H124數控深孔內圓磨床的研發與應用
2021-12-14 來源：上（shàng）海機床廠有限公司 作者：-
一、概述（shù）
起落架是大（dà）飛機的核心部件，此領域的供應商主要有法國（guó）Safran公司、美國GoodRich公（gōng）司和（hé）德國（guó）Liebherr公（gōng）司。起落架中長徑比零件的內孔精密磨削設備長期以來一直被國（guó）外壟斷，且進口價格昂貴。由於起落架可靠（kào）度對於國產大飛機整體性能和（hé）使（shǐ）用安全具有重要影（yǐng）響，關（guān）係著國家重要戰略目標國產大飛機成功研製目標的實現。
飛機起（qǐ）落架（jià）是（shì）飛機起（qǐ）飛和著陸（lù）的主要承力構件，在飛機著陸及滑行過程中它吸收和耗散與地麵形成（chéng）的衝擊（jī）能量。現代大型飛機起落架主要由前、主起落架活塞杆、外筒、輪軸等大長徑比深孔零件組成，其內徑和孔深之比可達1:10，且材料多為超高強（qiáng）度鋼或鈦（tài）合金整體鍛造，內孔表麵（miàn）經過HVOF塗層處理。為了提升飛機的整體性能，這些零件均需要進行深孔精（jīng）密加工，如果最後的加工工序采用（yòng）傳統的車削、鏜孔技術來完成，則存在（zài）很（hěn）大（dà）的困難（nán），尺寸精度、表麵粗糙度（特別是過渡圓（yuán）角和（hé）轉接R處）等方麵得不到保（bǎo）證，需要增加精密磨削加工工序，以此來保證零件的加工（gōng）質量和確保內（nèi）孔加工表麵的完整性。
研製具有自主知識產權、滿足大型飛機起落架等大長徑比深孔零件精密加工要求的（de）數控深孔內圓磨床（chuáng），對於提高大型飛機關鍵部件的國內自（zì）主配套能力，發展我國（guó）民用大型客機和軍用大型（xíng）運輸機有著顯著的經濟效益和社會效益，對於我國航空（kōng）航天事業建設具有十分重要的戰略意義。
目前國內從事數（shù）控深孔內圓磨床研發和生產的單位僅有上海機床廠有限（xiàn）公司一家，國外（wài）製造該種機床的企業有西班牙DANOBAT、意大（dà）利（lì）AZ Spa、意（yì）大利MORARA、日（rì）本NISSIN等（děng）。其主要加工範圍如表1所示：
表 1
H124數控（kòng）深孔內（nèi）圓磨（mó）床，是上海機床（chuáng）廠有限公司為滿足國內航空航天、軌道交通等領域的發展需求，在我公司早期開發的手動深孔內圓磨床（chuáng）的基礎上，持續進行多項技（jì）術創新，自主研發製造的新成果。該成果應（yīng）用了多項發明和實（shí）用新型專利，其主要技術指標保（bǎo）持國內領先，達到國（guó）際（jì）先進水平。該項目的研製成功，不僅提升了我國此類數控高端裝備（bèi）的水平，也打破了國外對該機床的壟（lǒng）斷和封鎖，為（wéi）企業開拓了新的產品市場，同時取得了良好的（de）經濟和社會效益。
圖1 H124數控深孔內圓磨床外觀圖
二、產品性能介紹（shào）
H124數控深孔內圓磨床集成（chéng）了高剛性深（shēn）孔磨頭設計（jì）與製造技術、薄璧深（shēn）孔內圓磨（mó）削技（jì）術、大型薄璧回轉體裝夾技術、超高強度塗層（céng）鋼高效磨削工藝、深孔內圓加工在線測量控製技（jì）術、超長磨具高精製造裝配工藝、超長磨具高精度動平（píng）衡技術等多技術領域研究成果，是一種典型的高檔數控機床裝備。其主要特點（diǎn）包括：
（1）結構布局合理：機床采用臥式布局。工作台作縱向往複運動、砂輪架作橫向進給運動（dòng），墊板、砂輪（lún）架、內圓磨具等（děng）橫跨在工作台（tái）床身導（dǎo）軌的右上方；床身采用高強度（dù）鑄鐵，導軌結合（hé）麵手工刮研，工件床身與磨頭（tóu）床身為一體，呈T型結構；工作台采用上下雙層結構，可進行回轉（zhuǎn）微調，縱向運動由（yóu）伺服（fú）電機驅（qū）動，通過滾珠絲杆傳動；運動導軌為平、V滑動導軌，壓力油潤滑；頭架主軸（zhóu）采用一滾一滑（huá）軸係支承（chéng），剛性好，回轉（zhuǎn）精高（gāo），由交流變頻器實現工件（jiàn）無級傳（chuán）動；工件由四爪卡盤夾持，閉（bì）式中心架支承；墊板導軌采（cǎi）用高剛性直（zhí）線滾動導軌。
（2）高精度：飛機起（qǐ）落架外筒實際加工圓度0.003mm，圓柱度0.004mm/1000mm，表麵光潔度Ra0.4μm。
（3）高剛性：機床（chuáng）搭載上（shàng）海機床廠（chǎng）有限公司研（yán）發的新結構偏心（xīn）內圓磨杆。通過優化設計，靜態、動（dòng）態剛性好（hǎo），工作轉速遠離共振區。
（4）高柔性：機床砂輪架配有標準接口，可（kě）更換多種內圓（yuán）磨具，包括皮帶（dài）傳動式磨具和電主軸式磨（mó）具，可滿足不（bú）同直（zhí）徑、不同深度內孔加工需（xū）求。
（5）人性化：搭載上海機床廠自（zì）主開發的磨削應用軟件，采用圖形化界麵，數據顯（xiǎn）示直觀，參數（shù）修改方便。該產品采用了“臥軸超（chāo）長徑比深孔內圓（yuán）磨削裝置”（200520046922.2）、“內（nèi）圓磨床工件（jiàn）在（zài）線自動測量裝置（zhì）”（201110425127.4）、“數控內圓複合磨床”（201130487447.3）、“適用於工件與頭架中心線的對齊裝置”（201822228338.9）、“深孔內圓磨具（jù）的密封結構（gòu）”（201911080526.4）等發明和實用（yòng）新型專利技術。H124數控深（shēn）孔（kǒng）內圓磨床產品實現了大長徑比深孔高精度數控（kòng）加工零的突破，開創了國產大（dà）型飛機起落架（jià）高精加工的新篇章。
該機床產品實現了顯著的應（yīng）用效果，其加工精（jīng）度、加工範圍等均達到（dào）了國際先進水平，該產品主要技（jì）術（shù）參數如表2所示：
表 2
三、新技術研發及應用（yòng）
1.高剛度高精度深孔（kǒng）內圓磨具研發與應用
（1）深（shēn）孔內圓磨具試驗模態（tài）分析
上海機床廠有限（xiàn）公司傳統內圓磨具存在磨削精度不高、工件表麵易出現振紋、剛性不足導致大進（jìn）刀量磨（mó）削時磨杆跳動嚴重等問（wèn）題，滿足不了越來越苛刻的現代化產業配套（tào）需求。在此（cǐ）情況下，需（xū）要摒棄以往設計時采用的（de）經驗法、類比法，引入動態設計、虛擬樣機、實驗分析等高級分析與仿真手（shǒu）段對新設計進（jìn）行指（zhǐ）導。上機公司首先通過實驗振動分析技術，獲（huò）得原有內圓磨具工作時的聲學信號並提取出振動模態信（xìn）息（xī）。
圖2 內圓磨具試（shì）驗模態測試
選取多個典型內圓（yuán）磨具，采用響應點移動-激勵點固定的錘擊法對（duì）磨（mó）具進行模（mó）態測試，測量磨杆X、Y、Z三個方（fāng）向的振動響應。通過消除激勵和響應信號的（de）噪聲幹擾（rǎo），對處理後的信（xìn）號做模態（tài）參數辨識，提取分析帶寬內所關心的（de）固有頻率和模態阻尼比，並且由傳感器所（suǒ）測位置的加（jiā）速度時域響應得出RMS以表征振動能（néng）量密度，由加速度兩次積（jī）分得出X、Z向（切向和法向，對磨削精度影響較大）的合位移，即（jí）隨轉速變化的振動（dòng）偏心距。
圖3 一組磨具（jù）的頻（pín）響函數（FRF）
（2）深（shēn）孔內圓磨具靜態、動態優化設（shè）計（jì）
上海機床廠有（yǒu）限公（gōng）司在實驗分析的（de）基礎上，在新結構深孔內圓磨具的設計過（guò）程中引（yǐn）入有限元（yuán）方法的靜（jìng）力學分析、模態分析、諧響應分析及正交優化，結合先前數據檢驗CAE分析的合（hé）理性，最終得出新結構磨具的工程設計和同類（lèi）型磨具的仿真優化方法。
內圓磨具靜剛（gāng）度反映磨具抵抗自重和靜態（tài）外載荷的（de）能力，與負荷能力（lì）和抗振性（xìng）能密切（qiē）相關，長懸伸量磨杆的首要參數為磨杆的彎曲剛度。通過材（cái）料力學方法將磨杆近似簡化為一個懸（xuán）臂梁（liáng），得出磨杆靜置時最大撓度和靜剛度，並利用（yòng）有限元分析方法得出最大位移。
圖4 一型內圓磨（mó）具一階模態振型
內圓磨具動（dòng）態特性是（shì）影響內圓（yuán）磨床加工質量和磨削能力的最主要參數，內圓磨具的動剛度是其抵抗受（shòu）迫和自激振（zhèn）動（dòng）的（de）能力。利用有限元法將連續體問（wèn）題（tí）轉化（huà）為有限彈性體單自由度振動的疊加問題，計算零件線性接觸條件下內圓磨具前10階模態振型及共振頻率（lǜ）。采（cǎi）用諧響應分析確定低階共振頻率下由主要激振力（磨削力）引起（qǐ）的峰值響（xiǎng）應和響應範圍。
在靜態（tài）、動態仿真的基礎上，設置磨杆偏心套筒的長度（dù）為優化變量，使用正交優化方式（shì）取得以靜態、動態最小變形量為目標的最優偏（piān）心套筒長（zhǎng）度。
圖5 正交法優化偏（piān）心套筒長（zhǎng）度
（3）深孔（kǒng）內圓磨具中新型阻（zǔ）尼（ní）材料的應用
基於模態分析得出，磨具動（dòng）剛度對比靜剛度有大幅下降，動態特性是（shì）影響磨具工作精度的主要因素（sù）。因此，在對（duì）結構作出優化的同時，選用了多種振動抑製新技術（shù）吸收運轉過程中激發的振動能量，達到提高主軸（zhóu）動態（tài）性能的效果。
主軸前端法蘭盤原材（cái）料為45鋼，考慮砂（shā）輪磨削工件過程中引起的再生顫振波會（huì）沿此零件傳遞，需要增大阻尼抑製振動，上海（hǎi）機床廠采用了高猛基阻尼合金（Mn73Cu20Ni5Fe2）這一新型材料進行替代。高（gāo）錳（měng）基阻尼合金是一種具有獨特減振效果的孿生雙晶型阻尼合（hé）金，在合金通過（guò）熱處理的高溫緩冷過程中,因尼爾轉變和馬氏體相變而產（chǎn）生大量高密度孿晶亞結構。當有（yǒu）外力作用時，由於顯微孿晶界的移動（dòng）和（hé）磁矩的偏轉而吸收外部能量，從（cóng）而使應力衰減，起到很好（hǎo）的減振效（xiào）應，同時具有良好的力學性能和切削性能，是一種很（hěn）適合精密剛性連接的減振材料。上海機床廠首次將高錳基阻尼合金應用到了磨床磨具中，經過實（shí）測，改（gǎi）進後的前端法（fǎ）蘭盤有效抑製了砂（shā）輪的再生顫振。
（4）基於（yú）熱（rè）力學分析的電主軸式深孔內圓磨具開發
電主軸式（shì）內圓磨具省去了皮帶、聯軸（zhóu）器等傳動（dòng）環節，將主軸傳動鏈長（zhǎng）度縮短至零（líng），因此回轉（zhuǎn）精度高，穩定性好，省去（qù）了長軸傳動，更易使（shǐ）結構動剛度增加減少振動。但電主軸在高速運（yùn）轉時電機（jī）定轉子損耗會產生大（dà）量的熱（rè），由（yóu）於內圓（yuán）磨具空間狹（xiá）小熱量不易排（pái）出，加上軸承及磨削發熱，過量（liàng）的熱量會直接影響電主軸磨（mó）具的工作精度，因此有必要對電主軸式內圓磨具的熱（rè）特性和（hé）冷卻方式加以優化。
上海機床廠有限公司基於CAE分析技術（shù），確定了主軸（zhóu）電機定子的發熱、主軸軸承的發熱以及電機發熱引起軸承熱（rè）變形對內圓磨具回轉精度的影響。通過分析結果指導（dǎo）設計，優化了電主軸後端冷卻水通（tōng）流流路和電機定子冷卻水套結構形狀，實現（xiàn）同等空間內大（dà）幅減小了冷卻水在磨具內部的沿程水頭損失，增大了換熱效率。同時（shí）采取在套筒偏心（xīn）側加裝冷卻，在不改變磨削最小孔徑的同時具備了兩路冷卻同時對（duì）磨（mó）削位置噴射（shè）磨削液，提高了被磨工件的表麵加工質量。
圖6 前端軸承（chéng）溫度雲圖
（5）深孔內圓磨具的高性能密封結構（gòu）
深孔加工時磨（mó）具工作環境惡劣，尤其在加工不通孔時，磨削過程中產生的脫落磨粒、金（jīn）屬粉末以及高壓磨削液容易進入主軸軸係，影響內圓磨具的使用壽命和磨削精（jīng）度。為了（le）解決上述問題，上海機（jī）床廠有限公司研發了交錯式（shì）迷宮密封和端部氣密封一體式密封結構。砂輪（lún）法蘭盤內表麵設（shè）置的環形腔和端蓋形成徑向帶角度迷宮密封，起（qǐ）到阻止雜質進入軸係的第一道密封；同時在砂輪（lún）法蘭盤和（hé）端（duān）蓋迷宮密封（fēng）中間設置氣密封，氣體通過套筒上設置的（de）徑向（xiàng）氣密（mì）封接（jiē）頭管螺紋和端蓋上的通孔形成氣體通道，向砂輪（lún）法蘭盤內表麵設（shè）置的環形腔供氣（qì），起（qǐ）到防止冷卻（què）液和雜質進入軸係的第二道密封；主軸上鎖緊螺母外突起（qǐ）與端蓋內突起形成台階式迷宮（gōng）密封，迷宮式密封的軸向間隙控製在0.5~0.8 mm之內，直徑間隙控製在（zài）0.25~0.5 mm之內。它（tā）們是防止冷（lěng）卻液和雜質進入軸係的第三道密（mì）封；端蓋和套筒之（zhī）間設置O型圈密封（fēng），是防止冷卻液進入軸係（xì）的第四道密封。這（zhè）種新結構保證了在空間位置（zhì）受限的內圓磨具端部設置多（duō）種形式複合密封，大大延長了深孔（kǒng）內（nèi）圓磨具的使用壽命。
圖7 深孔內圓磨具密封結構
2.機床結（jié）構設（shè）計
H124數控深孔內圓磨床在（zài）布局上考慮了飛機起落架、軌道車輪、高精度機床主軸等典型工件工藝（yì）要求，整機通過靜、動態分析優化床身和砂輪架結構，減少結構環中運動部件質量和結合（hé）部數目，加強傳動鏈剛性。綜合（hé）考慮後機床（chuáng）采用臥（wò）式馬鞍布局，工作台作縱向往複運動、砂輪架作橫向進給運動，墊板、砂輪架、內圓磨具等橫跨在工（gōng）作台（tái）床身導軌的右上方；工件床身與磨頭床身為一（yī）體，呈T型結構；工作台采用上下（xià）雙層結構（gòu），可進行回轉微調，縱（zòng）向運動由伺服電（diàn）機驅動，通過滾珠絲杆傳動；運動導軌為平、V滑動導軌；工件由四爪卡盤（pán）夾持，閉式中（zhōng）心架支承；墊板導軌采用高剛性直線滾動導軌。
圖8 H124機床三維（wéi）機械本體模型（xíng）
四、成果應用（yòng）及推廣情況
H124數（shù）控深孔內圓磨床已在國內多家用戶企（qǐ）業得到了廣泛應（yīng）用，得到了一致認（rèn）可，整機性能達到國外一流品（pǐn）牌同類磨（mó）床水平，在同規格工件磨削深度方麵已超出國外磨床品牌水平。這（zhè）些用戶企業均（jun1）為國內飛機起（qǐ）落架生產的龍頭企業，負責生產多型軍用及民用飛機起落架。隨著國產航空航天事業進一步高端化、規模化（huà），國產大型客機（jī）配套產業（yè）的逐漸起步，H124機床（chuáng）在未來擁有廣闊的（de）市場（chǎng）前（qián）景，填補了國內高精度深（shēn）孔磨（mó）削技術的空白，提升（shēng）了我國高檔數控磨床的競爭力，全（quán）麵替代進口，促進航（háng）空工業及機床製造（zào）行業的同（tóng）步發展具（jù）有重（chóng）要的意義。該類深孔（kǒng）內（nèi）圓磨床，目前國外的（de）同類產品價（jià）格昂貴，H124數控深孔內圓磨床擁有性價比高等綜合性能，因此在國內市場有著很強（qiáng）的
競爭能（néng）力。
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