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新型高速五軸聯(lián)動(dòng)葉輪加工機(jī)床大件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2019-10-24 來(lái)源：海拓璞數(shù)控科技有限公司作者：郭聰聰

摘要: 針對(duì)葉輪加工，重點(diǎn)討論了五軸加工中心的設(shè)計(jì)機(jī)理和結(jié)構(gòu)及提高機(jī)床剛度、加工速度和精度，特別是對(duì)機(jī)床的整體布局、刀庫(kù)、回轉(zhuǎn)臺(tái)和機(jī)床床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，在滿足機(jī)床床身剛度的同時(shí)，盡量減輕質(zhì)量，增大加工空間。通過(guò)配備光柵尺、高精度編碼器實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)，使用雙螺母絲桿、P2 級(jí)的專用轉(zhuǎn)臺(tái)軸承等措施保證葉輪加工的順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞: 葉輪; 五軸聯(lián)動(dòng); 加工中心

0 引言

五軸機(jī)床是裝備制造業(yè)的重要工作母機(jī)，高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備被我國(guó)列為《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要( 2006—2020) 》16 個(gè)重大專項(xiàng)之一。高速、高精度、高剛度的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床在航空航天、汽車、新能源、科研和高精醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用。

但是，由于五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)多，其精度、剛度等指標(biāo)一直制約著五軸機(jī)床的推廣應(yīng)用。

本項(xiàng)目是針對(duì)葉輪的加工而研發(fā)設(shè)計(jì)的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，并為提高其精度剛度以及運(yùn)行速度等指標(biāo)開展了一系列的研究工作。

1 、機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

1．1 整體布局

五軸機(jī)床有雙擺頭、單擺頭、單回轉(zhuǎn)臺(tái)和雙回轉(zhuǎn)臺(tái)等構(gòu)型，本文研究的五軸加工中心為龍門式雙回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，且主要針對(duì)葉輪的加工，將刀庫(kù)置于龍門兩立柱之間，如圖 1 所示。該結(jié)構(gòu)占用空間較小，結(jié)構(gòu)緊湊，主要由電主軸、雙回轉(zhuǎn)臺(tái)、機(jī)床箱體、刀庫(kù)等結(jié)構(gòu)組成。電主軸功率15 k W，最高轉(zhuǎn)速 40 000 r / min，適合鋁合金的高速加工。

雙回轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸 A、C 軸的聯(lián)動(dòng)，均采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，減少傳動(dòng)間隙。安裝在龍門立柱上方的十字滑臺(tái)帶動(dòng)刀具箱體及刀具實(shí)現(xiàn) x、y 方向的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，刀具可以直線上下移動(dòng)，即為 z 軸，形成 3 個(gè)直線軸.

1—龍門立柱; 2—刀庫(kù); 3—十字滑板; 4—主軸箱滑板;5—電主軸箱體; 6—雙回轉(zhuǎn)臺(tái); 7—

機(jī)床底座

圖 1 機(jī)床整體結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)時(shí)將機(jī)床的刀庫(kù)、雙回轉(zhuǎn)臺(tái)等結(jié)構(gòu)組件全部置于機(jī)床箱體上，機(jī)床箱體采用多筋板中空結(jié)構(gòu)，在滿足機(jī)床剛度的前提下，盡量減輕質(zhì)量。3 個(gè)直線軸的運(yùn)動(dòng)分別由3 個(gè)伺服電機(jī)通過(guò)滾珠絲桿完成，2 個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由力矩電機(jī)完成。采用自動(dòng)供油方式，定時(shí)潤(rùn)滑機(jī)床的摩擦面。進(jìn)給機(jī)構(gòu)均有限位控制裝置，機(jī)床工作安全可靠。

1．2 機(jī)床刀庫(kù)的設(shè)計(jì)

機(jī)床采用內(nèi)藏式刀庫(kù)( 圖 2) ，根據(jù)加工情況任意選擇刀具。刀庫(kù)置于龍門立柱之間，以減小機(jī)床的整體尺寸，節(jié)省空間距離。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，刀庫(kù)本身具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將待使用的刀具轉(zhuǎn)送至前端，同時(shí)，因氣缸的作用，刀庫(kù)整體在置于機(jī)床底座的線軌上沿 y 軸來(lái)回移動(dòng)，將待換刀具移動(dòng)至主軸下方合適的位置，實(shí)現(xiàn)送刀的動(dòng)作，且換刀速度較快，無(wú)需機(jī)械手。刀庫(kù)為推出式，配置自動(dòng)門。

圖 2 機(jī)床刀庫(kù)示意圖

機(jī)床刀庫(kù)最多可配置 8 把刀具，鋼制刀爪，使用精密分割器做刀具分隔，換刀精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)換刀動(dòng)作，換刀時(shí)間 8 s，最大刀重 3 kg，滿刀時(shí) 最大刀徑90 mm，臨空時(shí)最大刀徑 160 mm，最大刀長(zhǎng) 150 mm。

1．3 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)床的雙回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示.

1—搖籃固定座; 2—中心軸; 3—轉(zhuǎn)臺(tái)底座;4—回轉(zhuǎn)工作臺(tái); 5—圓光柵; 6—力矩電機(jī)

圖 3 雙回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)床的 2 個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均在工件上實(shí)現(xiàn)，使刀具始終垂直于工件加工表面，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的高精度加工，兩搖籃座之間的跨距較大，以增大加工空間。回轉(zhuǎn)工作臺(tái)使用全力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩部分動(dòng)作，即由繞 z 軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成 C 軸，以及繞 x 軸的擺動(dòng)，形成 A 軸，且沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)精度較高。在轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部，使用高精度編碼器，同時(shí)，配置 P2 級(jí)的專用轉(zhuǎn)臺(tái)軸承，保證回轉(zhuǎn)精度和重復(fù)定位精度。

工作臺(tái)尺寸 210 mm，最大承重 30 kg，主軸端面至工作臺(tái)中心的最小距離 85 mm。A 軸采用雙驅(qū) 動(dòng) 方式，最大速度 50m / min，最大轉(zhuǎn)矩 710 N·m，定位精度 6″，重復(fù)定位精度4″。C 軸最大速度 100 m / min，最大轉(zhuǎn)矩 251 N·m，定位精度 6″，重復(fù)定位精度 4″。A、C 軸的角加速度均為 210rad / s2，軸徑向跳動(dòng)均達(dá)到 0．005 mm。

1．4 機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在龍門立柱上( 圖 4) ，十字滑臺(tái)的移動(dòng)為 x 軸移動(dòng)，主軸箱滑板的前后運(yùn)動(dòng)為 y 軸運(yùn)動(dòng)，在 x 軸的線軌上，使用 3 個(gè)滑塊以承受主軸箱( 圖 5) 和十字滑板等較大質(zhì)量的部件。同時(shí)，使用雙螺母絲桿，脫片式聯(lián)軸器，保證結(jié)構(gòu)件可以高速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還能夠保證移動(dòng)精度和速度。在設(shè)計(jì)主軸箱滑板方面，設(shè)計(jì)多筋板以減小機(jī)床在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變形，在滿足強(qiáng)度的情況下，盡量減小工件的質(zhì)量，從而減小慣量，提高機(jī)床的響應(yīng)速度。

圖 4 龍門立柱示意圖

圖 5 主軸箱滑板示意圖

圖 6 十字滑板示意圖

本文設(shè)計(jì)的五軸加工中心，是自主研發(fā)的高速五軸加工中心，x、y、z 軸快速移動(dòng)速度為 60 m/min，為了達(dá)到較小的間隙，設(shè)計(jì)雙螺母結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了提高其剛性，使用脫片式聯(lián)軸器。直線軸的運(yùn)動(dòng)均采用交流伺服電動(dòng)機(jī)，配置光柵尺進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)，保證較高的精度。在機(jī)床整體設(shè)計(jì)過(guò)程中，主軸箱體、龍門立柱和十字滑板結(jié)構(gòu)中通過(guò)使用加強(qiáng)筋，有效地增加了各結(jié)構(gòu)件的剛度，并應(yīng)用 ANSYS 有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了受力分析，了解其受力變形狀況。

十字滑板通過(guò)線軌與橫梁接觸，前后分別有 3 個(gè)滑塊，立柱承受的總質(zhì)量約為 600 kg。當(dāng)機(jī)床的主軸箱滑板運(yùn)動(dòng)至 y 軸正向極限位置時(shí)，機(jī)床的主軸箱滑板、主軸箱和電主軸等構(gòu)件總質(zhì)心位于龍門立柱前端，以十字滑板的支反力計(jì)算，并將主軸箱等部件的慣性力考慮在內(nèi)。以龍門立柱的計(jì)算為例，受力如圖 7 所示。

圖 7 機(jī)床立柱受力圖

前面 3 個(gè) 滑塊受力: 12 519 N; 均布載荷計(jì) 算:1 053 787Pa( 有限元分析輸入條件) ;前面 3 個(gè) 滑塊受力: 4 269 N; 均布載荷計(jì) 算:359 343 Pa( 有限元分析輸入條件) 。使用 ANSYS 有限元軟件對(duì)立軸箱、龍門立柱和十字滑板進(jìn)行受力分析，受力圖及變形圖如圖 8－圖 10 所示。

通過(guò)變形圖可以看出，主軸箱的后端幾乎沒有變形，而前端和電機(jī)連接部分呈弧形向機(jī)床 y 軸正方向傾斜，最大變形位于主軸箱上端與電機(jī) 座連接部分，變形量0．001 3mm，可以滿足使用要求。

機(jī)床的十字滑板受到主軸箱滑板給予的壓力以及橫梁給予的支力，使十字滑板的前端位置受剪，此處的變形也最大，變形值為 0．003 2 mm，也在允許變形范圍內(nèi)，可以使用。機(jī)床的龍門立柱變形較大位置位于橫梁中間前部位置，向下彎曲，變形量 0．010 5mm，變形量較大，容易造成加工零件的直線度不符合要求，需對(duì)龍門立柱進(jìn)行改進(jìn)。

圖 8 主軸箱變形圖

圖 9 龍門立柱變形圖

圖 10 十字滑板變形圖

改進(jìn)方案為: 在變形較大位置沿 x 向以及底面各增加一塊鋼板，如圖 11、圖 12 所示。

圖 11 立柱截面圖( 改進(jìn)前)

圖 12 立柱截面圖( 改進(jìn)后)

對(duì)改進(jìn)后的立柱進(jìn)行受力分析，變形圖如圖 13 所示，應(yīng)力圖如圖 14 所示。從圖 13 中可以看出最大變形處在立柱前端中間的位置，變形量為 0．002 41 mm，變形較小在允許值范圍內(nèi)，可以使用。

圖 13 立柱變形圖

圖 14 立柱應(yīng)力圖

機(jī)床整機(jī)如圖 15 所示，所加工的零件如圖 16。

圖 15 機(jī)床實(shí)物圖

圖 16 已加工葉輪圖

通過(guò) 對(duì) 加工過(guò) 程的觀察，發(fā) 現(xiàn) 剛度較好，直徑為50 mm的鋁合金葉輪葉片加工時(shí)間約為 3 min，對(duì)已加工好的葉片進(jìn)行精度及表面粗糙度檢測(cè)，葉緣加精度0．05 mm，五軸葉片和倒角表面粗糙度Ｒa 0．8，葉片加工精度0．1 mm，中心孔與輪背垂直度 0．005 mm，形位精度很高，機(jī)床的動(dòng)平衡為 0．039 g，工具系統(tǒng)跳動(dòng)量 0．002 mm，均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，證明本文設(shè)計(jì)的五軸機(jī)床能夠滿足高精高速的質(zhì)量要求。

2 、結(jié)語(yǔ)

為了達(dá)到高速高精度加工葉輪的目的，設(shè)計(jì)了新型五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，經(jīng)裝配調(diào)試達(dá)到預(yù)期的加工效果，且加工可靠，運(yùn)行平穩(wěn)。

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