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APM係列翻板臥式（shì）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係列（liè）翻板臥式加工中心項目是由濟（jì）南二機床集團承擔的，成都飛機、西安飛機、清華大學（xué）、北京航空航天大學共同參與研究的國家科技（jì）重大專項課題，應（yīng）用於航空大型鋁合金結構件（jiàn）高速高效加工。機床主機采用落地式結構、高速大（dà）功率主軸；配K大型翻板工作台，實現零件在水平位置裝夾、垂直位置加工的工（gōng）藝目（mù）的。整（zhěng）機加工區全封閉防護，實現綠色安全加工（gōng）。機床搭載毛坯（pī）測量與（yǔ）加（jiā）工餘量分析係（xì）統和（hé）接（jiē）觸式原位檢測係統，實現毛坯的虛擬劃線和零件的在線檢測。機床主（zhǔ）要性能和技（jì）術指標（biāo）達到國際先進水（shuǐ）平。

一（yī）、研發H的

飛機上95%的金厲（lì）結構件需要（yào）數控機床（chuáng）加工，由於有強度高、重M•輕、耐腐蝕等特（tè）殊要求（qiú），多（duō）為深槽腔（qiāng）、小轉角、薄壁（bì）、具（jù）有氣動理論（lùn）曲麵的盒形結構。通常采用（yòng）“整體製（zhì）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（jì）數據表明（míng），一個（gè）金厲零件從毛坯加工到成（chéng）品，材料的利用率僅為原材料的20% ~10%甚至隻有5%，其餘80% ~90%甚至95%的材料（liào）都成了切屑。由於飛機結構件的（de）上述工藝（yì）特點，為了縮短零件加工占用的大（dà）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，在高速切削範（fàn）圍內機床的激振頻率遠離加工工藝係統的固（gù）有頻率範圍，而切削產生的熱量絕大部（bù）分也被切屑帶走。因（yīn）此，高速高效銑削（xuē）技術可以最大（dà）程度地減少加工中徑向切削力、共振和熱變形對加工工藝係統的影（yǐng）響。

采用（yòng）高（gāo）速高效銑削技術後，加工工藝係統的落屑和排屑成為問題的焦點。典型的（de）鋁合金零件高速加工，每分鍾就能產生多達數千立方厘米的切（qiē）屑。傳統的立式加工工藝係統，越來越不能滿足用戶的需求。這類係統，由於工件水平放置，加工過程中產生的大fi高（gāo）溫切（qiē）屑堆（duī）積在薄壁型腔中無法及時順利排出，並將熱量（liàng）傳（chuán）遞給工件、刀具和主軸，導致整個加工工（gōng）藝係統產（chǎn）生二次熱變形。切屑的堆積，還會（huì）產（chǎn）生二次切削效應，加劇刀具的磨損，並影響工件的最終加工質量。

為（wéi）便於落屑、排屑，避免上述不利的結果，必須轉變工藝思路（lù）：由工件在（zài）水平位置完成整個定位裝夾和加工過程，轉換為（wéi）工件在水平位（wèi）a完成定位裝（zhuāng）夾，然後在垂直位a完（wán）成加工。這樣（yàng）可以集立式、臥式（shì）機床的優勢（shì）為一體（見圖1)。加工（gōng）設備也考慮由水平工作台加立式主軸（zhóu）布局特征的龍門式加工中心，轉換（huàn）為翻板式工作台加臥式主軸布局特征的翻板臥式加工中心。翻（fān）板臥式加工中心不僅便於落屑排屑（xiè），而且易於實現切削加工工作區全封閉設計，實現了綠色安全加工。臥（wò）式的主機結構還便於構建FMC或FMS�

綜上所述，APM係（xì）列翻板臥式加工中心就是根據飛機製造企業的工藝及設備®求，為其量（liàng）身定做的專用高檔數控機床（chuáng）和解決方案。

二、主要技水參數

工作台規格（寬度x長度）：2000mm x4_mm�2000.ii.il x 6000mm (或（huò）根據用戶要求定製）。主軸功率60kW�最高（gāo）轉速24000r/miri�X/17Z進給（gěi）速度5 ~ 20000mm/miri�機床定位精度(X/Y/Z ) � O.OlOmni/m,重複定位精度�X/Y/Z� 0.010mm,翻板重複定位精度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（de）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（zhí）上下（xià）移動，采用雙絲杠驅動；滑枕沿z軸前後水平移動，采用絲杠驅動。配（pèi）置（zhì）可90°翻（fān）轉的大型翻板工（gōng）作台，通過雙絲杠同步（bù）驅動實現翻板工作台翻轉。翻板工作台翻轉到位後采用楔塊定位，液壓夾緊，鉤鎖防（fáng）鬆確保翻板工作台安全（quán）可靠（kào）。

圖2翻版臥式加工中心外觀圖(圖中翻板工作台處於加工位置）

1.機床全部大件均采用鋼板焊接件，保證

機床具有良（liáng）好的（de）剛度質量比（bǐ）床身是（shì）機床的（de）基礎部件，要求具（jù）有良好承載（zǎi）能力和穩定性。設計采用箱式（shì）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（gāo）速運動的（de）耑（zhuān）要。設計采用雙層壁板（bǎn）焊接結（jié）構，合理布筋，開孔減重，滿足加速（sù）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（duì）比，在（zài）相同（tóng）切（qiē）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（bǎn）采用箱式焊接結（jié）構，承載導軌設支撐壁板也形成箱型結構（gòu），因而具（jù）有良好的剛性。

翻板工（gōng）作（zuò）台及其支撐（chēng）結構均采用鋼板焊接（jiē）結構。采用型鋼組焊，相對於鋼板（bǎn）焊接（jiē），焊接應力小，桁度穩（wěn）定。

2.基於數字化樣機設計進行考慮結合麵特性（xìng）的整（zhěng）機有限元分析，實現機床動靜態（tài）性能優化設計

在設計階段，基於數字化樣機，對（duì）機床整體性能進行預估。采用考慮典型結合麵特性的機床整機有限元分析方法，並通（tōng）過（guò）實驗對仿真結果進行驗（yàn）證，進而獲取機床整機性能參數，為機床（chuáng）性能設計提出優化建議。分析中考慮了三向導軌結合麵、絲杠螺母接合麵、齒輪齒條（tiáo）結合麵、主軸套筒結合麵、套筒（tǒng）滑枕結合麵等結合麵特點，分析影響結合麵特性的主要因素，確定結合麵參數，進而建立考慮結合麵特性的整機有限元仿真模型。通（tōng）過這種方（fāng）法，對機床加工過程中不同位置、不同工況下整機（jī）的靜動熱（rè）態性能進行仿真研究，識（shí）別機動熱態性能的（de）薄弱環節並進行優化。計算分析的結果已經在產品研製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（sù）高精性能的需要

X軸傳（chuán）動采用雙齒（chǐ）輪齒條（tiáo）傳動，雙電機（jī）電氣消隙（xì）。該傳動機構安裝在立柱上，由西門子交流伺服電機經精（jīng）密減速箱降速後帶動立柱沿床身導軌移（yí）動。該傳動采用通用（yòng）型齒輪齒條，結構簡單，可靠性好，製造（zào）調試（shì）維修方便（biàn），可實現正常磨損的自動補償，保證（zhèng）機床長期高精度穩（wěn）定運行（háng）。F軸傳動采（cǎi）用雙絲杠（gàng）重心驅動，滾珠絲杠采用（yòng）消除間隙的預雙（shuāng）螺母的結構形式。由西門（mén）子交流伺服電機驅（qū）動，經（jīng）減速筘降速後，通過滾珠絲（sī）杠旋轉帶動主軸箱上下運動。y軸承擔溜板及（jí）滑枕的（de）上下移動，需（xū）克服較大質量（liàng）的影響，采用雙絲杠驅動，可（kě）以提高傳動剛性，滿足快速（sù）響應。

z軸采用絲杠驅（qū）動，滾珠絲杠采用消除間隙的預載雙螺（luó）母的（de）結構形式。由西門子交流伺服電機驅動（dòng），經一級同（tóng）步帶降速後，通過滾珠絲杠旋轉帶動滑枕前後運動。

各軸傳動鏈短、剛度（dù）大，使（shǐ）機床具有良好的增（zēng）益特性、加速度（dù）性能，以滿足高速高精加工的需要。

4.采用大功率電主軸配（pèi）置，滿足鋁合金零（líng）件的高（gāo）效加工需求

主軸采用60kW大功率高速電主軸，最高速度可達（dá）ZAOOOr/min�主軸支承采用大接觸角高速角接觸球軸承（chéng），滾動體為耐髙溫陶瓷球，以（yǐ）適應（yīng）軸承高（gāo）速運行。刀柄采用HSK-A63標準，主軸采（cǎi）用碟簧拉刀-液壓刀（dāo），動（dòng）作準確可靠，有專用傳感器用於檢測（cè）刀具的（de）鬆、拉、空刀位。電主軸具有自動刀柄吹氣功（gōng）能，以便在換刀時用壓縮空氣對主軸錐孔和（hé）刀具錐柄進行清潔。主軸在運轉時發（fā）熱S很大，為防（fáng）止（zhǐ）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（wài）壁有液冷螺旋循環套，經（jīng）過水冷機降溫的液體通過其中，帶走熱量；同（tóng）時，在（zài）電主軸內（nèi）部設有溫度傳感器，實現電主軸的溫控電（diàn）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（tào）筒采用錐形結（jié）構（gòu），保（bǎo）證套（tào）筒具有較高的抗彎及抗（kàng）扭剛度。

5.雙絲杠驅動（dòng）型翻板工作台，具有良好旳重複定位精度和精（jīng）度保持性

翻板工作台（tái）S於主軸的對麵，可（kě）完成水平和豎直狀態的自動轉換並定位夾緊，方便工件的裝夾。翻板工作台翻轉運動采用消除間隙的預載雙（shuāng）螺母雙滾珠絲杠傳動。西門子交流伺服電機經梢密（mì）減速（sù）箱降速後，帶（dài）動滾珠（zhū）絲杠螺母旋轉，推動翻板工作台實現其翻轉（zhuǎn）運動。翻板工作台定位夾緊：翻板工作台由水平（píng）位a翻（fān）轉到豎（shù）直位a後通（tōng）過V型塊進行定位，然（rán）後接著（zhe）旋轉液壓缸旋（xuán）轉90°後夾緊翻板工作台，氣（qì）缸推（tuī）動防鬆（sōng）鉤鎖動作勾住翻板台，確保工作台不會意外翻落。當翻板工作（zuò）台（tái）由豎直位置向水平位置翻轉時，首先氣缸拉（lā）動放鬆鉤鎖鬆開，接著旋轉夾（jiá）緊液壓缸旋（xuán）轉90。鬆開翻板工作台，然後滾珠絲杠副驅動翻板工作（zuò）台翻轉至水平位（wèi）置。雙絲杠驅動同步性好，工（gōng）作台扭轉變形小，精度保持性好；楔塊定位機構保證工作台具有良好的（de）重複定位精度。

6.機床搭載形貌測量係統和原位檢測係統，實現毛（máo）坯的虛擬劃線和零件的在線檢測

某（mǒu）些大型航空結構件的毛坯（pī）采用桁鑄件和模鍛件，限於目前國內禱造和（hé）模（mó）鍛的整（zhěng）體工藝水平，精鑄件和模鍛件的桁確尺寸控製（zhì）還是一個難（nán）題。毛坯（pī）加工（gōng）中（zhōng）還需（xū）人工劃線，加工（gōng）餘量分配缺乏（fá）量化測量和分析（xī）手段。加工餘量不均易導致加工出現（xiàn）欠切而報廢，嚴重影響產（chǎn）品的質量和製造周期，造成浪費。形貌（mào）測a係統實三維（wéi）視覺傳感器（qì）、國產數控係統、計算機與數控機床的集成，構成航空結（jié）構件毛坯測量與加工餘a分（fèn）析係統。原位檢測係（xì）統可以實現零件（jiàn）模型和測黽點（diǎn）的三維實時仿真，根據檢測規劃文件生成數控機床可（kě）執行的NC測量文件，實現檢測軟件與數（shù）控係統的機床通訊。對數控係統上傳的測（cè）量數據進行（háng）誤差補償（cháng）、質m評價，生成測i報告。根據誤差快速辨識方法（fǎ），建（jiàn）立誤差補償模型，研（yán）發原位檢測係統（tǒng）標定技術，對測量數據進行誤差補（bǔ）償（cháng），消除（chú）整體測:a誤（wù）差。針對大型飛機結構件數控加工過程的特點（diǎn），實現加工測量一體化應（yīng）用。

7.全封閉防護設計（jì），實現安（ān）全（quán）綠色切削

翻板（bǎn）臥式加工中心屬於高速、高效加工機床。由於主（zhǔ）軸商速旋轉，切削液霧化（huà）嚴重，需要進行封閉防護，以防（fáng）危害操作者、汙染環境。機床主軸轉速可以高（gāo）達（dá）24000r/min,加（jiā）工時鋁（lǚ）屑會帶著高溫快速飛出，對機床（chuáng）操作者構成危險。高速加工時（shí），刀具可能（néng）存在（zài）的斷裂、解體等更高的危險，需要（yào）對（duì）機（jī）床進行全（quán）封閉（bì）防護。機床高（gāo）速切削時會（huì）產生噪聲，是另一（yī）個汙染源，也需要對機床進行（háng）隔音處理。

翻板式加工中心對（duì）主機和翻板工作台（tái）之間的空間進行全封閉（bì）防護構建，使之形（xíng）成（chéng）一個封閉的加工區域，與操（cāo）作區域和外部區域完全隔離。在封閉的加工區域頂部開（kāi）設三個吸風口（kǒu），配置吸霧器將水（shuǐ）霧吸走。吸霧器底（dǐ）部設有排液口，將液化後的水霧排至切削液水箱（xiāng），實現重複利用。

x軸和y軸采用壁式防（fáng）護係統。x軸采用鋁簾式防護結構（gòu），f軸采用鎧甲式防（fáng）護結構（gòu）。考慮到r軸（zhóu）移動範圍較大，對（duì）於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，便於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（jiàn）組成。高速旋轉的玻璃體將飛濺到上麵的冷（lěng）卻液及切肩通（tōng）過離心力的作用向外甩掉，以保證玻璃體（tǐ）的透明度。

加（jiā）工區域配K隨動式（shì）高清攝（shè）像頭，可（kě）自動跟隨主軸的移動，實（shí）時顯示在外ft顯示器上，對加（jiā）工過程進行監控。

四、成果應用及推廣

2014年4月（yuè），APM係列翻板臥式加工中心的第一台樣機研製（zhì）完成，並成功參加了第八屆中國數控機床展覽會，引（yǐn）起眾多關注。為推進該型產品在（zài）航空航天工業（yè）的應用，2014年10月，濟南二機床集團（tuán）舉辦了 APM係列翻（fān）板（bǎn）臥式加工中心技術（shù）研討會，來自成都飛機、沈陽飛機、西安飛機、哈爾濱（bīn）飛機、洪都（dōu）航空（kōng）、上海飛機（jī）、天津航天長征火箭公司、上海航天設（shè）備製造總廠（chǎng）、長征機械（xiè）廠等18家（jiā）航空航天企業50餘人參加了會議，就技術研發和應用進（jìn）行了（le）研討（tǎo）。

圖3翻板臥式加（jiā）工（gōng）中心切削的模擬試件

未來，根據用（yòng）戶的耑（zhuān）求，在翻板臥式加工中心產品係列中，濟南（nán）二機床將（jiāng）繼（jì）續研發並推出配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、適應於鈦合（hé）金加（jiā）工的（de）重型翻板（bǎn）臥式加工中心、自動化程度更高的帶有交換工作台的翻板臥式加工單元、配置有自動物流輸送係統的翻板（bǎn）臥式加工柔性生產線等（děng）飛機大型結構件加工專用（yòng）高檔數控機床，滿足航空工業對翻板（bǎn）臥式加工工藝係統的大量需求，降低企（qǐ）業采購成（chéng）本（běn），提高經濟效益，保障國家安全。

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