H124數控（kòng）深孔內圓磨床（chuáng）的研（yán）發與應用-數控機床市場（chǎng）網（wǎng）

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H124數控深孔（kǒng）內（nèi）圓磨床的研發（fā）與應（yīng）用

2021-12-14 來源：上海機床廠有限公司作者：-

一、概述

起落架是大飛（fēi）機的核心部件，此領域的供應商主要有（yǒu）法國Safran公司、美國GoodRich公司和德國（guó）Liebherr公司。起落架中長徑比零件的（de）內（nèi）孔精密磨削設備（bèi）長期以來一直被國外壟斷，且進口價（jià）格昂貴。由於起落架可靠度對於國產大飛機整體性能（néng）和使（shǐ）用安全具有重要（yào）影響，關係著國家重要戰略目標（biāo）國產大飛機成功研製（zhì）目標的實現。

飛機起落架是飛機起飛和著陸（lù）的主要（yào）承力構件，在飛機著陸及滑行過（guò）程中它吸收和（hé）耗散與地麵形成的衝擊能量（liàng）。現代大型飛機起落（luò）架主要（yào）由前、主起落架活塞杆、外筒、輪（lún）軸等大（dà）長徑（jìng）比深孔零件組成（chéng），其內徑和（hé）孔深之比可達1:10，且材料多為超高強（qiáng）度鋼或鈦合金（jīn）整（zhěng）體鍛造，內孔表麵經過HVOF塗層（céng）處理。為了提升飛機的整體性能，這些零件均需要進行深孔精密加工，如果最後的加（jiā）工工序采用傳統（tǒng）的車削、鏜孔技術來完成，則存在很大的（de）困難，尺寸精度、表麵粗（cū）糙（cāo）度（dù）（特別是過渡圓角和轉接R處）等方麵得不到保證，需要增加精密磨削加工（gōng）工序，以此來保證零件的加工質量和確（què）保內孔加工表麵的完整性。

研製具有自主知識產權、滿足大型飛機起落架等（děng）大長徑比深孔零件精密加工要（yào）求的數控深孔內圓磨床，對於提高大型飛機關鍵部件的國內自（zì）主配套能力，發展（zhǎn）我國民用大型客機和軍用大（dà）型運輸機有著顯著的經（jīng）濟效益和（hé）社會效益，對於（yú）我國航空航天事業建設具有十分重要的戰略意義（yì）。

目（mù）前國（guó）內從事數控深孔內圓磨床研（yán）發和（hé）生產的單位僅有上海機床廠有限公司一家，國外製造該種機床的（de）企業有西（xī）班牙DANOBAT、意大利AZ Spa、意大利MORARA、日本（běn）NISSIN等。其（qí）主要加工範圍如表1所示（shì）：

表 1

H124數控（kòng）深孔內圓（yuán）磨（mó）床（chuáng），是上海（hǎi）機床廠（chǎng）有（yǒu）限公司為滿足國內（nèi）航空航天、軌道交（jiāo）通等領域的發展需求，在我公司早期開發的手動深孔內圓磨床的基礎（chǔ）上，持續進行多項技（jì）術創新，自（zì）主研發（fā）製造的新成果。該成果應用了（le）多（duō）項發（fā）明和實用新型專利，其主（zhǔ）要（yào）技術指標保持國內領先，達到國際先進水平。該項目（mù）的研製成功，不僅提升了我國此類數控高端裝備的水平，也打（dǎ）破了國外對該機床的（de）壟斷（duàn）和封鎖，為（wéi）企業開拓了新的產品市場，同時取得了良好的經（jīng）濟和社會效益。

圖1 H124數控深孔內圓（yuán）磨床（chuáng）外觀圖

二、產品性（xìng）能介紹

H124數控深孔內圓磨床集（jí）成了高剛（gāng）性深孔磨（mó）頭設計與製造技（jì）術、薄（báo）璧深孔內圓磨削技術、大型薄璧回轉體裝夾技術、超高強度塗（tú）層鋼高效磨削工藝、深孔內圓加工在線（xiàn）測量控製技術、超長磨具高精製（zhì）造裝配工藝、超長（zhǎng）磨（mó）具高精度動平衡技術等多技術領域研（yán）究成果，是一種典型的高檔數控機床裝備。其主要特點包括：

（1）結構布局合理：機（jī）床采用臥式布局。工作台作縱向往複運動、砂輪架作橫向進給運動，墊板、砂輪架、內圓（yuán）磨具等橫跨在工作（zuò）台床身導（dǎo）軌的右上方；床身采用高強度鑄鐵，導軌結合麵（miàn）手工（gōng）刮（guā）研，工件床身（shēn）與磨頭床身為一體，呈T型（xíng）結構；工作台采（cǎi）用上下雙層結構，可進行回轉微調，縱向（xiàng）運動由伺服電機驅動，通過滾珠絲杆傳動；運動導軌為平、V滑動導軌，壓力油潤滑；頭架主軸采用一滾（gǔn）一滑軸係支承，剛性好，回轉精高，由交流變頻器實現工件（jiàn）無級傳動（dòng）；工件由四爪卡盤夾持，閉式中心架支承；墊板導軌采用高剛性直線滾動導軌。

（2）高精度：飛機起落架外筒實（shí）際加工圓度0.003mm，圓柱度0.004mm/1000mm，表麵光潔度（dù）Ra0.4μm。

（3）高剛性：機床搭載（zǎi）上海機（jī）床廠有限公（gōng）司研發的新結構偏心內圓磨杆（gǎn）。通過優化設計，靜態、動態剛性好，工作轉（zhuǎn）速遠離共振區。

（4）高柔性：機床砂輪架配有標（biāo）準接口，可更換多種內圓磨具，包括皮帶傳動（dòng）式磨具和電主軸式磨具，可滿（mǎn）足不同直徑、不同深度內孔（kǒng）加工需求。

（5）人性化：搭載上（shàng）海機床廠自主開發（fā）的（de）磨削應用軟件，采（cǎi）用圖形化界麵，數據顯示直觀，參數修改方便。該產品采用了（le）“臥軸超長徑（jìng）比深孔內圓磨削裝置”（200520046922.2）、“內圓（yuán）磨床工件在線自動測（cè）量裝置”（201110425127.4）、“數控內圓複合磨床”（201130487447.3）、“適用於工件與頭架（jià）中心線的對齊裝置”（201822228338.9）、“深孔內圓磨具的密封結構”（201911080526.4）等發明和實用新型專利技術。H124數控深孔內圓磨床產品實現（xiàn）了大長徑比深孔（kǒng）高精度數控加工零的突破，開創了國產大型飛機起落架高精加工的新篇章。

該機床產品實現了顯著的（de）應用效果，其加工精度、加工範圍等均達到（dào）了國際先進水平，該產品主要技術參數如表2所示：

表 2

三（sān）、新技術研發及應用

1.高剛度高精度深孔內（nèi）圓磨具研發與應（yīng）用

（1）深孔內圓磨具試驗模態分析

上海機床廠有限公（gōng）司傳統內圓磨具存在磨削精（jīng）度不高、工（gōng）件表麵易出現（xiàn）振紋、剛（gāng）性不（bú）足導致（zhì）大進（jìn）刀量磨削時磨杆跳動嚴重等問題，滿足不了越來越苛刻的現代化產業配套需求（qiú）。在此情況下，需要摒棄以（yǐ）往設計時采用的經（jīng）驗法、類比法，引入動態設計、虛擬樣機、實驗分析等（děng）高級分析與仿真手段對新設計進（jìn）行（háng）指導。上機公司首先通過實驗振動分析技術，獲得原有內圓磨具工作（zuò）時的聲學（xué）信號並提（tí）取出振動（dòng）模態（tài）信息。

圖2 內圓磨具試驗（yàn）模態測試

選取多個典型內圓（yuán）磨具，采用響應點移動-激勵點固定的錘擊法（fǎ）對磨具進行模態測試，測量（liàng）磨杆X、Y、Z三個方向（xiàng）的（de）振（zhèn）動響應。通過消（xiāo）除激勵（lì）和響應信號的噪聲幹（gàn）擾，對處（chù）理後的信（xìn）號做模（mó）態參數辨識，提取分析帶寬內所關心（xīn）的固有頻率和（hé）模態（tài）阻尼比，並且由傳感器（qì）所測位置的加速度時域響應得出RMS以表征（zhēng）振動能量密度，由加速度（dù）兩次積分（fèn）得出X、Z向（切向和法向，對磨削精度影響較大）的合（hé）位移，即隨轉（zhuǎn）速變化的振動偏心距（jù）。

圖3 一組磨具的頻響函數（FRF）

（2）深孔內圓磨具靜（jìng）態、動態優化設計

上海機床廠有限公司在實驗分析的基礎上，在新結構（gòu）深孔內圓磨具的設計過程中引入有限元（yuán）方法的靜力學分析、模態分析、諧響應分析及正交優化，結合先前數據檢驗CAE分析的（de）合理性，最終得出新結構磨具的工程設計和（hé）同類型磨具的仿真優化方（fāng）法。

內圓磨具靜（jìng）剛度（dù）反映磨具抵抗自重和靜態外（wài）載（zǎi）荷的能力，與負（fù）荷能力和抗（kàng）振性能密切（qiē）相關，長懸伸量磨杆的首要（yào）參數為磨杆的彎曲剛度。通過材料力學方法（fǎ）將磨杆近似簡化為一個懸臂梁，得出磨杆靜置時最大撓度（dù）和靜剛（gāng）度，並利用有限元分析方法得出最大位移（yí）。

圖4 一型內圓（yuán）磨具一階模態振型

內圓磨具動態特性是影響內圓磨床加工質量和磨削能力的最主要參數，內圓磨具的動剛度是其抵抗受迫和自激振動（dòng）的能力。利用有限元法將連續體問題轉化為有限彈性體單自由度振動的疊加問（wèn）題，計算零件線性（xìng）接觸條件下內圓磨具前10階模態（tài）振型（xíng）及共振頻率。采用諧（xié）響應分析（xī）確定低階共振頻率下由主（zhǔ）要激振力（磨削力）引起的峰值（zhí）響應和響應範圍。

在靜態、動態（tài）仿（fǎng）真的基礎上（shàng），設（shè）置磨杆偏心套筒的長度為優化（huà）變量，使用（yòng）正交優化方式取得以靜態、動態最小變形量（liàng）為目標的最優偏心套筒長度。

圖5 正交法優化（huà）偏心套筒長度

（3）深孔（kǒng）內（nèi）圓磨具中（zhōng）新型（xíng）阻尼材料的應用

基於模態分析得出，磨具動剛度對比靜剛度有大幅下降，動態特（tè）性是影響磨具工作（zuò）精度的主要因素（sù）。因此，在對結構作出優化的同時，選用了多種振（zhèn）動抑製（zhì）新技術吸收運轉過程中激發的振動能量（liàng），達到提高主軸（zhóu）動態性能的效果。

主軸前端法蘭盤原材料（liào）為45鋼，考慮砂輪磨削工件（jiàn）過程（chéng）中引起（qǐ）的再生顫振波會沿此零件傳遞，需要增大（dà）阻（zǔ）尼（ní）抑製振動，上（shàng）海（hǎi）機（jī）床廠采用了高猛基阻（zǔ）尼合金（Mn73Cu20Ni5Fe2）這一新（xīn）型材料進行替代。高錳基阻尼（ní）合金是一種具有獨（dú）特減振效果的孿生雙晶（jīng）型阻尼合金，在（zài）合（hé）金通過熱處理的（de）高溫緩冷（lěng）過（guò）程中,因尼爾轉變（biàn）和（hé）馬氏體相變而產生大量高密度孿晶亞結構。當有外力作用時，由於顯微孿（luán）晶界的移（yí）動和磁矩的偏轉而吸（xī）收外部（bù）能量，從而使應力衰減，起到很好的（de）減振效應，同時具有良好的力（lì）學（xué）性能（néng）和（hé）切削性（xìng）能（néng），是一（yī）種很適合精密（mì）剛性（xìng）連接的減振材料。上海機床廠（chǎng）首次將高錳基阻尼合金應用到了磨床磨具中，經過實測，改進後的前端法蘭盤（pán）有（yǒu）效抑製了砂輪的（de）再生顫振。

（4）基於熱力學分析的電（diàn）主軸式深孔內圓磨具開發

電主軸式內圓磨具省去了（le）皮帶、聯軸器等傳動環節，將主軸傳動鏈長度縮短至零，因此回轉精度高，穩（wěn）定性好，省去了長軸傳動，更易使結構動剛度增加減少振動。但電（diàn）主軸（zhóu）在高速運轉時電機定轉子損耗（hào）會產（chǎn）生（shēng）大量的熱，由於內圓磨具空間狹小熱量不易排出，加上軸承及磨削發熱，過量（liàng）的熱量會直接影響電主軸磨具的工作精度，因此有必要對電主軸式內圓磨具的熱特性和冷卻方（fāng）式加以優化。

上海機床廠有（yǒu）限公司基於CAE分（fèn）析技術（shù），確定了主軸電機（jī）定（dìng）子的發熱、主（zhǔ）軸軸承的發熱以及電機發熱引起軸承熱變形對內圓磨具回轉精度的影響。通過分析結果指（zhǐ）導（dǎo）設計，優化了電主軸後（hòu）端冷卻水通流（liú）流路和電機定子冷卻水（shuǐ）套結構形狀，實現（xiàn）同等空間內大幅減小了冷卻水在磨具內部（bù）的沿程（chéng）水頭損失，增大了換熱效率。同時采取在套筒偏心側加裝冷卻，在不改變磨削（xuē）最小孔徑的同時具備了（le）兩路冷卻（què）同時對（duì）磨削位置噴射磨削液，提高了被磨（mó）工件的表麵加（jiā）工質量（liàng）。

圖6 前端軸承溫（wēn）度雲圖

（5）深孔內圓磨（mó）具的高性（xìng）能（néng）密封結構

深孔加工時磨具工作環境（jìng）惡劣，尤其在加工（gōng）不通孔時，磨削過程中產生的（de）脫落（luò）磨粒、金屬粉末以及高壓（yā）磨削液容易進入主軸軸係，影響內圓磨具的使（shǐ）用壽（shòu）命和磨削精度。為了解決上述問（wèn）題，上海機（jī）床廠有（yǒu）限公（gōng）司研發了交錯式迷宮密封和端（duān）部氣密封（fēng）一體式密封結構（gòu）。砂輪法蘭盤內表（biǎo）麵設置的環（huán）形腔和端蓋（gài）形（xíng）成徑向（xiàng）帶角度迷宮密封，起（qǐ）到阻止雜質進入軸係的第一道密（mì）封；同時在砂輪法蘭盤和（hé）端蓋迷宮密封中間設置氣密封，氣體通過套筒上設置的徑向氣（qì）密封接（jiē）頭管螺紋和端蓋上的通孔形成氣（qì）體通道，向（xiàng）砂輪法蘭盤內（nèi）表（biǎo）麵設置的環形腔供氣，起到防止冷卻（què）液和雜質進入（rù）軸係的第二道密封；主軸上鎖緊螺母外突起（qǐ）與端蓋內突（tū）起形成台（tái）階式迷（mí）宮密封，迷宮式密封的（de）軸向間隙控製在0.5~0.8 mm之內，直徑間隙（xì）控製在0.25~0.5 mm之內（nèi）。它們是防止冷卻（què）液和雜質進（jìn）入（rù）軸係的第三（sān）道密封；端蓋和套（tào）筒之間設置O型圈密封，是防止冷卻液（yè）進入（rù）軸係的第四道密封。這種新結構保證了在空間位置受限的內圓磨具端部（bù）設置多種形式複合密封，大大延長了深孔內圓磨（mó）具的使（shǐ）用（yòng）壽命（mìng）。

圖7 深孔內圓磨（mó）具密封結（jié）構

2.機床結（jié）構（gòu）設（shè）計

H124數控深孔（kǒng）內圓磨床在布局上考慮了飛機起落架、軌道車輪、高精度機床主軸等典型工件工（gōng）藝要求，整機通過靜、動（dòng）態分析優化床身和砂輪架結構，減少結構環（huán）中（zhōng）運動部件質量和結合部（bù）數（shù）目，加強傳動鏈（liàn）剛性。綜合考慮後機床采用臥式馬鞍布局，工（gōng）作台作縱向往（wǎng）複運動、砂輪架作橫向進給運動，墊板、砂輪架、內圓（yuán）磨具等橫跨在工（gōng）作台床身導軌的右上方（fāng）；工件（jiàn）床身（shēn）與磨（mó）頭床身為一體，呈T型結構；工（gōng）作台采用上下雙層結構，可進行回轉微調，縱向運（yùn）動由（yóu）伺服電機（jī）驅動，通（tōng）過滾（gǔn）珠絲杆傳（chuán）動；運動（dòng）導軌（guǐ）為（wéi）平、V滑動導軌；工件由（yóu）四爪卡盤夾持（chí），閉式中心（xīn）架支承；墊板導軌采用高剛性直線滾動導軌。

圖8 H124機（jī）床三維機械本體模型（xíng）

四、成果應用及推廣情況

H124數控深孔內圓磨床已在國內多家用戶企業得到了（le）廣泛應用，得到了一致認可，整機性能達到國（guó）外（wài）一流品牌同類磨床水平，在同規（guī）格（gé）工件磨削深度（dù）方麵已超出國外磨床品牌水平。這些用戶企業均為國內飛機起落架生產的龍頭企業，負責生產多型軍用（yòng）及民用飛機（jī）起落（luò）架。隨著國產（chǎn）航空航天事業進一步高端化、規模化，國產大型客機配套產業的逐漸起步（bù），H124機床在未來擁有廣闊的市場前景，填（tián）補了國內高（gāo）精度深孔磨削技術的空（kōng）白，提升了我國高檔數控磨床的競爭力，全麵（miàn）替（tì）代進口，促進航空工（gōng）業及機床製造行業的同步發展具有（yǒu）重要（yào）的意義。該（gāi）類深孔（kǒng）內圓磨（mó）床，目前國外（wài）的同類產品價格昂貴，H124數控深孔內圓磨床擁有性價比高等（děng）綜合性能，因此在國內市場有（yǒu）著（zhe）很強的

競爭能力。

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