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APM係列翻（fān）板臥式（shì）加工中心的研發與應用

2016-2-17 來源：濟（jì）南二機床集團公司作者：任（rèn）立偉（wěi）

APM係列翻板臥式加工中心項（xiàng）目是由濟南二機床集團承擔的（de），成都飛機、西安飛機、清華大學、北（běi）京航空航天大學共同參與研究的國家科技重大專項課題，應用於航空大型鋁合金結構件高速高效加工。機床主（zhǔ）機采用落地式結構（gòu）、高（gāo）速大功率主軸；配K大型翻板工作台，實現零（líng）件在水平位置裝夾（jiá）、垂直位置加（jiā）工的工（gōng）藝目的（de）。整機加工區全封閉防護，實（shí）現（xiàn）綠（lǜ）色安全加工（gōng）。機床搭載毛坯測量與加工餘量分析係統（tǒng）和接觸式原（yuán）位檢測係統，實現毛坯的虛擬劃（huá）線（xiàn）和零件的在線檢測。機（jī）床主（zhǔ）要（yào）性能和技術指標達到國際（jì）先進水平。

一、研（yán）發（fā）H的

飛機上95%的金厲（lì）結構件需要數控機床加工，由於（yú）有強度高、重M•輕、耐腐蝕等特殊要求，多為（wéi）深槽腔、小轉角、薄壁、具（jù）有氣動理論曲麵的盒形結構。通常采用“整體製造法（fǎ）”，即毛坯（pī）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（tǒng）計數據表（biǎo）明，一個金厲零件從毛坯加工到成品（pǐn），材料的利用率僅為（wéi）原材料的20% ~10%甚至隻有5%，其餘80% ~90%甚至95%的材料都成了切屑。由於飛機結構件的上（shàng）述工藝特點，為了縮短（duǎn）零件加工占用的（de）大M時間，必須采用（yòng）高速高效（xiào）銑削技術。另外，隨著切削速度的（de）提高，切削力會隨之下降（jiàng），在高速切削（xuē）範圍內機床的（de）激振（zhèn）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（liàng）絕大（dà）部分也被切屑帶（dài）走。因此，高速高效銑削（xuē）技術可以最大程度地減（jiǎn）少加工中徑向切削力、共振和熱變形對加工工藝係統（tǒng）的影響。

采用高速高效銑削技術後，加工工藝係統的落屑和排屑成為問題的焦點（diǎn）。典型的鋁（lǚ）合金（jīn）零件高速加工，每分鍾就能產生多（duō）達數千（qiān）立方厘米的切（qiē）屑。傳統的立式加工（gōng）工（gōng）藝係統，越來越不能滿足用戶的需求。這（zhè）類（lèi）係統，由於工件水平放置，加工過程中產生的大fi高溫切屑堆（duī）積在薄（báo）壁型腔中無法（fǎ）及時順利排出，並將熱量傳遞給工件、刀具和主軸，導致整（zhěng）個加工工藝係統產生二次熱變形。切屑的堆積，還會產生二（èr）次切削效應，加劇（jù）刀具的磨損，並（bìng）影響工件的最終加工質量。

為便於落屑、排屑，避免上述不利的結果，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（chéng），轉換為工（gōng）件在水平位a完成定位裝夾，然後在垂直位a完成加（jiā）工。這樣可以集立式、臥式機床的優勢為一體（見圖1)。加（jiā）工設備（bèi）也考慮（lǜ）由（yóu）水平工作台加立式主軸布局（jú）特征（zhēng）的（de）龍門式加工（gōng）中心，轉換為（wéi）翻板式工作台加臥式主軸布局特征的翻（fān）板臥式加工中（zhōng）心。翻板臥式加工中心不僅便於落屑排屑，而且易於實（shí）現（xiàn）切削加工工作（zuò）區全封閉（bì）設計，實現了綠色安全加工。臥式的主機結構還便於構建FMC或FMS�

綜上所述，APM係列翻板臥式加工中心（xīn）就是根據飛機製造企業的工藝及設（shè）備®求，為其量身定做的專用高檔數控機床和解決方案。

二、主要技水參數

工作台（tái）規格（寬度x長度）：2000mm x4_mm�2000.ii.il x 6000mm (或根據用戶要求定（dìng）製）。主軸功率60kW�最高轉（zhuǎn）速24000r/miri�X/17Z進給速度5 ~ 20000mm/miri�機（jī）床（chuáng）定位精度(X/Y/Z ) � O.OlOmni/m,重複定位精度�X/Y/Z� 0.010mm,翻板重複定位精（jīng）度0. 020mm�

三、關鍵技術（shù）創（chuàng）新

機床整體結構布局采用立（lì）柱移動式的主機結（jié）構。立柱沿（yán）X軸（zhóu）方向橫向左右移動，采用雙齒（chǐ）輪齒條（tiáo）傳動；主軸箱（xiāng）沿y軸垂直上下移動，采用雙絲杠驅動；滑枕沿z軸前後水平移動，采用絲杠驅動。配置可90°翻轉的（de）大型翻板工作台，通過雙絲杠同步驅動實現（xiàn）翻板工作台翻（fān）轉。翻板工作台翻轉到位後采用楔（xiē）塊定位，液壓夾緊（jǐn），鉤鎖（suǒ）防鬆確保翻板工作台安全可靠（kào）。

圖2翻（fān）版臥式加工中心外觀圖(圖中翻板工作台處於加工位置）

1.機床全部大件均采用鋼板焊接件，保證

機床具（jù）有良好的剛度質量比床身是機床的基礎部件，要求具有良好承（chéng）載能力和穩定（dìng）性。設（shè）計采用箱式焊接結構，受力中心通過主壁板，使之具有良好的承載能力和剛性。立柱是移動部件，在（zài）具有良好剛性（xìng）的同時，要求盡可能地減輕質姑，以滿足高速運動的耑要。設計（jì）采用雙層壁板焊接結構，合理布（bù）筋，開孔減重，滿足加速度等動態性能設計指標。

滑枕采用八邊形焊接結構（gòu）設計。與傳統方形（xíng）滑枕對比，在相同切削力作用下，八邊形結構滑枕具有更好（hǎo）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也形成箱型結構，因而具有（yǒu）良好的剛性（xìng）。

翻板工作台及其（qí）支撐結構均采用（yòng）鋼板焊接結構。采用型鋼組焊，相對於鋼板焊接，焊接應力小，桁度穩定。

2.基於數字化樣機設計進行（háng）考（kǎo）慮結合（hé）麵特性的整機有限元分析，實現機床動靜態性能優化設（shè）計

在設計階段，基（jī）於數（shù）字化樣機，對機床整體性能進行預估。采用考慮典型結合（hé）麵特性的機床整機有限（xiàn）元分（fèn）析方法，並通（tōng）過實驗（yàn）對仿真結果進行驗證，進而（ér）獲取機床整機性能參數，為（wéi）機床性能（néng）設計提出優化建議。分析中考慮了三向導軌（guǐ）結合麵、絲杠螺母（mǔ）接合麵、齒輪齒條結合麵、主軸套筒結合麵、套筒滑枕結合麵等結合麵特點（diǎn），分析影響結合麵特性的主要因素，確定結合麵參數，進而建立考慮結合麵特性的整機有限元仿真模型。通過這種方法，對機床加工過程中不同位置、不同工況下整機的靜動熱態性能進（jìn）行仿真研究，識別（bié）機動熱態性能的薄弱環節並進行優化。計算分析的結果已（yǐ）經在產品研製中得到了部分應用和驗證。

3.進給軸采（cǎi）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，雙電機電氣消隙。該（gāi）傳動機構安裝在立柱（zhù）上（shàng），由西門（mén）子交流伺服電機（jī）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（kě）實現（xiàn）正（zhèng）常磨損的自動補償，保證機床長期高精（jīng）度穩定運行。F軸傳（chuán）動采用雙絲杠重心驅動，滾珠絲杠采用消除間隙的預雙螺母的結構（gòu）形式。由西門子交流伺服電機驅動，經減（jiǎn）速筘降速後，通過滾（gǔn）珠絲杠旋轉帶（dài）動主軸箱上下運動。y軸承擔溜板及滑枕的上下移動，需（xū）克服較大質量的影響，采用雙絲杠驅（qū）動（dòng），可以（yǐ）提高傳動剛（gāng）性（xìng），滿足快速響應。

z軸采（cǎi）用絲杠驅動，滾珠絲杠采用消除間（jiān）隙的預載雙螺母的結構形式。由西門子交流伺服電機驅動，經一級同步帶降（jiàng）速後，通過滾珠絲杠旋轉帶動滑枕前後運動。

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

4.采用（yòng）大功率電主軸配置，滿足鋁合金零（líng）件的高效加工需求

主軸（zhóu）采用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（jiē）觸角高速角接觸球（qiú）軸承，滾動體為耐髙溫陶瓷球，以（yǐ）適應（yīng）軸承高速運行。刀（dāo）柄采用HSK-A63標準，主軸采用碟簧拉刀-液壓刀，動作準確可靠，有專（zhuān）用傳感器用（yòng）於檢測刀具的鬆、拉、空刀位。電主（zhǔ）軸具（jù）有自動刀柄吹氣（qì）功能，以便在換刀時用壓縮空氣對主軸錐孔和刀（dāo）具錐柄進（jìn）行清（qīng）潔。主軸在運轉（zhuǎn）時發熱S很大，為防止其過熱燒壞線圈或軸承，在電主軸的定子（zǐ）和主軸軸承套的（de）外壁有液冷螺旋（xuán）循環套，經（jīng）過水冷機降溫的液體通過其中，帶走熱量；同時，在電主軸內（nèi）部設有溫度傳感器，實現電（diàn）主軸（zhóu）的溫控電（diàn）氣（qì）聯鎖。主軸具有主軸中心出（chū）水及外冷功能。主軸套筒采用樹脂砂造型、高強度無應力鑄鐵件。套筒采用錐形結構，保證套（tào）筒具有較高（gāo）的抗彎及抗扭剛度。

5.雙絲杠驅動型（xíng）翻板工（gōng）作台，具有良好（hǎo）旳重複定位精度和精（jīng）度保（bǎo）持性

翻板工作台S於（yú）主軸的對麵，可（kě）完成水平和豎直狀態的自動轉換並定（dìng）位夾緊，方便工件的裝夾（jiá）。翻板工作台翻轉運動采用消除間隙的預載雙螺母雙滾珠絲杠傳（chuán）動。西門子交流伺（sì）服電機經梢（shāo）密減（jiǎn）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（gōng）作台定位夾緊：翻板工作台由水平位a翻轉到豎直位a後通（tōng）過V型塊進行（háng）定位，然後接著旋轉（zhuǎn）液壓（yā）缸旋轉90°後夾緊翻板工作台，氣缸推動防鬆鉤鎖動（dòng）作勾住翻板台，確保工作台不會意外翻落。當翻板工作台由豎直位置向（xiàng）水平位（wèi）置翻轉（zhuǎn）時，首先氣缸拉動放鬆鉤鎖鬆開，接著旋轉夾緊液壓缸旋轉90。鬆開翻板工作台，然後滾珠絲杠副（fù）驅動（dòng）翻板（bǎn）工作台翻轉至水平位置。雙絲杠（gàng）驅動同步性好，工（gōng）作台（tái）扭轉變形小，精度保持性好；楔塊定位機構保證（zhèng）工作台具有良好的重（chóng）複定位精度。

6.機（jī）床搭載形貌（mào）測量係統和原位檢測係（xì）統，實現毛（máo）坯的虛擬劃線和零件的在線檢測

某些大型航（háng）空結構件的（de）毛坯采（cǎi）用桁鑄件和模鍛件，限於目前國內禱造（zào）和模鍛的整體工藝水平（píng），精鑄件和模鍛件的桁確尺寸控製還是一個難題。毛坯加工中還需人工劃（huá）線，加工餘量分配缺乏量化測量和分析手段。加工餘（yú）量不均易導致加工出現欠切（qiē）而報（bào）廢（fèi），嚴重影響產品的質量和製造周期，造成浪費。形貌測a係統實三（sān）維視覺傳感器、國產數控係統、計算機與數控機床的（de）集成，構成航空結構件毛坯（pī）測量與加工餘a分析係統。原位檢測（cè）係（xì）統可（kě）以實（shí）現零件模型和測黽點的三維（wéi）實時仿真，根（gēn）據檢測規劃文件生成數控機床可執行的NC測量文件，實現檢測軟（ruǎn）件與數控係統的機床通訊（xùn）。對數控係統上傳的（de）測（cè）量數據進（jìn）行誤差補償、質m評價，生成測i報告。根據誤差快速辨識方法（fǎ），建立誤差補償模型（xíng），研發原位檢測係（xì）統標定技術，對測量數據（jù）進行誤（wù）差補償，消除整體測:a誤差。針對大（dà）型（xíng）飛機（jī）結構件數控加工過程的特點，實現加工測量一體化應用。

7.全封閉（bì）防護設計，實現安全綠色切削

翻板臥式加工中心屬於高速、高效加工機床。由於主軸商速旋轉，切削液霧化嚴重，需要進行封閉防（fáng）護，以防危害操作者、汙染環境。機床主軸轉速可以高達24000r/min,加工時鋁屑會帶著（zhe）高（gāo）溫快速飛（fēi）出，對機床操作者構（gòu）成危險。高速加工（gōng）時，刀具可能存在的斷裂、解體等更高的危險（xiǎn），需要對機（jī）床進行（háng）全封閉防（fáng）護。機床高速切削時會產（chǎn）生噪聲，是另一個汙染源，也需要對（duì）機床進行隔音處理。

翻板式加（jiā）工中心對主機和翻板工作台之間的空間進行全（quán）封閉防（fáng）護構建，使之形成一個封閉的加工（gōng）區域，與操作（zuò）區域和外部區域完全隔離。在封閉的加工區域頂部開（kāi）設三（sān）個吸（xī）風口，配（pèi）置吸霧（wù）器將水霧吸走。吸霧器（qì）底部設有排液（yè）口，將液化後（hòu）的水霧排至（zhì）切削液水箱，實現重複利用。

x軸（zhóu）和y軸采用壁式防護係統。x軸采用鋁簾式防護結構，f軸采用鎧甲式防（fáng）護結構。考慮（lǜ）到r軸移動範圍（wéi）較大，對於x軸的壁式防（fáng）護左右兩側設有鋁簾卷筒，對卷（juàn）簾進行支撐、回收或釋放。機床配S旋轉視窗，便於操作者對（duì）加工區域進行觀察（chá）。旋轉視窗由一個固定部分加一個高（gāo）速旋轉的玻璃結構元件組成。高速旋轉的玻璃（lí）體將飛濺到上麵的冷卻液及切肩通過離心力的作用向外甩掉，以保證玻璃體的透明度。

加工區域配（pèi）K隨動式高清攝像頭，可自動跟隨主軸的移動，實時顯示在（zài）外ft顯示器上，對加工過程進行監控。

四、成果應用及推廣

2014年4月，APM係列翻（fān）板臥式加工中（zhōng）心的第一台樣機研製完成，並成功參加了（le）第八屆中國數控機床展覽會，引（yǐn）起眾（zhòng）多關注。為推進（jìn）該型產品在航空航天工業的應用，2014年10月，濟南二（èr）機床（chuáng）集團舉辦了（le） APM係列翻板臥式加工中心技術研討會，來（lái）自成都飛機、沈（shěn）陽飛機（jī）、西（xī）安飛機、哈爾濱飛機、洪都航空、上海（hǎi）飛機、天（tiān）津航天長征火箭公司、上海航天設（shè）備製造總廠（chǎng）、長征機械（xiè）廠等18家航空航天企業50餘人參加了會議，就技術研發（fā）和應用（yòng）進（jìn）行了研討。

圖3翻板臥式加工中（zhōng）心切削的模擬試件

未來，根據用戶的耑求，在翻板臥式（shì）加工中心產品（pǐn）係列中，濟南二機床（chuáng）將繼續研發並推出配a自主知識產權數控（kòng）雙擺角萬能銑（xǐ）頭（五軸頭）的五軸聯動翻板臥式加工中心、適應於（yú）鈦合金加工的重型翻板臥式加工中心（xīn）、自動化程度（dù）更高的帶有交換工（gōng）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飛（fēi）機大型結構件加工專用高檔數控機床，滿足航空工業對翻板臥式加工工藝係統的大量需求（qiú），降低企業采購成本，提高經濟效益，保障國家（jiā）安全。

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