HTM係列臥式（shì）車銑複合加工中（zhōng）心的研發與應用-加工中心網-數控機床（chuáng）市場網（wǎng）

您（nín）現在的位置：加工中心網> 技術前沿>HTM係列臥（wò）式車銑複合加工中心的研發與應用

HTM係列臥式車銑複合加工中心的研發與應用

2020-6-18 來（lái）源：機床協會作者（zhě）：-

一、產品概述

臥式車（chē）銑複合加工中心作為機床行業的高檔機床之一其市場需求巨大（dà），在（zài）提高能源、航空、航天、船舶及軍工等行業一些關鍵零（líng）件的加工精度和（hé）加工效率方麵具有不（bú）可替代的作用。

沈陽機床HTM係列臥式車銑複合加工中心是（shì）針對汽車、航天、軍工等行業高檔數（shù）控機床的（de）需求而研製開發（fā）的，該機床以“零件單機完工”為設計宗旨，融合了車削中心與（yǔ）臥式加工（gōng）中心的優點，采用X1、Y、Z1三個直線軸正（zhèng）交結構，加大的Y軸行程很好地擴展了（le）機床的加工空間。與可以連續分（fèn）度的車削主軸（C軸）和在240°範圍內擺動的銑削主軸（B軸）配合，能進行五軸聯動加工，極大地改善了機床對複雜零件的加工能力。

機床（chuáng）配置自動換刀機（jī）構，車、銑主軸采（cǎi）用大（dà）功率電主軸驅動，工件（jiàn）一次裝卡調整後，不僅（jǐn）能進行車削、銑削、鑽削、磨削等多工序的複合加工，利用多軸聯動功能還可完成零件傾斜部位及複雜空間曲麵的加工，極（jí）大地提高了加工效（xiào）率（lǜ）與精度。

HTM係列臥式車銑複合加工中心體現了當今數控機床高效、高精、複（fù）合化的發展（zhǎn）趨（qū）勢，尺寸公差為IT6級；加工表麵粗糙（cāo）度Ra1.6μm，圓度為3.5μm，該機床的顯著特點（diǎn）是銑削加工葉片（piàn）螺（luó）旋麵、加工偏心零件、銑削斜麵等，特（tè）別適（shì）用於複雜零件的加工。

二、新技（jì）術的應（yīng）用（yòng）情況

現代（dài）數控機床的主要特征為高速、高（gāo）精度和高動態特性，沈陽機床對（duì）HTM係（xì）列車銑複合加工中心動態性能（néng）展開（kāi）研究，通過借鑒國內外機床動態特性測試手段以及機（jī）床整機仿真分析等方法，為（wéi）高檔數控機床的性能評（píng）估及改善，為結（jié）構優化提供依據；基於現（xiàn）有（yǒu）機床原型（xíng）構建機床動力學模型分析計算（suàn），並針對機床（chuáng）主要部件進行結構優化改善整體動態性能。

沈陽機床緊緊圍繞（rào）重點用戶領域需求，進行高速車銑複合、銑削主軸、高剛性高定位精度（dù）B軸技術及熱變形誤差補償技術的研究開發，攻克了（le）一係列技（jì）術（shù）難題。

1. 高剛性（xìng）高定位（wèi）精度（dù）B軸（zhóu）技（jì）術

通過對（duì）高剛性（xìng）高定位精度B軸技術的研究，解決（jué）了三個關鍵（jiàn）技術問題，即B軸高（gāo）定位精度的實現方式；B軸高剛性的實現方式；小（xiǎo）空（kōng）間內B軸附屬功能的實現（xiàn）方式。B軸的驅動依（yī）靠安裝（zhuāng）在主（zhǔ）軸上的大轉矩（jǔ）、高可靠性的力矩（jǔ）電機來完成（chéng），外環配有水套，實現力矩電機的循環冷卻，控製B軸溫升。

主軸旋轉分度時，依靠轉台軸承進行回轉支撐。主軸後端配（pèi）有高精度直聯反饋光柵，保證B軸的分度精度。該B軸（zhóu）裝置有（yǒu）兩種鎖緊固定方式，當B軸分度角度是（shì）2.5º的整數倍時，通過軸承（chéng）前端的（de）鎖緊齒盤進行固定；當B軸分度角（jiǎo）度不是2.5º的整數倍（bèi）時（shí），通過B軸後端的刹車機構（gòu）進行鎖緊。在B軸參與插補加工的過程中，如果出現振動，可以對B軸（zhóu）後（hòu）端的刹車機構進行（háng）低壓控製，使其起到增加減振阻尼（ní）的作用。B軸裝置後端有複雜的液壓（yā）、冷卻、氣動配給裝置，保證B軸裝置及車削主（zhǔ）軸功能的（de）實現（見圖1）。

圖（tú）1 B軸機械圖

為提高B軸（zhóu）控製精（jīng）度和響（xiǎng）應速度，對原有產品進行（háng）升（shēng）級改造，更（gèng）改B軸（zhóu）結構，HTM63係列車銑加工中心采用力矩電（diàn）機式B軸（見（jiàn）圖2）代替機械式B軸結構形式（見圖3）。相比機械式B軸具有以下優點，傳動鏈減少（shǎo），以力矩電機結構代替原齒輪傳動結構，減（jiǎn）少了減速（sù）變速、齒輪傳動、齒輪定位等環節和（hé）零件；在保持B軸扭矩不變的情況下，提高係統傳動效率及響應（yīng）速度，便於加工製造和壓縮裝配調整時間，提高裝配效率，減少裝配誤差；提高B軸動態響應能力，減少響應時間，提高加工效率（lǜ），增加（jiā）使用可靠（kào）性（xìng）和穩定性。

圖2 力矩電機B軸結構（gòu）圖3 機（jī）械B軸結構

機床主軸采用高速、高可靠性的（de）內裝電機實現直接驅動（dòng），反饋光柵直聯結構，保證車削（xuē）主軸的高動態特性；主（zhǔ）軸箱體內（nèi）置水套，對電主軸進行循（xún）環冷卻；車削主軸前端布置液壓鎖緊機構，保證了工件任意角度（dù）定位進行銑、鑽加工時的鎖緊剛性。電主軸主軸箱如圖4所示。

圖4 電主軸主軸箱

對主軸刀具高（gāo）壓內冷進水結構也（yě）進行了改進，原結構在使用一段（duàn）時間後，受（shòu）機加件加工精度的工（gōng）作影響，存在漏水（shuǐ）問題，影響使用壽命。將（jiāng）原結構（gòu）改為（wéi）旋轉接頭，靠高壓水壓力自動（dòng）密封接頭，有效解決了結構漏水，提高了使（shǐ）用壽命，增加密封可靠性。

HTM63係列車銑加工中心副主軸鎖緊裝置改進（jìn）為滑塊鎖緊，床身加高更改內部筋型，B軸三齒盤鎖緊機構由外布置改為內布置結構。第二主軸鎖緊原為液壓壓板結構，布置在床身內（nèi）側。使（shǐ）用中發（fā）現問題為（wéi）當有鐵屑或油（yóu）汙進入床身內部後（hòu），會造成鎖緊（jǐn）失靈，不在正確位（wèi）置鎖緊；後采用鎖緊滑塊形式，通過對導軌鎖緊達到定位鎖緊目的。這種鎖緊形式安裝、調整、維護和使用方便，定位鎖緊安全可靠，精度和可靠性高。

針對原床身剛（gāng）性不好，裝配後床身精（jīng）度不好等情（qíng）況，重新設計床身內部結構。原床身結構如圖5所示，內部為1條筋（jīn）型支撐，床（chuáng）身整體變形量大；通過計算分析機床受力（lì）點和變形量最大點（diǎn），通（tōng）過軟件模擬分析增加床身內部筋型，調高床身高度等設計改進，增強了整體剛性，減小了床身變形量，達到提高機床精度、可靠性的目（mù）的，同時提高（gāo）了床身（shēn）固有頻率達到遠離機床共振點，避免切削共振產（chǎn）生。改進後（hòu）床身（shēn）結構如圖6所（suǒ）示。

圖5 改進前床身結構圖6 改進後床身結構

B軸原分度鎖緊機構布置在滑枕外側，裸露（lù）布置。易受到油氣汙染鏽蝕，同時原銑（xǐ）削頭，受機（jī）構整體變形影響鎖（suǒ）緊時（shí）鎖緊角度誤差容易超差，精度保持（chí）性不好（hǎo）。本（běn）次改進將（jiāng）鎖緊（jǐn）機構整合（hé）在（zài）B軸箱體內（nèi）部，靠近銑（xǐ）削（xuē）頭（tóu）處，B軸整體全防護，鎖緊（jǐn）機構使用精度和（hé）壽命得到提高，同時增強機（jī）構運（yùn）行可靠性和穩定性。HTM80150機床如圖7所示，HTM63150iy機床如圖8所示。

（a）外部展示圖

（b）部分結構示意圖

圖7 HTM80150機床

（a）正視圖（b）機床側視圖

圖8 HTM63150iy機床

2. 車（chē）銑（xǐ）複合加工中心動態性能測試及拓撲優化

通（tōng）過對車銑複合加工中心動態性能展開研究，借鑒國內外機床動態（tài）特性測試手段以及機床（chuáng）整機仿真分析等方法，實現高檔數控機床的性能評（píng）估及改善，為結構（gòu）優化提供依據。基於現有機床原型構建機床動力學模型分析計算，並針對機床主要部件（jiàn）進行結構優化改善整體動態性能（néng）。

（1）模態測試

綜合模態分析方法（fǎ）即用模態試驗的結果來驗證和校正模態仿真的設置。由於在模態仿真中需要（yào）設置模型（xíng）的材料參數、邊界條件和結合麵部件等效參數（shù）（包（bāo）括滾珠絲杠、滑塊導軌、軸承），變量（liàng）較多，各變量對於仿真結（jié）果的（de）影響機（jī）理較為複雜。鑒（jiàn）於此原因，我們在進行模態試驗時采用邊裝配邊進行模態試驗的方法（fǎ），也即（jí）當裝配一個部件時即進行模態試驗並進行模態仿真，並（bìng）用模態試驗校正仿真參數，這樣（yàng）就確定下該部件的仿真參數。當再裝配下一個部件（jiàn）時同樣（yàng）進行模態試驗和模態仿（fǎng）真，這樣隻需（xū）要調整下（xià）一個需要裝配的部（bù）件的仿真參數。由此，便於控製模態仿真過程中的單一變量，減少誤差。

將（jiāng）各個機床部件參數導入機床整機模型（xíng）進行仿（fǎng）真，得到機床的整機模態性能如圖9所示（shì）。

（a）機床整機一階模態圖（b）機床整機二階模態（c）機床整機三階模態（d）機床整機四階模態

圖9 機床整機各階模態

從以上整機模態仿真結果可以看出，機床第一階的振動（dòng）頻率為33Hz，振型為銑（xǐ）主軸結（jié）構的振動（dòng）變形和立柱結構的振動變形，二階振型也（yě）為立柱結構與銑主軸結構的振動變形。需要對機床相關部件進（jìn）行優化和改進。

（2）立柱輕量化（huà）

機床立（lì）柱結構的優化目標為：低階固有頻（pín）率高、運動部件質量小、兼具體（tǐ）積（jī）與效率。

對機床立柱的箱體（tǐ）式結構進行相應的優化和改進，如圖10所示。將機床的箱體式結構修改為開放式結構，將箱體式（shì）結（jié）構的（de）垂直交叉肋板修改為更為穩定的（de）斜交叉肋板，並加一（yī）些肋（lèi）板進行加固。采用該結構材料節省0.03m3，若是采（cǎi）用（yòng）鑄鐵材料，重量減輕約（yuē）210kg。

圖10 輕（qīng）量化立柱結構與剖視圖

使用該立柱結構對機床（chuáng）進（jìn）行模態仿真，該模（mó）型設置與機床（chuáng）原（yuán）仿真模型（xíng）設置一致，僅將原模型中的立柱（zhù）結構換為（wéi）經過改進（jìn）的機（jī）床立柱結構。仿真（zhēn）結果如圖11所示。

圖11 機床立柱仿（fǎng）真結果（部分略）

（3）銑主（zhǔ）軸結構優化

固有頻率較低說明結構（gòu）的結構剛度較小，或者承載質量較大（dà）。提（tí）高結構的（de）剛度或降低結構的承載質量，都可以提高機床的固（gù）有頻率。根據研究對象的設計，機（jī）床的銑主（zhǔ）軸長度僅為350mm，可以節省更多（duō）的空間，機床的加工空（kōng）間（jiān）更大，同時在不降（jiàng）低輸出功率的情況下，該型號主軸的功率密度更高，質量更輕，對於機床的動（dòng）態特性更有利。

對比（bǐ）機床原設計動態特性仿真分析（xī）結果以及銑（xǐ）主軸經過改進設計（jì）的機床動（dòng）態特性結果，見表1。

從表1對比分析可以看（kàn）出（chū），采用新主軸的設計結果，機床（chuáng）各階次的頻率都有提升，對銑主軸振動的階次的振型尤其明顯，高階模態頻率提（tí）升也較明顯。

（4）結構拓撲優化（huà）

此次對結構拓撲優化的流程如圖12所示。

圖12 拓撲優化流程

在HTM3150iy的床鞍結構研究（jiū）中，進行了結構尺寸優化的研究工作。如（rú）圖13所示，其中，x1為兩側板（bǎn）厚度，x2為前側板厚度，x3為底板厚度，x4為背部肋板厚度，x5為底部肋板厚度。其優化變量見表2。

圖13 HTM3150iy床鞍結構

根據設（shè）計變量（liàng）的變化範圍，采用拉丁超立方設計方法，使試驗（yàn）設計矩陣（zhèn）中各（gè）個樣本點因素水平分布盡（jìn）可能均勻（yún），得到15組試（shì）驗數據，並對得到的數據點進行仿真，形成床鞍性（xìng）能評價（jià）指標樣本（見表3）。

通過（guò）表3，借助Isight軟件建立RBF近似模型，並根據所建立的RBF近（jìn）似模型，基於帕累托法則（zé），得到輸入輸出的帕累托圖（見（jiàn）圖14）。

圖14 設計變量與響應的帕累托圖

利用RBF近似模型進行優化分析，借助優化算法，得到最優解，為（wéi）了方便鑄造，對尺寸進行一定的改進。並基於原始有限元模型，將設計尺寸改為優化改進後（hòu）的尺寸，重新生成（chéng）模型，並進行（háng）靜力分析和裝配條件下的（de）模態（tài）分析，得到的結果如表4所（suǒ）示。

由表4可以看出，經過優化改進後機床一階固有頻率提高了4.24%，最大變形量減小了3.83%，同（tóng）時床鞍的質量減輕了（le）94kg，減少了9.4%。此次（cì）優化在減輕了床鞍質量的前提下（xià），同時提高了一階固有頻（pín）率（lǜ），並且（qiě）降低（dī）了機床床鞍最大變形量，且結構的靜動態特性有所加強，因此該尺寸優（yōu）化改進是可（kě）行的。

采用（yòng）變密度法（fǎ），經過有（yǒu）限元分析（xī）及迭代計算，得到機床床鞍結構拓撲優化結果（guǒ），其密度雲圖如圖15、圖16所示，紅色區域為密度大的材料需要保留，藍色區域為密度小（xiǎo）的材料，對（duì）結構性能影響相對較小，可以嚐試去除。

圖15 床鞍密度雲圖圖16 床鞍拓撲優化結構

從鑄造工藝及加工成本方麵進行考慮，根據床鞍拓撲優化的結果，兼顧鑄造方便性（xìng）及可行性，建議分別在兩側板的（de）下部開兩個圓孔，在兩側的上部開一個孔，改進（jìn）後的結（jié）構如圖17所示。

圖17 拓撲優化（huà）改（gǎi）進後結構

通過表5可知（zhī），進行拓撲優化後，機床的一（yī）階固有頻率有所提升，並且最大變形量變化很小，且比原結構的最大變形量小，同時床鞍的質量又減少了3.6%，達到了設（shè）計目的，因此該設計是合理的（de）。

三、成果應用及推廣情況

在研發HTM係列臥式車銑複合加工中心的（de）過程中，開展了（le）機床結構優化技術、熱變形誤差補償技術（shù）、多軸聯動車銑複合加工工藝、可靠性技術、在線檢測技術、三維（wéi）防碰撞技術、動（dòng）態性能研究與測試技術、空間誤差補償技術、高剛性高定位精度B 軸技術和帶刀具自動識（shí）別係統的（de）自動換刀技術的研究。對於以上關鍵技術的研究，對車銑複合數控加工（gōng）設備（bèi）的研發和生產提出了重要的參考和指導要求。

車銑複合加工設備的精度及其性能指標直接影響了產品的加工精度（dù）。車（chē）銑複合加工工藝設計對車銑複合加工（gōng）設備的性能依賴性更大，車銑複合加工設（shè）備的主軸數目、刀（dāo）架（jià）數（shù）目、主軸（zhóu）與刀架的相對位置關係都對車銑複合工藝有很大影響。因此，為了（le）完成高精度的（de）產品（pǐn）加工要求（qiú），車銑複合數控加工工藝（yì）設計及其（qí）仿真或實際加工可以有效檢驗（yàn）車銑複合加工設備的精度和參數指標。

在車銑複合加工機床研發（fā）方麵，可考慮解決現有（yǒu）的車銑複合工藝設計問題，如工（gōng）藝設計過程中，易出現刀架上的非加工刀具與工件或機床幹（gàn）涉的問題，可考慮將刀架改為刀塔，並建立刀具庫，不僅提高了加工過程中可攜帶的刀具數量，而且（qiě）大大減少了發生幹涉（shè）碰撞的概率。

在車銑複合（hé）加工機床的生產裝配方麵，車銑複合加工工藝對機（jī）床刀架、主軸的位（wèi）置精度、雙主軸之間的位置精度、雙刀架（jià）之間的位置精度等方（fāng）麵提出（chū）了具體（tǐ）的要求（qiú），合理安排車銑複合加（jiā）工設備裝配工藝，保證車銑複合機床的精（jīng）度要求。如HTM63係列車（chē）銑加工中心是沈陽（yáng）機床自行開發設計（jì）HTM係列五軸車銑中心的更新換代產品，具有國際先進水平（píng）。該車銑中心除了可以實現（xiàn）直（zhí）線、斜線、圓弧、錐螺紋及多頭（tóu）螺紋外，還可（kě）進（jìn）行銑直、斜麵，銑螺旋（xuán）槽，銑螺紋，以及鏜、銑鑽等（děng）多種加工方式，特別適合於軍工、航（háng）空航（háng）天、船（chuán）舶、運（yùn）輸等行業對高精度、形狀複雜的大型回轉（zhuǎn）體零件加工的要求。

同時在產（chǎn）品研發與產業（yè）化過程中，同相關用戶緊密聯係，針對臥式車銑（xǐ）複合加工中心的幾個典型樣件，進行車銑（xǐ）複合工藝研究與示範應用，實現一（yī）次裝卡中完成回轉車削、斜麵及曲麵銑削、斜孔及孔口倒圓加工等多道（dào）工序（xù）。

掌握和優化用戶加工工藝，努（nǔ）力開（kāi）拓市場需求空間，始終把用戶的需（xū）求放（fàng）在第一位，通過解決最終銷售問題，保證（zhèng）了產業化目標的實現。

（來源：《世界（jiè）製造技術與裝備市場（WMEM）》雜誌2020年第1期作者：王帥溫（wēn）華棟楊國強，沈陽第一機（jī）床廠有限（xiàn）公司責編：梅峰）

投稿箱（xiāng）：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件（jiàn）發表，或進行資（zī）訊（xùn）合作，歡迎聯（lián）係本網（wǎng）編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名（míng）企推薦

業（yè）界視（shì）點

| 更多

行業數據

| 更（gèng）多

博（bó）文選萃

| 更多