高精度數(shù)控雙柱定梁立式車磨加工中心的研制
2021-1-27 來源： 齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司 作者：白光勇
摘要：為了完成偏航軸承和變槳軸承桃形溝滾道淬火后硬車削粗、精加工及磨削等高效率精加工，研制了高精度數(shù)控雙柱定梁立式車磨加工中心，實(shí)現(xiàn)滾道的高效硬車削及磨削加工。
關(guān)鍵詞：風(fēng)電軸承；淬硬滾道；車磨加工
0 、引 言
由于海上風(fēng)電具有風(fēng)速高、風(fēng)向穩(wěn)定、風(fēng)能資能豐富、不占用陸地資源等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為未來發(fā)展可再生能源產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，可以促進(jìn)沿海地區(qū)能源轉(zhuǎn)型，是國家實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的有效保障，對(duì)我國轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式具有重要意義。隨著我國風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)品質(zhì)量的提升，風(fēng)電類軸承出口量越來越大，而國外對(duì)軸承的精度要求逐漸提高，傳統(tǒng)的工藝加工方法和設(shè)備已經(jīng)很難達(dá)到要求。
開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高精度雙柱定梁立式車磨加工設(shè)備是國內(nèi)亟待解決的國產(chǎn)化瓶頸。針對(duì)風(fēng)電系列關(guān)鍵核心部件, 完成偏航軸承和變槳軸承桃形溝滾道淬火后硬車粗、精加工及磨削等高效率精加工。可以實(shí)現(xiàn)零件內(nèi)外圓柱面、內(nèi)外圓錐面、平面的車削加工；同時(shí)適用于陶瓷、樹脂結(jié)合劑及燒結(jié)剛玉砂輪對(duì)零件進(jìn)行磨削加工。
1 、技術(shù)參數(shù)及主要結(jié)構(gòu)
工件材料為42Cr Mo4,滾道硬度為60～63 HRC,溝心距公差為±0.02 mm,表面粗糙度為Ra0.4 μm,曲率半徑為R±0.08 mm,接觸角為45°±1°。機(jī)床回轉(zhuǎn)及加工直徑為3500 mm，最大加工高度為400 mm，工作臺(tái)直徑為3500 mm，工件最大質(zhì)量為10 t，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速為1～45 r/min，車削主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率為55 k W，水平滑板行程為650～2600 mm，垂直滑板行程為500 mm。磨削主軸電動(dòng)機(jī)功率為75 k W。機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。
圖1 總體結(jié)構(gòu)方案
1.左立柱 2.右立柱 3.橫梁 4.工作臺(tái)單元 5.右車削刀架 6.左磨削刀架 7.車削刀庫 8.砂輪修整裝置
為了保證風(fēng)電軸承具有較高的加工精度及較好的表面粗糙度，需要軸承在粗加工后進(jìn)行淬火熱處理，由于熱處理后工件硬度高達(dá)58～63 HRC，硬度高，加工難大，采用磨削作為后期加工工序。根據(jù)工件的加工特點(diǎn)，工件高度不超過400 mm，機(jī)床采用定梁龍門架式結(jié)構(gòu)，龍門架由左立柱1、右立柱2、橫梁3組成，與工作臺(tái)底座形成封閉框架結(jié)構(gòu)，整體動(dòng)靜剛度高，滿足雙刀架高剛度、大抗力切削要求。該機(jī)床創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)工件在工作臺(tái)單元4上進(jìn)行一次裝卡，用右車削刀架5及左磨削刀架6完成工件淬火半精車、半精磨、精磨加工；減少了采用通用車床及通用磨床的多次裝卡、反復(fù)找正的誤差對(duì)加工精度的影響；該機(jī)床右車削刀架5和左磨削刀架6創(chuàng)新采用滑板式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工件淬硬后的大載荷、高速高效車削及高效磨削，同時(shí)具有良好的吸振抗振性能；該機(jī)床創(chuàng)新采用75 k W超大功率磨削主軸，配置雙滾道砂輪卡持主軸，通過高剛度雙滾道砂輪修整裝置8，一次完成雙滾道同時(shí)磨削，實(shí)現(xiàn)較高的曲率半徑及溝心距要求。
2 、主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該機(jī)床為雙柱定梁結(jié)構(gòu)，雙立柱貼合在工作臺(tái)底座左右兩側(cè)，橫梁安裝在左右雙立柱上，形成封閉框架。左數(shù)控磨削刀架和右數(shù)控車削刀架在橫梁上左右移動(dòng)。砂輪修整裝置及車削刀庫分別布置在工作臺(tái)單元左右兩側(cè)，整機(jī)防護(hù)裝置、液壓氣動(dòng)控制裝置及電氣控制系統(tǒng)布置在主機(jī)外側(cè)。
1）定梁龍門架。
定梁龍門架由橫梁、左立柱、右立柱組成，經(jīng)有限元分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。左立柱、左立柱、橫梁、工作臺(tái)底座形成矩形封閉框架結(jié)構(gòu)，滿足機(jī)床動(dòng)靜剛度要求。左右立柱為左右對(duì)稱設(shè)計(jì)，采用階梯箱形結(jié)構(gòu)，在立柱型腔內(nèi)部設(shè)計(jì)有方形筋板，既滿足了安裝結(jié)構(gòu)尺寸要求，又實(shí)現(xiàn)高剛度要求，內(nèi)部鑄造采用封砂結(jié)構(gòu)，增加立柱的整體剛度及整機(jī)剛度，減振及抗振性好。左右立柱在前后方向采用大跨度支承，與地基之間采用重型地腳墊鐵支承，地腳墊鐵環(huán)形分布在立柱底座外側(cè)，提高了整機(jī)及加工的抗傾翻能力及地基聯(lián)接支承剛度。橫梁采用箱形結(jié)構(gòu)形式，整體矩形兩導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，刀架左右移動(dòng)導(dǎo)軌采用直線導(dǎo)軌與滑動(dòng)導(dǎo)軌組合的結(jié)構(gòu)形式。刀架左右移動(dòng)導(dǎo)軌采用高剛度滾柱形直線導(dǎo)軌，在實(shí)現(xiàn)大切削力車削及磨削時(shí)，在切削力的作用下，刀架與橫梁滑動(dòng)導(dǎo)軌面貼合，并實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)移動(dòng)，既實(shí)現(xiàn)了高精度進(jìn)給，又實(shí)現(xiàn)了大承載切削[1]。
橫梁采用預(yù)變形工藝方法，保證刀架水平移動(dòng)與工作臺(tái)導(dǎo)軌的平面度要求。根據(jù)前期有限元計(jì)算、左右刀架質(zhì)量、切削力等數(shù)據(jù)，在機(jī)床加工過程中，通過橫梁上部加載重物及壓緊力，使橫梁變形達(dá)到工藝要求的數(shù)據(jù)。橫梁精加工完成、去除壓重物，橫梁上導(dǎo)軌為一個(gè)上凸曲線，在安裝完左右刀架后，使刀架水平移動(dòng)與工作臺(tái)導(dǎo)軌面的平行度不大于0.02 mm/1000 mm。右車削刀架、左磨削刀架水平進(jìn)給機(jī)構(gòu)布置在橫梁上下導(dǎo)軌之間。水平進(jìn)給電動(dòng)機(jī)安裝在橫梁左右兩端，伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)行星減速器降速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，帶動(dòng)左右刀架實(shí)現(xiàn)進(jìn)給及快速移動(dòng)。兩個(gè)刀架采用左、中、右三套防護(hù)罩防護(hù)，在橫梁下端安裝有超長導(dǎo)向桿，防護(hù)罩兩側(cè)采用固定聯(lián)接，并在導(dǎo)向桿上進(jìn)行左右方向移動(dòng)，移動(dòng)平穩(wěn)，支承剛性好。機(jī)床兩個(gè)刀架采用左、中、右3套防護(hù)罩防護(hù)，在橫梁下端安裝有超長導(dǎo)向桿，防護(hù)罩兩側(cè)采用固定聯(lián)接，并在導(dǎo)向桿上進(jìn)行左右方向移動(dòng)，移動(dòng)平穩(wěn)，支承剛性好。
2）工作臺(tái)單元。
工作臺(tái)單元由圓形回轉(zhuǎn)臺(tái)、工作臺(tái)底座、主軸單元及車削主傳動(dòng)變速機(jī)構(gòu)等組成。圓形回轉(zhuǎn)臺(tái)和工作臺(tái)底座為整體鑄造結(jié)構(gòu)。圓形回轉(zhuǎn)臺(tái)為環(huán)形結(jié)構(gòu)，在圓周方向上分布有放射形筋板，在徑向方向上分布有環(huán)形筋板，圓形回轉(zhuǎn)臺(tái)下面設(shè)計(jì)有環(huán)形導(dǎo)軌，與工作臺(tái)底座形成靜壓導(dǎo)軌副，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件及圓形回轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面的承重支撐，圓形回轉(zhuǎn)臺(tái)面上設(shè)計(jì)有T形槽及止退槽，用于安裝卡盤爪，實(shí)現(xiàn)工件的卡緊放松。
工作臺(tái)底座布置有環(huán)形恒流靜壓導(dǎo)軌腔，靜壓油腔共計(jì)12個(gè)。工作臺(tái)靜壓導(dǎo)軌采用多點(diǎn)齒輪等量對(duì)每個(gè)靜壓腔進(jìn)行單獨(dú)單腔供油。為了實(shí)現(xiàn)圓形工作臺(tái)導(dǎo)軌副的安全保護(hù)，工作臺(tái)底座上安裝有油膜測(cè)厚電子元件，當(dāng)油膜厚度小于0.04 mm時(shí)[2]，將信號(hào)反饋至電控系統(tǒng)，使圓形回轉(zhuǎn)臺(tái)和工件停止轉(zhuǎn)動(dòng)。工作臺(tái)主軸單元由回轉(zhuǎn)主軸、徑向定心軸承及軸向預(yù)緊軸承組成。主軸單元通過螺栓把合在工作臺(tái)底座上。徑向采用高精度雙列短圓柱滾子軸承作為定心支承，軸承內(nèi)環(huán)與主軸采用錐面定位，錐度為1：12，通過調(diào)整軸承內(nèi)環(huán)的軸向位置，實(shí)現(xiàn)徑向間隙的高整，達(dá)到圖樣要求的高精度回轉(zhuǎn)及壽命要求。
軸向預(yù)緊軸承安裝在主軸上端，通過法蘭盤固定在主軸上，對(duì)圓形工作臺(tái)的浮升量進(jìn)行有效控制，同時(shí)提高了工作臺(tái)靜壓導(dǎo)軌的油膜剛度，保證工作臺(tái)單元穩(wěn)定可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)及工作。工作臺(tái)底座芯部設(shè)置有主軸編碼器，實(shí)現(xiàn)螺紋加工及恒線速切削功能。車削主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用立軸傳動(dòng)形式，直流主電動(dòng)機(jī)及各傳動(dòng)軸采用立式平行軸結(jié)構(gòu)布置，通過變速油缸控制，實(shí)現(xiàn)主傳動(dòng)兩種轉(zhuǎn)速變換，達(dá)到車削及磨削的主軸轉(zhuǎn)速范圍要求。為了有效降低傳動(dòng)噪聲，主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的所有齒輪均采用優(yōu)質(zhì)碳鋼或合金鋼材質(zhì)，齒輪齒形表面采用淬火后磨削及修緣的加工方法，提高了傳動(dòng)效率及精度，降低傳動(dòng)振動(dòng)[3]。
3）右車削刀架。
車刀架為滑枕結(jié)構(gòu)，刀架回轉(zhuǎn)滑座貼和在橫梁滑座前面。車刀架垂直進(jìn)給導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌，并配置減摩導(dǎo)軌副降低摩擦因數(shù)，提高刀架微量進(jìn)給及定位精度。車刀架垂直進(jìn)給采用西門子伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠采用直聯(lián)結(jié)構(gòu)，由兩套滾珠絲杠副同時(shí)單個(gè)刀架（滑板）進(jìn)行垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)剛度高、實(shí)現(xiàn)主從無間隙微量進(jìn)給控制。車削滑枕固定在滑板前端，滑枕下端安裝有
刀夾快換接口，實(shí)現(xiàn)刀庫內(nèi)快速換刀。刀夾采用錐面定位、四角油缸卡緊的方式，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力切削。車刀架水平、垂直進(jìn)給采用光柵尺閉環(huán)控制。
4）左磨削刀架。
磨刀架為滑板結(jié)構(gòu)，刀架回轉(zhuǎn)滑座貼合在橫梁滑座前面，可手動(dòng)搬度。磨刀架垂直進(jìn)給導(dǎo)軌為滾滑復(fù)合導(dǎo)軌，并通過滾動(dòng)導(dǎo)軌和減摩導(dǎo)軌副降低摩擦因數(shù)，提高刀架微量進(jìn)給及定位精度。磨刀架垂直進(jìn)給采用西門子伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠采用直聯(lián)結(jié)構(gòu)，由兩套滾珠絲杠副同時(shí)單個(gè)刀架（滑板）進(jìn)行垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)剛度高，可實(shí)現(xiàn)主從無間隙微量進(jìn)給控制。通過對(duì)兩套絲杠副的優(yōu)化控制，可實(shí)現(xiàn)刀具在垂直面內(nèi)圓周方向的微量調(diào)整，提高切削精度。車刀架水平、垂直進(jìn)給采用光柵尺閉環(huán)控制。磨頭固定在滑板前端，磨頭采用內(nèi)置電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，主軸前端采用高剛度短錐1∶4結(jié)構(gòu)，砂輪卡持器與主軸采用錐面與端面同時(shí)接觸的安裝方式，錐面為過盈配合，實(shí)現(xiàn)高剛度磨削要求[4]。
5）工件冷卻及排屑裝置。
車、磨刀架均配有工件冷卻噴嘴，可對(duì)工件、刀具和砂輪進(jìn)行冷卻，以提高加工效果和刀具壽命。鐵屑經(jīng)排屑器分離后輸送至鐵屑箱內(nèi)。冷卻液通過工作臺(tái)防護(hù)罩、排屑器，回收槽回收至冷卻液箱，經(jīng)過濾循環(huán)使用。排屑裝置為加寬型鏈板排屑器。冷卻液箱落水口設(shè)置有粗濾網(wǎng)、紙質(zhì)精濾等多種措施，保證冷卻液清潔，滿足冷卻使用要求。
6）工作臺(tái)防護(hù)罩。
工作臺(tái)防護(hù)罩具備安全防護(hù)、冷卻液回收和鐵屑回收功能，采用半防護(hù)式結(jié)構(gòu)，車削刀庫、砂輪修整裝置均采用獨(dú)立防護(hù)，通過氣動(dòng)控制，推開防護(hù)門，實(shí)現(xiàn)修裁砂輪、更換刀夾，由于機(jī)床龐大，拉門使用不頻繁，故拉門采用手動(dòng)結(jié)構(gòu)。
7）砂輪修整裝置。
配備單點(diǎn)金剛筆砂輪修整器和金剛滾輪砂輪修整器，修整器支架與地基固定，保證剛性。為了實(shí)現(xiàn)工件雙滾道同時(shí)磨削的要求，金剛滾輪安裝在支承主軸上，修整主軸外端配置了高剛度雙列圓柱滾子軸承，支承剛度高。修整主軸由11 k W電動(dòng)機(jī)經(jīng)皮帶降速后驅(qū)動(dòng)，修整功率大，傳動(dòng)平穩(wěn)。
8）車削刀庫。
車削刀庫采用盤式結(jié)構(gòu)，配置8個(gè)刀夾，每個(gè)刀夾上安裝有不同的刀具接納口接口，接口采用山特維克C6型式，實(shí)現(xiàn)刀具快速準(zhǔn)確定位，定位精度為0.003 mm。
9）液壓氣動(dòng)控制系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)主要由液壓油箱、主傳動(dòng)電磁滑閥變速控制裝置、車削刀架及磨削刀架滑板液壓平衡控制裝置等組成。液壓油箱內(nèi)的液壓油通過油冷機(jī)控制油溫，保證液壓系統(tǒng)的油溫恒定，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。氣動(dòng)裝置經(jīng)氣動(dòng)三聯(lián)件進(jìn)行過濾后，通過氣閥控制實(shí)現(xiàn)刀具錐柄吹氣、光柵尺清潔吹氣、防護(hù)罩氣動(dòng)門控制等功能
10）電氣控制系統(tǒng)。機(jī)床采用西門子828D數(shù)控系統(tǒng)控制，配置專用電氣柜，實(shí)現(xiàn)機(jī)床PLC及加工控制。高精度數(shù)控雙柱定梁立式車磨加工中心如圖2所示。
圖2 機(jī)床現(xiàn)場安裝圖
3 、創(chuàng)新點(diǎn)
1）創(chuàng)新研制了封砂式定梁龍門結(jié)構(gòu)，保證高速硬車及高精度加工時(shí)的整機(jī)剛度及高動(dòng)靜阻尼特性。
2）創(chuàng)新研制了車磨刀架垂直方向雙絲杠進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，消除傳動(dòng)間隙，保證了刀架高剛度微量進(jìn)給要求，滿足溝心距高精度加工要求。
3） 創(chuàng)新研制了砂輪雙排桃形溝滾道成形修整機(jī)構(gòu)，采用大功率動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)砂輪快速成形修整。
4）創(chuàng)新研制了橫梁防護(hù)罩保護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)大尺寸風(fēng)琴式防護(hù)罩可靠運(yùn)行。
4 、結(jié) 語
高精度數(shù)控雙柱定梁立式車磨加工中心成功研制，將打破加工風(fēng)電軸承關(guān)鍵設(shè)備依賴進(jìn)口的局面，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電大型設(shè)備關(guān)鍵零部件國產(chǎn)化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該機(jī)床在用戶現(xiàn)場安裝驗(yàn)收完成，通過了黑龍江省新產(chǎn)品鑒定評(píng)審，技術(shù)水平處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。隨著各種風(fēng)電軸承類零件規(guī)格逐漸增大，軟車及硬車、車削與磨削復(fù)合加工設(shè)備的需求也逐漸增多。該機(jī)床具有全面穩(wěn)定的車削及磨削加工能力，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶不同的工藝加工要求，功能齊全、精度保持性好、自動(dòng)化程度高、適應(yīng)能力強(qiáng)，有較強(qiáng)的市場競爭力，極具推廣價(jià)值。可為機(jī)床制造商及零件生產(chǎn)廠商帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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