【摘 要（yào）】 針對傳統（tǒng）航空發動機機匣加工設（shè）備的不足和機匣自身的幾何結（jié）構特點，研發龍門式雙主軸銑削加工中心，其立式、臥式雙主（zhǔ）軸呈正交、共麵布置，采用華中（zhōng）8型雙通（tōng）道數控係統，具有七坐標五聯動加工功（gōng）能（néng），可實現雙主軸同（tóng）步加工和（hé）大功率寬行切削。該（gāi）加工中心的成功研（yán）製與實際切削結果表明：可有效地簡化（huà）加工（gōng）工藝，減少機匣裝夾次數，增大切（qiē）削用量（liàng），使機匣的加工時間減少了2/3左右。
 
      【關鍵詞】 航空發動（dòng）機機匣；雙主軸；雙通道數控係統；華中8型
 
      航空（kōng）發動機在我國國防工業中占據極其（qí）重要地位，國家已將其列為重大專項工程並提升（shēng）到國家戰略層麵。航空發動機機匣是發動（dòng）機的重（chóng）要承（chéng）力部件，其內部安裝有主軸、葉片以及各種連接附件，是整個發動機的基（jī）座[1]。機匣具有外形複（fù）雜、壁（bì）薄、材料難（nán）加工和加工精（jīng）度高等特征[2]，國內對機匣一般采用立式車床、三軸加工中（zhōng）心、五軸加工中心三類機床進行加工，該機匣加工工藝複雜，需在多台設備上反複裝夾，導致其加工時間較長、易產生（shēng）安裝誤差等問題。
 
       針對我國航空發動機機匣加工技術的（de）不足和對專用加工設備的現實需求，我們研製了高剛性、大（dà）功率雙主軸銑削加工中心，旨在提高（gāo）我（wǒ）國航空發動機機匣專用設備的技術與（yǔ）應用水平，滿足國家航空戰（zhàn）略發展計劃的迫（pò）切要求。
 
      1 、加工中心的總體布局與技（jì）術參數
 
      1.1 加工中心的總（zǒng）體布局
   
      如圖 1 所示，雙主軸銑削加工中心采用立柱龍門式框架結構，設置有立式、臥式兩個切削主軸，立式主軸位於橫（héng）梁滑鞍上（shàng），臥式主軸位於右（yòu）側立柱滑鞍上，形（xíng）成（chéng）兩個獨立的十字滑台。機床工作台上安裝有搖籃式旋轉台，該旋轉台可帶動工件進行擺動與回轉運動，與切削主（zhǔ）軸完成（chéng）法向切削[3]  。該加（jiā）工中心具有5個直線運動軸、2個旋轉運動軸，即立（lì）式與臥式主軸各具（jù）備兩個直線軸Y1、Z1、Y2、Z2，工作台的X軸，以及工作台上搖籃擺動（dòng）軸A、工件旋轉軸（zhóu）C。當（dāng）進行銑削加工時，全部直線軸與兩個回轉（zhuǎn）台均有可能參與聯（lián）動（dòng），完成特定（dìng）的法向或特定姿態加工。

      1-橫（héng）梁；2-臥軸（zhóu）；3-龍門立柱（zhù）；4-工作（zuò）台；5-搖（yáo）籃式旋轉台；6-機匣零（líng）件；7-立軸
     圖1 龍門式雙主軸銑削加工中心

  
      該加工中心是（shì）根據航（háng）空（kōng）發動機機（jī）匣的幾何結構特性以及70%以上的材料去除率、難加（jiā）工的鎳基高溫合金材料等工藝特點（diǎn）而（ér）研（yán）製的（de）專（zhuān）用機床。龍門（mén）式（shì）框架結（jié）構具有良好的（de）剛度，能夠滿（mǎn）足大功率切削需求，立式、臥式雙主軸既可實現機匣的對稱加工，也（yě）可分別對機匣同一部位的（de）內壁與外型進行（háng）同步加工，不僅極大地提高加工效率，而且還能夠有效地減少加工（gōng）變形。加工中心立式和臥式主軸（zhóu）的滑（huá）鞍與（yǔ）導（dǎo）軌連接均采用滾（gǔn）動、滑動複合導軌，在保證低速進給特性前提下增強導軌的承載能力（lì）；各直線驅動軸均采用重（chóng）載（zǎi）高剛度滾珠絲杠，提高機床各（gè）軸的定位精度；兩個回轉軸均選用具有軸向（xiàng）、徑向雙向（xiàng）支撐的專用軸承，增加轉台的穩定性，C軸轉台采用力矩電機直（zhí）驅式（shì）設計；立臥雙（shuāng）主軸均采（cǎi）用液壓重（chóng）力（lì）平衡（héng）裝置，提高機床穩定性（xìng）。
 
 
      1.2 加工中心的（de）主要技術參數
 
     雙主軸銑削加工中心的主要技術參（cān）數包括：
 
（1）聯動軸（zhóu）數（shù）：雙通（tōng）道七軸聯動。
（2）行程（chéng）與（yǔ）定位精度：
工作台行程(X)：2200mm；
立式（shì）主軸行程(Y1*Z1)：2650mm*1000mm；
臥式主軸行程(Y2*Z2)：450mm*700mm；
X/Y/Z定位精度：≤0.01/0.01/0.01mm。
（3）搖籃式旋轉台：
擺動行（háng）程(A軸)：±115º；
回（huí）轉行程(C軸)：360º；
轉台最高轉速：11.1r/min；
轉台（tái）連（lián）續回轉（zhuǎn）扭矩（jǔ）：3800Nm；
轉台鎖（suǒ）緊扭矩：6500Nm。
（4）立式、臥（wò）式主軸功率和扭矩：
立式主軸最高轉速：2500rpm（無級）；
臥式主（zhǔ）軸最高轉速：4500rpm（無級（jí））；
立式主（zhǔ）軸最大功率/扭矩（jǔ）：75kw/2000Nm；
臥式主軸（zhóu）最大功率/扭矩：37kw/500Nm。
（5）刀（dāo）庫形式（shì）：
雙鏈式獨立刀庫，分置（zhì）於龍門兩側，立式主軸（zhóu）刀庫為立（lì）臥式換刀刀庫（kù），臥式主軸刀庫為滑軌換刀式刀庫。
 
      2 、數（shù）控係統的體係結構
 
      2.1 硬件體係結構
 
      本係統選用的是華中8型全數字高檔數控係統，是一種（zhǒng）基於多（duō）處理器（qì）的開放式、總線式(NCUC)數控係統硬件體係結構，如圖2所示，它主要由IPC單元、HMI單（dān）元、HIO單元、HSV單元等構成。
 
     IPC 單元為嵌（qiàn）入式工（gōng）業計算機（jī）模塊，可運行 Windows 和Linux操作係統，兩（liǎng）個IPC單元構成主、從雙處理器結構，分別實現立軸、臥軸兩通道的控製（zhì）功能；人機交互單元HMI包括顯示、鍵盤和（hé）操作麵板；HIO單元是外部輸入/輸（shū）出接（jiē）口，通過總線方式實現與外部開關量、傳（chuán）感器（qì）的連接；HSV-180U交流伺服驅動單元（yuán）實現與數控裝置的高速（sù）數據交換。該數控係統采用分布式處理，支持多主結構，運（yùn）用FPGA+DSP技術實（shí）現數（shù）控係統的運動控製和邏輯控製，提升了係統（tǒng）的性能[4]。
  

  
      圖2 數（shù）控係統的（de）硬件體係結構

  
      2.2 雙通道並（bìng）行控製技術
 
     多通道（dào）並行控製技（jì）術可使（shǐ）用戶同時執行幾個程序，通過在幾（jǐ）個程（chéng）序間（jiān）的（de）信息交（jiāo）換來實現多（duō）任務的複（fù）雜控製。該係統中兩（liǎng）通道間機床軸(如通道2中Y2、Z2軸與（yǔ）通道1中的A、C軸)的同步並行實施方案采用的是主從通（tōng）道方式，即以通道1為主動通道，通道2為跟隨（suí）通道，根據工件的初始值絕對量和主動通道1的運動值，實時地計算出（chū）從動通道2的機床軸（zhóu）的（de）運動量進（jìn）行控製，通過共享插補數據緩存區，實現不同機床（chuáng）軸數據間的（de）同（tóng）步存取（qǔ），達到通道的重疊控製。
 
     在雙（shuāng）通道G代碼（mǎ）文件中（zhōng），每個加工文件必須與相關通道是一一對應的，並保（bǎo）證編程中所指定的受控通道編號必（bì）須與所選擇的通道號相一致。在華中8型數控係統中常用的通道控製（zhì）指令有[5]：通道（dào）啟動：G103 P p Q q，表示啟動通道 p 的指定程序 q，通道p采用二進製組合碼方式，通道1、2、3對應（yīng）的十進製值（zhí）分別為1、2、4；等待標記：G104 P p L l，表示（shì）通（tōng）道p進入標記號為l的等待（dài）狀態；等待標記：G105 P p，表示通道p的等待結束（shù）；雙通道（dào）程序示例如表1所示。
  

     表1 雙通道程序示例
  

  
     該代碼的具體執（zhí）行時序過程如（rú）圖3所示（shì）。
  
  

 
     圖3 雙通道程序的執（zhí）行時序圖（tú）

  
     3、 實際切削應用情況
 
     龍門式雙主軸銑削加工中心於2015年在湖北萬（wàn）盟數控機床集團有限公司加工、組裝、調試完成，為了檢驗（yàn）加工中（zhōng）心的性能，以 機（jī） 床 應 用 單 位 西 安 某 航 空 製 造 技 術 有 限 公 司 生 產（chǎn） 的1784M71P01型發動（dòng）機機匣進行（háng）實際加工，其材料為鎳基合金，如圖4所示。
  

 
  
     圖4 雙主軸銑削加工中心實切圖

    
     使用德國YEKL生產的D12R1圓（yuán）角刀具，采用外冷+吹氣的冷卻方式，對發動機機匣外型（xíng）上的梅花區域加工。通過單因素加工法對不同切削方（fāng）式、不同切削參數進行試切（qiē）對比後，獲得了最佳的切削參（cān）數，該切削參（cān）數與西（xī）航用（yòng）戶原切削參數的對比結果如表2所示。

  
     表2 切削參數對比

  
  
     通過實際切削效果（guǒ）和加（jiā）工數（shù）據可看（kàn）出：
 
     （1）用相（xiàng）同型號的刀具對鎳基高溫合金機（jī）匣加工，該加工中心最佳的切削深度達到了西航公（gōng）司目前現場使（shǐ）用的切削深度的2倍；
     （2）在相同的刀具轉速下，切削進給速度為西（xī）航公司現場（chǎng）使用的（de）1.6倍；
     （3）在最（zuì）佳（jiā）的切削參數條件下，刀具能夠連續加工90分鍾以上，刀具耐用度較（jiào）高；
     （4）機匣的銑削時間較西航公司目前現場用時減少了 2/3左右。
 
      這主要是（shì）由於該加工中心采用了雙立柱龍門式結構，機床的剛性好、功（gōng）率大，適合寬（kuān）行強力切削，而且大的切削（xuē）深度減小刀具對難（nán）加工合（hé）金材料的（de）擠壓變（biàn）形（xíng）；同時正交（jiāo）布置（zhì）的雙（shuāng）主軸加工中心隻需兩道銑削工序即（jí）可完成機匣的全部加工，有效地簡化了加工工藝，減少機匣裝夾次數，還具有雙主軸同步加工功能。
 
      4 、結束語
 
     針對航空發動（dòng）機高溫合（hé）金（jīn）、鈦合金機匣類零（líng）件難（nán）加（jiā）工的現實需求，在深入調查（chá）、分（fèn）析機（jī）匣類零件的幾何特（tè）性和薄壁件加工工藝基礎上，應用多通道（dào）多軸聯動數（shù）控加工技術，研發的雙主軸高（gāo）剛性七聯動加工（gōng）中（zhōng）心，實（shí）現了機匣的（de）大扭矩強力銑削、立式/臥式雙主軸同步加工，為國內航空（kōng）發動（dòng）機機匣類零件的（de）加工提供了從工藝到裝備的整體解決方案，在航空發動機製造行業起到示範作用，提升（shēng）我國航空發動機的自主（zhǔ）製造水平。
  

     來源：湖北文理學院機（jī）械（xiè）與（yǔ）汽車工程學院  襄陽華中科技大學先進製造（zào）工（gōng）程研（yán）究院， 湖北萬盟數控機（jī）床集團（tuán）有限公司