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【速工艺】大型数控龙门桥式加工中心的研制

2017-09-08 阅读 2394

大型零件在船舶、轨道交通、重型制造装备、大型模具、电力、航空航天、汽车、能源、矿山、冶金、锅炉、印刷包装、现代国防等现代工业部门中具有广泛的应用,如大型船舶螺旋推进器、导轨机车零部件、大型航空件透明模具、钛合金和铝合金框架、航空发动机转子等 [1-2],其市场需求量逐年增加。信息显示,我国在未来近20 年内需要生产制造 2400 多架新的民用飞机,价值为 1970 亿美元,再加上各类支线客机和民用运输机,总价值达到 3500~4000 亿美元 [3]。然而国外对我国在大型零件的加工装备和工艺等方面有所封锁,国外设备售价昂贵,限制了相关行业和产业的发展。
  
      针对船舶、轨道交通、核电等新兴行业及装备制造业对大型复杂零件加工装备的需求,自主研发了大型数控龙门桥式加工中心。该加工中心 3 个移动轴X /Y /Z 的工作行程分别为 3m×5m×0.8m,定位精度可达 0.015m m,可以实现最大加工速度3m / m i n、加工精度为 0.02m m 的镗铣加工,且能通过双回转摆动铣头附件对大型复杂曲面零件进行多轴加工。通过关键机械结构总体方案布局设计及相关技术的系统集成,形成稳定的加工工艺和安装调试方案,利用研制的大型数控龙门桥式加工中心,实现了一次装夹下对大型零件的高效、较高精度、较低成本的多面体加工。机床主要技术性能指标研制的大型数控龙门桥式加工中心总体尺寸及主要技术性能指标包括:
  
      外观尺寸:长 5.9m,宽 4.9m,高4.2m,总质量 50t,总功率 75kW。
  
      X Y 机 床 工 作 台 尺 寸: 3.45m×4.32m;
 
 
      X /Y /Z 有效工作行程:X(主轴在横梁上的横向移动):3m ;Y(横梁沿桥式龙门导轨的纵向移动):5m ;Z(主轴上下):0.8m ;机床定位精度0.015m m,重复定位精度 0.015m m,最大加工速度 3m/min;所开发的龙门桥式数控高速加工中心,可实现 0.02m m 的镗铣加工精度;能通过多轴联动方式加工大型复杂曲面零件。


      加工中心总体方案设计
  
      1 、机床总体结构布局
  
      针对大中型零件的加工,要求机床布局结构具有“行程大、速度高、刚度好”等特点,因此重型机床多采用龙门结构,也就是安装机床主轴的横梁由双立柱支承。而根据龙门式加工中心的Y 轴移动框架结构可形成若干个方案,主要包括:(1)动工作台、动横梁式;(2)动工作台、定横梁式;(3)定工作台、龙门桥式(横梁在高架桥式立柱导轨上移动);(4)定工作台、动龙门式(龙门框在二边导轨上移动)等(见图 1)。对于大型机床,为了尽可能控制机床的总体尺寸,更多地采用龙门移动式方案(3)或(4),即:工作台不动、龙门框移动或横梁在高架桥式立柱导轨上移动。相对于工作台移动的龙门机床而言,定工作台龙门机床的固定工作台可以与床身整体铸出,纵向运动的驱动力矩等值不变,不会因工件承载质量的改变而变化,从而能更有效地保证加工精度和机床的响应性能 [4-5]。

      表1 给出了各类不同框架结构的龙门式加工机床的性能比较。从表 1 的比较结果可知,对于船舶、机车、核电等行业大型零件的加工,采用龙门桥式框架结构可以更好地满足该类零件的加工要求。
 

      表1 大型龙门机床的框架结构型式示意图
  
      
  
      注:“++”代表极好;“+”代表好;“O”代表一般;“—”代表差;“——”代表极差。
    
       2 、机床运动部件结构设计
  
       针对大型零件“材料成本高、废品率要求严格,材料去除率大,要求的加工效率高,零件表面质量及加工精度要求高”等特点,研制的机床应同时具备稳定性高、精度保持性好、功率大、扭矩大、刚性高、可实现高速加工等多种功能及特性。研制的加工中心机床选用龙门高架桥式框架结构,大型零件(工件)安装在固定的工作台上,横梁在高架桥式立柱导轨上沿纵向(Y)移动,龙门立柱间的宽度为 3450m m,主轴单元可沿横梁作横向(X)移动和上下(Z)运动,刀具则安装在悬挂于横梁上的高速主轴单元内(主轴功率 7.5~11k W,转速可达 10000~18000r/min),通过机床配置的标准主轴和附件铣头进行加工。标准主轴安装在垂直轴(Z 轴)里面,安装刀具后垂直于工作台,如果需要加工工件的侧面,则可通过控制系统使主轴里的刀具与所需要的附件铣头进行交换,因此工件一次装夹后可实现铣、镗、钻、铰等多种工序的连续加工。
      

     机床中,各直线轴的移动(包括横梁在桥式立柱导轨上的Y 向移动、主轴在横梁上的左右(X)、上下(Z)移动等 3 个方向)均采用双电机驱动方式,因此可有效减少传动摩擦损耗,降低对电机功率的要求;其中,Y 轴驱动电机 2、11,X 轴驱动电机 5、8,Z 轴驱动电机 6、7 的功率分别 为 5k W×2.3k W×2 和 7k W×2,X轴可实现 12m/min 的进给速度;各移动轴移动的扭曲直线度为 8μm /1m ;刀具为安装在双主轴头上的标准刀具或双回转摆动铣头 12、13,因此能够实现大型零件的五面体加工,并且通过对铣头、高速主轴单元的设计以及控制系统的开发,实现对各种螺旋体和球体类等工件曲面的高速加工;双主轴头悬挂于横梁 3 上,分别通过各自的活动螺母联结在同一根丝杠10 上,可通过两主轴头上独立配置的电机分别驱动,沿横梁横向 X 独立移动,因此可实现双刀同时进行加工,生产效率成倍提高;立柱导轨与Z 轴滑枕 4 采用滚柱导轨定位的结构,保证移动精度、平稳性及刚度。


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