APM系列翻板臥式加工中心的研發與應用
2016-2-17 來源：濟南二機床集團公司 作者：任立偉
APM系列翻板臥式加工中心項目是由濟南二機床集團承擔的，成都飛機、西安飛機、清華大學、北京航空航天大學共同參與研究的國家科技重大專項課題，應用于航空大型鋁合金結構件高速高效加工。機床主機采用落地式結構、高速大功率主軸；配K大型翻板工作臺，實現零件在水平位置裝夾、垂直位置加工的工藝目的。整機加工區全封閉防護，實現綠色安全加工。機床搭載毛坯測量與加工余量分析系統和接觸式原位檢測系統，實現毛坯的虛擬劃線和零件的在線檢測。機床主要性能和技術指標達到國際先進水平。
一、研發H的
飛機上95%的金厲結構件需要數控機床加工，由于有強度高、重M•輕、耐腐蝕等特殊要求，多為深槽腔、小轉角、薄壁、具有氣動理論曲面的盒形結構。通常采用“整體制造法”，即毛坯為板材、鍛件和鋁合金擠壓型材，通過加工形成薄壁、細筋等結構。統計數據表明，一個金厲零件從毛坯加工到成品，材料的利用率僅為原材料的20% ~10%甚至只有5%，其余80% ~90%甚至95%的材料都成了切屑。由于飛機結構件的上述工藝特點，為了縮短零件加工占用的大M時間，必須采用高速高效銑削技術。另外，隨著切削速度的提高，切削力會隨之下降，在高速切削范圍內機床的激振頻率遠離加工工藝系統的固有頻率范圍，而切削產生的熱量絕大部分也被切屑帶走。因此，高速高效銑削技術可以最大程度地減少加工中徑向切削力、共振和熱變形對加工工藝系統的影響。
采用高速高效銑削技術后，加工工藝系統的落屑和排屑成為問題的焦點。典型的鋁合金零件高速加工，每分鐘就能產生多達數千立方厘米的切屑。傳統的立式加工工藝系統，越來越不能滿足用戶的需求。這類系統，由于工件水平放置，加工過程中產生的大fi高溫切屑堆積在薄壁型腔中無法及時順利排出，并將熱量傳遞給工件、刀具和主軸，導致整個加工工藝系統產生二次熱變形。切屑的堆積，還會產生二次切削效應，加劇刀具的磨損，并影響工件的最終加工質量。
為便于落屑、排屑，避免上述不利的結果，必須轉變工藝思路：由工件在水平位置完成整個定位裝夾和加工過程，轉換為工件在水平位a完成定位裝夾，然后在垂直位a完成加工。這樣可以集立式、臥式機床的優勢為一體（見圖1)。加工設備也考慮由水平工作臺加立式主軸布局特征的龍門式加工中心，轉換為翻板式工作臺加臥式主軸布局特征的翻板臥式加工中心。翻板臥式加工中心不僅便于落屑排屑，而且易于實現切削加工工作區全封閉設計，實現了綠色安全加工。臥式的主機結構還便于構建FMC或FMS?
綜上所述，APM系列翻板臥式加工中心就是根據飛機制造企業的工藝及設備®求，為其量身定做的專用高檔數控機床和解決方案。
二、主要技水參數
工作臺規格（寬度x長度）：2000mm x4_mm?2000.ii.il x 6000mm (或根據用戶要求定制）。主軸功率60kW?最高轉速24000r/miri?X/17Z進給速度5 ~ 20000mm/miri?機床定位精度(X/Y/Z ) ? O.OlOmni/m,重復定位精度?X/Y/Z? 0.010mm,翻板重復定位精度0. 020mm?
三、關鍵技術創新
機床整體結構布局采用立柱移動式的主機結構。立柱沿X軸方向橫向左右移動，采用雙齒輪齒條傳動；主軸箱沿y軸垂直上下移動，采用雙絲杠驅動；滑枕沿z軸前后水平移動，采用絲杠驅動。配置可90°翻轉的大型翻板工作臺，通過雙絲杠同步驅動實現翻板工作臺翻轉。翻板工作臺翻轉到位后采用楔塊定位，液壓夾緊，鉤鎖防松確保翻板工作臺安全可靠。
圖2翻版臥式加工中心外觀圖(圖中翻板工作臺處于加工位置）
1.機床全部大件均采用鋼板焊接件，保證
機床具有良好的剛度質量比床身是機床的基礎部件，要求具有良好承載能力和穩定性。設計采用箱式焊接結構，受力中心通過主壁板，使之具有良好的承載能力和剛性。立柱是移動部件，在具有良好剛性的同時，要求盡可能地減輕質姑，以滿足高速運動的耑要。設計采用雙層壁板焊接結構，合理布筋，開孔減重，滿足加速度等動態性能設計指標。
滑枕采用八邊形焊接結構設計。與傳統方形滑枕對比，在相同切削力作用下，八邊形結構滑枕具有更好的剛度，因而變形更小。
溜板主承重壁板采用箱式焊接結構，承載導軌設支撐壁板也形成箱型結構，因而具有良好的剛性。
翻板工作臺及其支撐結構均采用鋼板焊接結構。采用型鋼組焊，相對于鋼板焊接，焊接應力小，桁度穩定。
2.基于數字化樣機設計進行考慮結合面特性的整機有限元分析，實現機床動靜態性能優化設計
在設計階段，基于數字化樣機，對機床整體性能進行預估。采用考慮典型結合面特性的機床整機有限元分析方法，并通過實驗對仿真結果進行驗證，進而獲取機床整機性能參數，為機床性能設計提出優化建議。分析中考慮了三向導軌結合面、絲杠螺母接合面、齒輪齒條結合面、主軸套筒結合面、套筒滑枕結合面等結合面特點，分析影響結合面特性的主要因素，確定結合面參數，進而建立考慮結合面特性的整機有限元仿真模型。通過這種方法，對機床加工過程中不同位置、不同工況下整機的靜動熱態性能進行仿真研究，識別機動熱態性能的薄弱環節并進行優化。計算分析的結果已經在產品研制中得到了部分應用和驗證。
3.進給軸采用高剛度設計，滿足機床高速高精性能的需要
X軸傳動采用雙齒輪齒條傳動，雙電機電氣消隙。該傳動機構安裝在立柱上，由西門子交流伺服電機經精密減速箱降速后帶動立柱沿床身導軌移動。該傳動采用通用型齒輪齒條，結構簡單，可靠性好，制造調試維修方便，可實現正常磨損的自動補償，保證機床長期高精度穩定運行。F軸傳動采用雙絲杠重心驅動，滾珠絲杠采用消除間隙的預雙螺母的結構形式。由西門子交流伺服電機驅動，經減速筘降速后，通過滾珠絲杠旋轉帶動主軸箱上下運動。y軸承擔溜板及滑枕的上下移動，需克服較大質量的影響，采用雙絲杠驅動，可以提高傳動剛性，滿足快速響應。
z軸采用絲杠驅動，滾珠絲杠采用消除間隙的預載雙螺母的結構形式。由西門子交流伺服電機驅動，經一級同步帶降速后，通過滾珠絲杠旋轉帶動滑枕前后運動。
各軸傳動鏈短、剛度大，使機床具有良好的增益特性、加速度性能，以滿足高速高精加工的需要。
4.采用大功率電主軸配置，滿足鋁合金零件的高效加工需求
主軸采用60kW大功率高速電主軸，最高速度可達ZAOOOr/min?主軸支承采用大接觸角高速角接觸球軸承，滾動體為耐髙溫陶瓷球，以適應軸承高速運行。刀柄采用HSK-A63標準，主軸采用碟簧拉刀-液壓刀，動作準確可靠，有專用傳感器用于檢測刀具的松、拉、空刀位。電主軸具有自動刀柄吹氣功能，以便在換刀時用壓縮空氣對主軸錐孔和刀具錐柄進行清潔。主軸在運轉時發熱S很大，為防止其過熱燒壞線圈或軸承，在電主軸的定子和主軸軸承套的外壁有液冷螺旋循環套，經過水冷機降溫的液體通過其中，帶走熱量；同時，在電主軸內部設有溫度傳感器，實現電主軸的溫控電氣聯鎖。主軸具有主軸中心出水及外冷功能。主軸套筒采用樹脂砂造型、高強度無應力鑄鐵件。套筒采用錐形結構，保證套筒具有較高的抗彎及抗扭剛度。
5.雙絲杠驅動型翻板工作臺，具有良好旳重復定位精度和精度保持性
翻板工作臺S于主軸的對面，可完成水平和豎直狀態的自動轉換并定位夾緊，方便工件的裝夾。翻板工作臺翻轉運動采用消除間隙的預載雙螺母雙滾珠絲杠傳動。西門子交流伺服電機經梢密減速箱降速后，帶動滾珠絲杠螺母旋轉，推動翻板工作臺實現其翻轉運動。翻板工作臺定位夾緊：翻板工作臺由水平位a翻轉到豎直位a后通過V型塊進行定位，然后接著旋轉液壓缸旋轉90°后夾緊翻板工作臺，氣缸推動防松鉤鎖動作勾住翻板臺，確保工作臺不會意外翻落。當翻板工作臺由豎直位置向水平位置翻轉時，首先氣缸拉動放松鉤鎖松開，接著旋轉夾緊液壓缸旋轉90。松開翻板工作臺，然后滾珠絲杠副驅動翻板工作臺翻轉至水平位置。雙絲杠驅動同步性好，工作臺扭轉變形小，精度保持性好；楔塊定位機構保證工作臺具有良好的重復定位精度。
6.機床搭載形貌測量系統和原位檢測系統，實現毛坯的虛擬劃線和零件的在線檢測
某些大型航空結構件的毛坯采用桁鑄件和模鍛件，限于目前國內禱造和模鍛的整體工藝水平，精鑄件和模鍛件的桁確尺寸控制還是一個難題。毛坯加工中還需人工劃線，加工余量分配缺乏量化測量和分析手段。加工余量不均易導致加工出現欠切而報廢，嚴重影響產品的質量和制造周期，造成浪費。形貌測a系統實三維視覺傳感器、國產數控系統、計算機與數控機床的集成，構成航空結構件毛坯測量與加工余a分析系統。原位檢測系統可以實現零件模型和測黽點的三維實時仿真，根據檢測規劃文件生成數控機床可執行的NC測量文件，實現檢測軟件與數控系統的機床通訊。對數控系統上傳的測量數據進行誤差補償、質m評價，生成測i報告。根據誤差快速辨識方法，建立誤差補償模型，研發原位檢測系統標定技術，對測量數據進行誤差補償，消除整體測:a誤差。針對大型飛機結構件數控加工過程的特點，實現加工測量一體化應用。
7.全封閉防護設計，實現安全綠色切削
翻板臥式加工中心屬于高速、高效加工機床。由于主軸商速旋轉，切削液霧化嚴重，需要進行封閉防護，以防危害操作者、污染環境。機床主軸轉速可以高達24000r/min,加工時鋁屑會帶著高溫快速飛出，對機床操作者構成危險。高速加工時，刀具可能存在的斷裂、解體等更高的危險，需要對機床進行全封閉防護。機床高速切削時會產生噪聲，是另一個污染源，也需要對機床進行隔音處理。
翻板式加工中心對主機和翻板工作臺之間的空間進行全封閉防護構建，使之形成一個封閉的加工區域，與操作區域和外部區域完全隔離。在封閉的加工區域頂部開設三個吸風口，配置吸霧器將水霧吸走。吸霧器底部設有排液口，將液化后的水霧排至切削液水箱，實現重復利用。
x軸和y軸采用壁式防護系統。x軸采用鋁簾式防護結構，f軸采用鎧甲式防護結構。考慮到r軸移動范圍較大，對于x軸的壁式防護左右兩側設有鋁簾卷筒，對卷簾進行支撐、回收或釋放。機床配S旋轉視窗，便于操作者對加工區域進行觀察。旋轉視窗由一個固定部分加一個高速旋轉的玻璃結構元件組成。高速旋轉的玻璃體將飛濺到上面的冷卻液及切肩通過離心力的作用向外甩掉，以保證玻璃體的透明度。
加工區域配K隨動式高清攝像頭，可自動跟隨主軸的移動，實時顯示在外ft顯示器上，對加工過程進行監控。
四、成果應用及推廣
2014年4月，APM系列翻板臥式加工中心的第一臺樣機研制完成，并成功參加了第八屆中國數控機床展覽會，引起眾多關注。為推進該型產品在航空航天工業的應用，2014年10月，濟南二機床集團舉辦了 APM系列翻板臥式加工中心技術研討會，來自成都飛機、沈陽飛機、西安飛機、哈爾濱飛機、洪都航空、上海飛機、天津航天長征火箭公司、上海航天設備制造總廠、長征機械廠等18家航空航天企業50余人參加了會議，就技術研發和應用進行了研討。
圖3翻板臥式加工中心切削的模擬試件
未來，根據用戶的耑求，在翻板臥式加工中心產品系列中，濟南二機床將繼續研發并推出配a自主知識產權數控雙擺角萬能銑頭（五軸頭）的五軸聯動翻板臥式加工中心、適應于鈦合金加工的重型翻板臥式加工中心、自動化程度更高的 帶有交換工作臺的翻板臥式加工單元、配置有自動物流輸送系統的翻板臥式加工柔性生產線等飛機大型結構件加工專用高檔數控機床，滿足航空工業對翻板臥式加工工藝系統的大量需求，降低 企業采購成本，提高經濟效益，保障國家安全。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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