐ）冷機降溫的液體通過其中，帶走熱量；同時，在（zài）電主軸內部設有溫度傳感器，實現（xiàn）電主軸（zhóu）的溫控電（diàn）氣聯（lián）鎖。主軸具有主軸中心出水及外冷功能。主軸套筒采用樹脂（zhī）砂造型、高強度無應力（lì）鑄鐵件。套筒采用錐形結構，保（bǎo）證套筒具有較（jiào）高的抗彎及抗（kàng）扭剛度。

5.雙絲杠驅動（dòng）型翻板工作台，具有良（liáng）好旳重複定（dìng）位精度和（hé）精度保持性

翻板工作台S於主軸的對麵，可完成水平和豎直狀態的（de）自動轉換並定位夾緊，方便（biàn）工件的裝夾。翻板工作台翻轉運動采用消（xiāo）除間隙的預（yù）載雙螺母雙滾珠絲杠（gàng）傳動。西（xī）門子交流伺服電機經梢密減速箱降速後，帶動滾珠絲杠螺母旋轉，推動翻板工作台實現其翻轉運動。翻板工作台定位夾緊：翻板（bǎn）工（gōng）作台由水平位a翻轉到豎直位a後通（tōng）過V型塊進行定位，然後接著旋轉液壓缸（gāng）旋轉（zhuǎn）90°後夾（jiá）緊翻（fān）板工（gōng）作台，氣缸推動防鬆鉤鎖動（dòng）作（zuò）勾住翻板台，確保工作台不會意外（wài）翻落。當翻板工作台由豎直位置向水平位置翻轉時，首先（xiān）氣缸（gāng）拉動放鬆鉤鎖鬆開，接著旋轉夾緊液壓缸旋轉90。鬆開翻板工作台，然後（hòu）滾珠絲杠副驅動翻板工作台翻（fān）轉至水平位置。雙絲杠驅動同（tóng）步性好，工作台扭轉變形小，精度保持性好（hǎo）；楔塊定位機（jī）構保證工作台具有良好的重複（fù）定位精度。

6.機床搭載形貌測（cè）量係統和（hé）原位檢測係統，實現毛坯的虛擬（nǐ）劃線和（hé）零件的在線檢測（cè）

某些大型航（háng）空（kōng）結構件的毛坯采（cǎi）用桁鑄件和模鍛件，限於目前國內禱造和（hé）模鍛的整體工藝水平，精鑄件和模鍛件的桁確尺寸控製還是一個難題。毛坯加工中還需（xū）人工劃線，加工餘（yú）量分配缺乏量化測量和分（fèn）析手段。加工餘量不均易導致（zhì）加工出現欠切而報廢，嚴重影響產品的質量和製造（zào）周期，造成浪費。形貌測a係統實三維視覺（jiào）傳感器（qì）、國產數控（kòng）係統（tǒng）、計算機與（yǔ）數（shù）控機（jī）床的集成，構成航空結構件毛坯測量與加工餘a分析（xī）係統。原（yuán）位檢測係統可以實現（xiàn）零件模型和（hé）測黽點的三維實（shí）時仿真，根據檢測規劃文件（jiàn）生（shēng）成（chéng）數控機床可執（zhí）行的NC測量文件，實現檢測軟（ruǎn）件（jiàn）與（yǔ）數（shù）控係（xì）統的機床通訊。對數控係統上傳的測量數據進行誤差補償、質m評價，生成測i報告。根據誤差快速辨（biàn）識方法，建立（lì）誤差補償（cháng）模型，研發原位檢測係統標定（dìng）技術，對測量數據進行誤差補償，消除整體（tǐ）測:a誤差。針對大型飛機結構件數（shù）控加工過程（chéng）的特點，實現加工（gōng）測量（liàng）一體化應用。

7.全封閉防（fáng）護設計，實現安全綠色切（qiē）削

翻板臥式加工中心（xīn）屬於高（gāo）速、高效加（jiā）工機床。由於主軸商速旋轉，切削液霧化嚴重，需要進行（háng）封閉防護，以防危害操作者、汙染環境。機床主軸轉速可以高（gāo）達24000r/min,加工時鋁屑會帶著高溫快速飛出，對機床操作者構成危險（xiǎn）。高速加工時，刀具可能存在的斷裂、解體等更高的危險，需要對機床進行全封閉防護。機床高速切削時會產生噪聲，是另（lìng）一個汙染源，也需要對機床進行隔音處理。

翻板式加工中心對主機和翻板工作台之間的空（kōng）間進（jìn）行全封（fēng）閉防護構建，使之形成（chéng）一個封閉的加工區域（yù），與操作區域和外（wài）部區域完全隔離。在封（fēng）閉的加工區域頂部開設三個（gè）吸風口，配置吸霧器（qì）將水霧吸走。吸霧器底部設有排液口，將液化後（hòu）的（de）水霧排至切削液（yè）水箱（xiāng），實（shí）現重（chóng）複利用。

x軸和y軸采用壁式防護係統。x軸采用鋁簾式防護結構，f軸采用鎧甲式（shì）防護結構。考慮（lǜ）到r軸移動範圍較（jiào）大，對於x軸的壁式防（fáng）護左右兩側設有鋁簾卷筒，對卷簾進行支（zhī）撐、回（huí）收或釋放。機床配S旋轉視（shì）窗，便於操作者（zhě）對加工區域進行觀察（chá）。旋轉視窗由一個固定部分加一個高速（sù）旋轉的（de）玻璃結構（gòu）元件組成。高速旋轉的玻（bō）璃體（tǐ）將飛濺到上麵（miàn）的（de）冷卻液及切肩通過（guò）離（lí）心力的作用向外甩掉，以保證玻璃體的（de）透明度。

加（jiā）工區域配K隨動式高清攝（shè）像頭，可自動跟隨主軸的移動，實時顯示在外ft顯示器上，對加工過程（chéng）進行監控。

四（sì）、成果應用及推廣

2014年4月，APM係列翻板臥式加工中心的第一台樣機研製完成，並成功參加了第八屆中國數控機床展覽會，引起眾多關注。為推進該型產（chǎn）品在航空航天工業的（de）應用，2014年10月，濟（jì）南二機床集團舉（jǔ）辦了（le） APM係（xì）列翻板臥式加工中心技術研討會（huì），來（lái）自成都飛機、沈陽飛機、西安飛機、哈爾濱飛機、洪都航空、上海飛機、天津航天長征火箭公司、上（shàng）海航天設備製造總廠、長（zhǎng）征機械廠等18家航空航天企業50餘人參加（jiā）了會議（yì），就技術研發（fā）和應用進行了研（yán）討。

圖3翻板臥式加工中心切削的模擬試件（jiàn）

未來，根據用戶的耑求（qiú），在翻板臥式加工中心產品係列中，濟南二機床將繼續研發並推出配a自主知識產權數（shù）控雙擺角萬能銑頭（五軸頭）的五軸聯動翻板臥式加工中心、適應於鈦合金加（jiā）工的重型翻板臥式加工中心（xīn）、自動化程度更高的帶有交換工作台的翻板臥式加工單元、配置有自動物流輸送係統的翻板臥式加工柔性生產線等（děng）飛機大（dà）型結（jié）構（gòu）件加（jiā）工專用高檔數控機床，滿足航空工業對翻板（bǎn）臥式加工工藝係統的大（dà）量需求，降低企業采（cǎi）購成本，提高經濟效益，保障國家安全。

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