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高精度數控雙柱定梁立式車磨加工中心的研製

2021-1-27 來源：齊重數控裝備（bèi）股份有限公司作者：白光（guāng）勇

摘要：為了完成偏（piān）航軸承和變槳軸承桃形溝滾道淬火後硬車削粗、精加工及磨削等高效率精加工，研製了高精（jīng）度數控（kòng）雙柱定梁立式車磨（mó）加工中心，實（shí）現（xiàn）滾道的高效硬車削及磨削加工。

關鍵詞：風電軸承；淬硬滾道；車磨加工

0 、引言

由於海上風電具有風速高（gāo）、風向穩（wěn）定、風能資能（néng）豐富、不占用陸地資源等優勢，已經成為（wéi）未來發展可再生能源產業的重要組成部分，可以促進沿海地區能源轉型，是國家實現能源結構調（diào）整（zhěng）的有效保障（zhàng），對我（wǒ）國轉變經濟發展方式（shì）具有重（chóng）要意（yì）義。隨著我國風電行業的發展和產品質量的提升，風電類軸（zhóu）承出口量越來越大，而國外對軸承的精度要求逐漸提高，傳統的工藝加工方法和設備（bèi）已經很（hěn）難達到要求。

開發具有自主知（zhī）識產權（quán）的高精度雙柱定梁立式車磨加工設備是國內（nèi）亟待解決的國產化瓶頸。針對風電係列（liè）關鍵核心部件, 完成偏航軸承和變（biàn）槳（jiǎng）軸承（chéng）桃形溝滾道淬火後硬車（chē）粗、精加工及磨削等高效率精加工。可以實現零件內外圓柱麵、內外圓錐麵（miàn）、平麵的車削加工（gōng）；同時適用（yòng）於陶瓷、樹（shù）脂結合劑及燒（shāo）結剛玉砂輪對零件進行磨削加（jiā）工。

1 、技術參數及（jí）主要結構

工件材料為42Cr Mo4,滾道硬度為60～63 HRC,溝心距公差為±0.02 mm,表麵粗糙度為Ra0.4 μm,曲率半徑為R±0.08 mm,接觸角為45°±1°。機床回轉及加工直徑為（wéi）3500 mm，最大加（jiā）工（gōng）高度為400 mm，工作台直徑為3500 mm，工件（jiàn）最大（dà）質量為10 t，工作台轉速為1～45 r/min，車（chē）削主（zhǔ）傳動電動機功率為55 k W，水平滑板行程為650～2600 mm，垂直滑板行程為500 mm。磨削主軸電動機功（gōng）率為75 k W。機床總體結構方案如圖1所示。

圖（tú）1 總（zǒng）體結構方案

1.左立柱 2.右立柱 3.橫梁 4.工作台（tái）單元 5.右車削刀架 6.左磨削刀架 7.車（chē）削刀庫 8.砂輪修整裝置

為了保證風電軸承具有較高的加工精度及較好的表麵粗糙度（dù），需要軸承在粗加（jiā）工後進行淬火熱處理，由於熱處理後工件硬度高達58～63 HRC，硬度高，加工難大，采用磨削（xuē）作為後（hòu）期加工工序。根據工件的加工特點，工件高（gāo）度不超過400 mm，機床采用定梁龍門架式結（jié）構，龍（lóng）門架由左立柱1、右立柱2、橫梁3組成，與工作台底座形成封閉框架結構，整體動靜剛（gāng）度高（gāo），滿（mǎn）足雙刀架高剛度、大抗力切削要求。該機床創新實現工件在工作台單元4上進（jìn）行一次裝卡，用右車削刀架5及左（zuǒ）磨削刀架6完成工件淬火半精車、半精磨、精磨加工；減少（shǎo）了采用通用車床及通用磨床的多次裝卡、反複找正（zhèng）的誤差對加工精度的影響；該機床右車削刀架5和左磨（mó）削刀架6創新采用滑板式（shì）結構（gòu），實現工件淬硬後的大載荷（hé）、高速高效車削及高效磨削，同時具有（yǒu）良好的吸振抗振性（xìng）能；該機床創新（xīn）采（cǎi）用75 k W超大功率磨（mó）削主軸，配置雙滾（gǔn）道砂輪卡持主（zhǔ）軸（zhóu），通過高剛度雙滾道砂輪修整裝置（zhì）8，一次完成（chéng）雙滾道同時磨削，實現較（jiào）高的曲率半徑及溝心距要求。

2 、主要部件的結構設計（jì）

該機床為雙柱定梁結構（gòu），雙立柱貼合在工作台底（dǐ）座左右兩側（cè），橫（héng）梁安（ān）裝在左（zuǒ）右雙立柱上（shàng），形（xíng）成封閉框架。左（zuǒ）數控磨削刀架（jià）和右數控車削刀架在橫梁上左（zuǒ）右移（yí）動。砂輪修整裝（zhuāng）置及車削刀庫分別布置在工作台單元左右兩側，整機防（fáng）護裝置、液壓氣（qì）動控製裝置及電氣控製係統布置在主機外側。

1）定梁龍（lóng）門架。

定梁龍門（mén）架（jià）由橫梁、左立柱、右立柱組成，經有限元分析進行結構優化。左立柱、左立柱、橫梁、工作台底座形成矩形封閉框架結構（gòu），滿足機床動靜剛度要求。左右立柱為左右對稱設計，采用階梯箱形結構，在立柱型腔內部（bù）設（shè）計有方形筋板，既（jì）滿足了安裝結構尺寸要求，又實現高（gāo）剛度要求，內部鑄造采用封砂（shā）結構（gòu），增（zēng）加立（lì）柱的整（zhěng）體剛度及整機（jī）剛度，減振及抗振性好。左右立柱在（zài）前後方向采用大跨度支承，與地基之間采用重型地（dì）腳墊鐵支承，地（dì）腳墊鐵環形分布在立柱底座外側，提高了整機及加工的抗傾（qīng）翻能力及地基聯接支承剛度。橫梁采用箱形結構形式，整體矩形兩導軌結構，刀架左右移動導軌采用直線導（dǎo）軌與滑動導軌組合的（de）結構（gòu）形式。刀架左右移動導軌采用高剛度滾柱（zhù）形直線導軌，在實現大切削力車削（xuē）及磨削時，在切（qiē）削力的作（zuò）用下，刀架與（yǔ）橫梁滑動導軌麵貼合，並實現滑動移動，既實現了高精度（dù）進（jìn）給，又實現了大（dà）承載切削[1]。

橫梁采用預變形工（gōng）藝方法，保證（zhèng）刀架水平移動與工作台（tái）導軌的平麵度要求。根據（jù）前期有限元計算、左右刀架質量、切削力等數據，在機床加工過程中，通過橫（héng）梁上部加載重物（wù）及（jí）壓緊力，使橫（héng）梁變形達（dá）到工藝要求的（de）數據（jù）。橫（héng）梁精加工完成、去除壓重物，橫梁上導軌為一個上凸曲線，在安裝完左（zuǒ）右刀架後（hòu），使刀架（jià）水平移動與工作台導軌麵（miàn）的平行度不大於0.02 mm/1000 mm。右車削刀架、左磨削刀架（jià）水（shuǐ）平進給機構布置在橫梁上下導軌（guǐ）之間。水平進給電（diàn）動機安裝在（zài）橫梁左右兩端，伺服電動機（jī）經行星減速器降速後驅動滾珠絲杠，帶（dài）動左右刀架實現進給及快速移動。兩個（gè）刀架（jià）采用左、中、右（yòu）三套防護（hù）罩防護，在（zài）橫梁下端安裝有（yǒu）超長導向杆，防護罩兩側采用固定聯接，並在導向杆上進行左右方向移動，移動平穩，支承剛性好。機床兩（liǎng）個刀架采用左、中、右3套防護罩防（fáng）護，在橫（héng）梁下端安裝有超長導向杆，防護（hù）罩兩側采用固定聯接，並在導向杆上進行左右方向移動，移動平穩，支承剛性好。

2）工作台單元。

工作台單元由圓形回轉台、工作台底座、主軸單元及車削主傳動變速機構等組成。圓形回轉台和工作台底座為（wéi）整體鑄造結（jié）構。圓形回轉台為環形結構，在圓周方向上分布有放射形筋板，在（zài）徑向方向上（shàng）分（fèn）布有環形筋板，圓形回轉台下麵設計有環形導軌，與工作台底座形（xíng）成靜壓導軌副，實（shí）現對工件及圓形回轉（zhuǎn）台台麵的承重支撐，圓（yuán）形回轉台麵上（shàng）設計有T形槽及止退槽，用於安裝卡盤爪，實現工件的卡緊放鬆。

工作台（tái）底座布置有環形（xíng）恒流靜壓導軌腔（qiāng），靜壓油腔共計12個。工作台靜壓導（dǎo）軌采用多點齒輪等量對每（měi）個靜壓腔進（jìn）行單獨單腔供油。為了實現圓形工作（zuò）台導軌副的安全保護，工作台底座上安裝有油膜測厚電子元件，當油膜（mó）厚（hòu）度小於0.04 mm時[2]，將信號反饋至電控係統，使圓形回轉台和工件停（tíng）止（zhǐ）轉動。工作台主（zhǔ）軸單元由回轉（zhuǎn）主軸、徑（jìng）向定心軸承及軸（zhóu）向預緊（jǐn）軸承組成。主軸（zhóu）單元通過螺栓把合（hé）在工作台底座上。徑向采（cǎi）用（yòng）高精度雙列短圓柱滾子軸承作為定心支承，軸承內環與主（zhǔ）軸采用錐麵定位，錐度為1：12，通過調整軸承內環的軸向位置，實現徑向間隙的高整，達到圖樣要求的高精（jīng）度回轉及壽命（mìng）要求。

軸向預緊軸承安裝在主軸上端，通過法蘭盤固定在（zài）主軸上（shàng），對圓形工作（zuò）台的浮升（shēng）量進行有效（xiào）控製，同時（shí）提高了（le）工作（zuò）台靜壓導軌的油（yóu）膜（mó）剛度，保（bǎo）證工作台單元穩（wěn）定可（kě）靠地運轉及工作。工作台底座（zuò）芯部設置有（yǒu）主軸編碼（mǎ）器（qì），實（shí）現螺紋（wén）加工及恒線速切削功能。車削主傳動機構采用立軸（zhóu）傳動形式（shì），直（zhí）流主電（diàn）動機及各傳動軸采用立式平行軸結構布置，通過（guò）變速油缸控製，實現主傳動（dòng）兩種轉速變換，達到車削及（jí）磨削的主軸轉速範圍要求。為了有效降低傳動噪聲，主傳動機構（gòu）中（zhōng）的所有齒輪均采用優（yōu）質碳（tàn）鋼或合金鋼材質，齒輪齒形表麵采用淬火後磨削及修緣的加工方（fāng）法，提高了（le）傳動效率及精度，降低傳動（dòng）振動[3]。

3）右車削刀架。

車刀架為滑枕結構，刀架回轉滑座貼（tiē）和在橫梁滑座前麵。車刀架垂直進給（gěi）導軌（guǐ）為滑（huá）動導軌（guǐ），並配置減摩導軌副降低摩擦因數，提高刀架微（wēi）量進給及定位精度。車刀架垂直進給采用西（xī）門子伺服電動（dòng）機與滾珠絲杠采用直聯結（jié）構，由兩（liǎng）套滾珠絲杠副同時單個刀架（滑（huá）板）進行垂（chuí）直進給運動，傳動剛度高、實現主（zhǔ）從無間隙微量進給控製。車削滑枕固定在滑板前端，滑枕下端安裝有

刀夾快換接口，實現刀（dāo）庫內快速換刀。刀夾采用錐麵定位、四角（jiǎo）油缸卡緊的方式，實現強力切削。車刀架（jià）水平、垂直進給采用光柵尺閉環（huán）控製。

4）左磨削刀架。

磨刀架為（wéi）滑板結構，刀架回轉滑座（zuò）貼合在橫梁滑座前麵，可手動搬度。磨刀架垂直進給（gěi）導軌為滾滑複合導軌，並通過滾動導（dǎo）軌（guǐ）和減摩導軌副降低摩擦（cā）因數，提高刀架微量進給及定位精度。磨刀架垂直進給采用西門子（zǐ）伺服電動機與滾珠絲杠采用直聯結構，由兩套滾珠（zhū）絲杠副同時單個刀架（滑板）進（jìn）行垂直進給運動，傳動剛度高，可實現主從無間隙微量進給（gěi）控製（zhì）。通過對兩套絲杠（gàng）副的優化控製，可實現刀具在垂直麵內圓（yuán）周方向的（de）微量調整，提高切削精度。車刀架水（shuǐ）平、垂（chuí）直進給采用（yòng）光柵尺閉環控製。磨頭固定在滑板前端，磨頭采用（yòng）內置電動機結構，主軸前端采用高剛度短錐1∶4結構，砂輪卡（kǎ）持（chí）器與主軸采（cǎi）用錐麵與（yǔ）端麵同時接觸的安（ān）裝方式，錐麵為過盈配（pèi）合，實現高（gāo）剛度磨削要求[4]。

5）工件冷卻及（jí）排屑裝置。

車、磨刀（dāo）架均配有（yǒu）工件冷卻噴嘴（zuǐ），可對工件、刀具（jù）和砂輪進行冷卻，以提高加工效果和刀具壽命。鐵屑經排屑器分（fèn）離後輸送至鐵屑箱內。冷（lěng）卻液通過工作台防護罩、排屑器，回收槽回收至冷卻液箱，經過濾循環使用。排屑裝置為加寬（kuān）型鏈板排屑器。冷（lěng）卻液箱落水口設置有粗濾網、紙質精濾（lǜ）等多種措施，保證冷卻液清（qīng）潔，滿足冷卻使用要求（qiú）。

6）工作台防護罩。

工作台防護罩具備安全防護、冷卻液回收和鐵屑（xiè）回收功能，采用（yòng）半防（fáng）護式結構，車削刀庫、砂輪修整裝（zhuāng）置均采（cǎi）用獨（dú）立防護，通過氣動控製，推開防護門，實現修裁砂（shā）輪、更換刀夾（jiá），由（yóu）於（yú）機床龐大，拉門使用不頻繁，故拉門采用手動結構。

7）砂輪修整裝置。

配備單點金剛筆砂輪修整（zhěng）器和金剛（gāng）滾輪砂輪修整器，修整器支架與地基固定，保證剛性。為了實（shí）現工件雙（shuāng）滾道同時磨削（xuē）的要（yào）求，金剛滾輪安裝在支承主軸上，修整主軸外端配置了高剛度雙（shuāng）列圓柱滾子軸承，支承剛度高。修整主軸由11 k W電動機（jī）經皮帶降（jiàng）速後驅動，修整功率大，傳動平穩。

8）車削刀庫。

車削刀庫采（cǎi）用盤式結構，配置8個刀夾，每個刀夾上安裝有（yǒu）不同的刀具接納口接口，接口采用山特維克C6型式，實現刀具快（kuài）速準確定位，定位精度為0.003 mm。

9）液壓氣動控製係（xì）統。液壓係統主要由液壓油箱、主傳動電磁滑閥（fá）變速控製裝（zhuāng）置、車削刀架及磨削（xuē）刀架滑板液壓平衡控（kòng）製裝置等組成。液壓油箱內的液壓油通過油冷機控製油溫，保證液壓係（xì）統的油溫恒定，實現液壓係統的穩定工作。氣動裝置經氣動三聯件進行過濾後，通過氣閥控製（zhì）實現刀具錐柄（bǐng）吹氣、光柵尺（chǐ）清潔吹氣、防護罩（zhào）氣動門控製等功能

10）電氣控製係統。機床采用西門子828D數控係統控製，配置（zhì）專用電（diàn）氣櫃，實現（xiàn）機床PLC及加工控製。高精度數控雙柱定（dìng）梁立式車磨加工中心（xīn）如圖2所示。

圖2 機床現場安裝圖（tú）

3 、創新點

1）創新研製了封砂式定（dìng）梁龍門結構，保證高速硬車及高精度加工時的整機剛度及高動靜阻尼（ní）特性。

2）創新研製（zhì）了車磨刀架垂直方向雙絲杠進給驅動（dòng）機構，消除傳動間隙，保證了刀（dāo）架高剛度（dù）微量進給（gěi）要求，滿足溝心距高精度加工要求（qiú）。

3）創新研製（zhì）了砂輪雙排桃形（xíng）溝滾道成形修整機構，采用大（dà）功率動力驅動，實現砂輪快速成形修整。

4）創新研製了橫梁防護罩保護結構，實現大尺寸風琴式防護罩可靠運行。

4 、結語（yǔ）

高精度數控雙柱定梁立式車磨（mó）加工中心成功研製，將打破加工風電軸承關鍵設備依賴進口的局（jú）麵，為實現風電大（dà）型設備關鍵零（líng）部件國產化打下了堅實的基礎（chǔ）。該機（jī）床在用戶現場安裝驗（yàn）收完成（chéng），通過了黑龍江省新產品鑒定（dìng）評審，技術水平處（chù）於國內領先地位。隨著各種（zhǒng）風電軸承類（lèi）零件規格逐漸增大，軟車及硬車、車削與磨削複合加工設備（bèi）的需求也逐漸增多。該機床具（jù）有全（quán）麵穩定的車削及磨削加工（gōng）能力，能夠實現用戶不同的工藝加工要求，功能齊（qí）全、精度（dù）保持性（xìng）好、自動化程（chéng）度高、適應能力強，有較強（qiáng）的市場（chǎng）競爭力，極具推廣價值。可為機（jī）床製造商及零件生產廠（chǎng）商帶（dài）來顯著的經濟（jì）效益和社會（huì）效（xiào）益（yì）。

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