葉片加工中心Ｂ櫜軸結構設計與試驗研（yán）究-加工中心（xīn）網-數控機床市場網

您現在（zài）的（de）位置：加（jiā）工中心網> 技術前沿>葉片加工中心Ｂ櫜（gāo）軸結構設計與試驗研究

葉片加工中心（xīn）Ｂ櫜（gāo）軸結構設計（jì）與試（shì）驗研究

2019-7-26 來源：唐山工業職業河北機車技師理工大學作者：賀靜盛豔王誌軍

摘要：刀具擺動軸Ｂ軸作為五軸（zhóu）葉片加工中心的核心部件（jiàn）之一,其結構設計、加工過程中的平（píng）穩性、分度的準確性、轉（zhuǎn）速的快慢等將會直接（jiē）影響加工零（líng）件的精度，因此對Ｂ軸的設計和研究顯得尤為重要。首先介（jiè）紹Ｂ軸的（de）工作原理，並根據整體要求及關鍵部件的分析計算，提出Ｂ軸總體結構方（fāng）案並進行了結構設（shè）計；之後進行五（wǔ）軸葉片加工中心的空運轉運動特性試驗和加工精度檢測試驗。試（shì）驗結果驗證了所設計的五軸葉片加工中心Ｂ軸在五軸聯動插補加工過程中完全可以滿足加工件的精度要求。

關鍵詞：加（jiā）工中心;Ｂ軸；刀（dāo）具擺動軸（zhóu）；試驗研究

０　、引言

五軸葉片加工中心是（shì）專門加工汽輪機、航空航天發動機等葉片和（hé）其他窄長型具有空間（jiān）複雜（zá）曲麵（miàn）零件的機床。該類型機床由Ｘ軸（zhóu）、Ｙ軸、Ｚ軸（zhóu）、Ａ軸（zhóu）和Ｂ軸組成，Ａ軸為葉片的回轉軸，Ｂ軸為刀具擺動軸，３個直（zhí）線軸（zhóu）Ｘ、Ｙ、Ｚ的布置類似立式加工中心的布置形式。

刀具擺動軸Ｂ軸作為五軸葉片加工中心（xīn）中的核心部件之一，其結構設計、加工過程中的平穩性、分度的（de）準確性（xìng）、轉速（sù）的快（kuài）慢等將會直接影響加工零件的精度。

在當今（jīn）五軸葉片加工中心需（xū）求量不斷（duàn）增加的形勢下（xià），國內外學者（zhě）紛紛對Ｂ軸進行研究，並不斷改進其結構及各方麵（miàn）的性能。國外的五（wǔ）軸聯動葉片加工中心（xīn）Ｂ軸種（zhǒng）類較多，形式各異，如果以Ｂ軸（zhóu）與刀具主軸的連接形（xíng）式來劃（huá）分，可分為Ｂ軸回轉中心與（yǔ）刀（dāo）具（jù）主軸的回轉中心呈４５°角和９０°角兩類。

國內對五（wǔ）軸聯動（dòng）葉片加工中心的研究起步較晚，各參數（包括各軸快（kuài）速移動精度、刀具主（zhǔ）軸轉速等（děng））同國外相比均較低，機床結構也不如國外靈（líng）活多變。北京機電院機床有限公司是國內第（dì）一家成功研製出五軸聯動葉片加工中心的廠家，ＸＫＨ係列的Ｂ軸軸線偏離（lí）刀具主軸中心，而（ér）與刀尖部位基（jī）本重合。新瑞機床有限公司的Ｖ５Ｘ１８００加工中心的Ｂ軸采用機械結構，具有弧形導軌引（yǐn）導的平衡刀具主軸擺動所產生的偏心力矩機構（gòu）。本文主要對所研製的五軸聯動葉片加工中心進行（háng）刀具擺動軸（Ｂ軸）的結構設計和試驗研究。

１　、葉片加工中心

Ｂ軸工作原理（lǐ）與總體結構設計１．１　葉（yè）片加工中心Ｂ軸工（gōng）作（zuò）原理五（wǔ）軸葉片加工中（zhōng）心的底座為整體床身，立柱和工作（zuò）台通（tōng）過直（zhí）線滾柱導軌安裝（zhuāng）在（zài）床身上；立柱左右移動形成Ｘ軸；工作（zuò）台前後移動形（xíng）成Ｙ軸；Ｂ軸通過直線滾柱（zhù）導軌安裝在立柱上（shàng），上下移動形（xíng）成（chéng）Ｚ軸；頭架和尾架（jià）安裝在工作台上，卡緊工件，同（tóng）步旋轉（zhuǎn）形成Ａ軸；主軸箱固定在Ｂ軸上，擺動部件帶動主軸箱擺（bǎi）動形成刀具擺動軸。

擺（bǎi）動部件主要由主軸（zhóu）箱、Ｂ軸箱體、蝸輪蝸杆傳動副、彈簧平衡（héng）裝置等組（zǔ）成。主軸箱固定（dìng）在Ｂ軸上，Ｂ軸與蝸輪軸固（gù）聯。

同步（bù）電機通過減速帶動（dòng）蝸輪（lún）蝸杆副和擺動轉盤使主軸箱擺動，擺動範圍為±４５°。主軸尾端裝有角度編碼器，以實現擺動軸的閉環（huán）控製。Ｂ軸和Ｂ軸箱體頂部裝有彈簧座，彈簧拉動擺動Ｂ軸，以平衡主軸箱偏重（chóng）產生的（de）偏轉力矩。

１．２　葉片（piàn）加工中心

Ｂ軸總體（tǐ）結構設計五軸葉片加工（gōng）中（zhōng）心主體由床身、立柱、工作台、頭架、尾架、Ｂ軸箱（xiāng）體、主軸箱、刀庫（kù）等幾大部件組成，如圖１所示。 1 葉片加工中（zhōng）心Ｂ軸的主軸通過（guò）轉（zhuǎn）台軸承固聯在Ｂ軸箱體上，Ｂ軸（zhóu）箱體（tǐ）通過直線導軌副固聯在立柱上。

主軸中部安裝（zhuāng）有雙導程（chéng）蝸輪蝸杆副，Ｂ軸回轉角度為±４５°，調整（zhěng）蝸杆位置可消除蝸輪蝸杆副傳動間隙。Ｂ軸的尾端裝有角度編碼器，以實現Ｂ軸的閉環控製（zhì）。Ｂ軸後部裝有超限位開關，和角度編碼器後部的２個撞塊配合，用（yòng）以確定Ｂ軸（zhóu）在回轉（zhuǎn）過程中超極限位置的報警。Ｂ軸箱體通過Ｚ軸直線（xiàn）滾柱導軌安裝在立柱（zhù）前麵。Ｚ軸力（lì）矩電機直接帶動Ｚ軸絲杠旋（xuán）轉，進而帶（dài）動Ｂ軸箱體沿Ｚ方向作直線（xiàn）運動。

根據機床Ｂ軸轉速較（jiào）低、運轉周期短、承載較大、對剛性和精度要求都較高的工作情況及使用要求，在主軸（zhóu）前端選用了進口的推力－向心組合結構的（de）轉台軸承。轉台軸承能承受雙（shuāng）向軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩。

２　、五軸葉片加工中心

Ｂ軸性能測試研究對五軸葉片加工中（zhōng）心Ｂ軸進行性能測試研（yán）究的目的是了解新產（chǎn）品的（de）綜合性能（néng），為提高機床設計和製（zhì）造水平提（tí）供數據。

試驗依據ＣＳＧＦ５０８．１－２００８《數控機床適應性試驗規範》、ＩＳＯ標準和國家標準及行業標準進行。

２．１　空運轉運動特性試驗

在空運轉情況下，檢驗主軸和進給軸的運（yùn）動特性，能（néng）夠考核控製係統和（hé）運動鏈之間的綜合精。需要的試驗（yàn）器材是球杆儀，檢測精度為０．１μｍ，主軸分別（bié）以（yǐ）３００ｍｍ／ｍｉｎ、１　０００ｍｍ／ｍｉｎ運行情況下，測量ＸＹ軸的坐標曲（qǔ）線，球杆的長度為１５０ｍｍ。試（shì）驗時（shí）球杆儀底座放在了Ａ軸轉台專用夾具延伸出來的平板上，如圖（tú）２所示。

由於機床沒有工作台，無法進行（háng）ＹＺ、ＸＺ平麵的圓（yuán）弧插補精度檢驗，故本試驗中將隻進行ＸＹ平麵的（de）圓（yuán）弧插補精度檢驗，檢驗結果（guǒ）如（rú）表１所示。從檢驗結果來看，該機床的圓弧插補精度（dù）達到了設計要求（qiú）和國家標準，完全能（néng）夠（gòu）滿足客戶加工葉片（piàn）類（lèi）零件的精度要求。

兩種（zhǒng）速度（dù）時（shí）的圓弧插補精度檢驗結果如圖３所示（shì），結果顯示在ＸＹ平麵四個象限連接處的精度出現異常，這說明在象限的連接處插補出現拐點，導致圓弧插（chā）補在該處的（de）誤差達（dá）到最大。這種現象在機床的參數設置中是不可避免（miǎn）的，但可以在保證機床（chuáng）加工要求的前提下，將誤差優（yōu）化到最（zuì）小。本次檢測的結果表明，還可以（yǐ）通過參數調節對（duì）機床圓弧插補精度進（jìn）行進一步的優（yōu）化。

２．２　加工精度檢測試驗

按照機床加工精度標準規定的典型（xíng）試件進行加工，按照測量標準中規定的項目指標來評定機床精加工水（shuǐ）平。試件為圓錐截體，尺寸如圖４所示。用立（lì）銑刀的側刃（rèn）銑削圓錐截體的曲麵，圓錐截體切削後可從底座上拆下來測量。

試件材料為鑄鋁，將試件安裝在上上平麵與下平麵傾斜１０°的底（dǐ）座上（shàng）。試件應盡量位（wèi）於Ｘ軸線行程的中間位置，並沿（yán）Ｙ軸和Ｚ軸在適合於試件和夾具定位及刀具（jù）長（zhǎng）度的適當位置放置。安裝按（àn）照圖（tú）５進行，必要時可用過渡件將底座與機床聯（lián）接定位。加工完成的試驗工件如圖６所示。

在三坐標測量儀上對試切件中直徑分別為Φ１４０ｍｍ、Φ１４７ｍｍ和Φ１２０ｍｍ的圓進行圓度和同心度檢測，檢測（cè）結果（guǒ）如表（biǎo）２所示（shì）。檢測（cè）結果說明本試驗中使用五軸機床進行五軸（zhóu）聯動插補銑削圓錐試（shì）切件，精度完全達到設定要求，從而說（shuō）明試驗機床在進行五軸聯動插（chā）補加工時，完全可以保證加（jiā）工（gōng）件的精度。

從（cóng）試驗結（jié）果上來看，本試驗在直徑為 Φ１４０ｍｍ、圓周速度Ｆ＝４００ｍｍ／ｍｉｎ時的圓度最大誤差為０．０１９ｍｍ，而在ＸＹ平（píng）麵的圓弧插補試驗中，在直徑為３００ｍｍ（球（qiú）杆儀（yí）杆長１５０ｍｍ）圓周，速度Ｆ＝３００ｍｍ／ｍｉｎ時的圓度誤差為（wéi）０．０２５ｍｍ，這說明五軸聯動的圓弧（hú）插補（bǔ）與三軸的圓弧插補相比（bǐ）較，精度沒有下降反而有所提升。

理論上由於（yú）五軸聯動插補時兩個旋轉軸的轉動，使得其（qí）他三個直線軸的（de）直線（xiàn）移動距離（lí）大幅減（jiǎn）少，移動距離的減小也就使得（dé）加工精度得（dé）到提升，但不但抵消了（le）因為插補（bǔ）軸數增加導致的精度下（xià）降，還使（shǐ）得整體的加工精度提高。

３　、結論

本文對所研製（zhì）的五軸葉（yè）片加工中心進行刀具擺動軸（Ｂ軸）總體設計。首先介紹了Ｂ軸的工作（zuò）原理，並對（duì）機構進行了機械結構設計。之後（hòu）進行了五軸葉片加工中心性能測（cè）試試驗，包括空運轉運動特性試驗（yàn）和加工精度檢測試（shì）驗。試驗結果表明，機床進行五軸聯動（dòng）插補銑削圓錐試切件，精度完全達到設（shè）定要求，從而說明所設計的刀具擺動軸（zhóu）在進行五軸聯動插補加工時，完（wán）全可以（yǐ）滿足（zú）加工件的精度要求。

本文研究內容為（wéi）五軸葉片（piàn）加工中心Ｂ軸結構進一步的設計（jì）和應用奠定了一定的理論和試驗基礎。

投稿箱：
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（zuò），歡迎（yíng）聯係本網編輯部，郵箱（xiāng）：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業界視（shì）點

| 更多

行業數據

| 更多

博文（wén）選萃

| 更多