大規格精密數控車削中心的研究開發

張愛華，張志英

（南京數控機床有限公司，江蘇南京 211100）

0 引言

我國數控機床經過30多年的發展，已經形成了較為完整的系列，品種、規格、檔次都有很大的提高，但高速、高精密、柔性化、復合化、環保和智能化的數控機床仍是數控機床未來發展的趨勢。。

南京數控機床公司在研發高速、高精度數控車床和車削中心有一定的經驗，而且與國際同類產品相比，產品具有很高的性價比，根據市場的信息反饋，對一些精度高、特別是一些零件自身有偏心孔、槽、平面，并且有相互關系，要求一次裝夾完成加工，此時二軸聯動的數控車床就無法滿足。顧客如用數控車床加其他的鉆、銑床多臺機床加工，或用C軸分度精度較低的第一代、第二代車削中心加工，精度、效率均達不到要求。調研發現，國內一些軍工企業在加工一些航空、航天所需精密零件，因其形狀復雜、精度達IT5級、角度誤差在15"以內、粗糙度在Ra0.8以上，國內數控車削中心基本無法達到要求，大中型規格的精密數控車削中心機床在加工新型導彈的伺服裝置的關鍵件領域也有很大的市場需求，在國際上也將有很強的市場競爭力。

為了滿足市場的需求，同時促進大規格精密數控車削中心的技術進步，公司在2010年申報“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項課題，并獲批準立項，開展課題產品CKH1463S/1500型精密數控車削中心的相關研究與應用。

1 整體結構方案（圖1）

圖1 機床整體結構方案

產品x，z，c三軸聯動，全閉環控制。主傳動采用德國西門子（SIEMENS）公司生產的電主軸，將機床主軸與主軸電動機融為一體的新技術，主軸電動機矢量控制、交流伺服控制，分度定位精度高，在全部轉速范圍內具有更大的扭矩和更高的功率，快速啟動、停止，使主軸具備連續分度和準停功能。采用SIEMENS數控系統。兩拖板采用交流伺服電動機與滾珠絲桿驅動，兩軸絲杠均預加負荷;采用A211號主軸，精密主軸組經精確動平衡，精度高、剛性好;主軸軸承采用進口成組預加負荷高速球軸承，內填進口長效潤滑脂，10年不需更換;主軸箱采用熱對稱結構，主軸受熱時軸線不會發生偏移，同時采用循環冷卻方式將由于電主軸產生的熱量帶走;液壓動力夾緊裝置;整體鑄造床身底座，后置傾斜;采用線性滾動導軌，具有較好的動態特性;后置進口12工位刀架可配各種動力刀具，可完成徑向偏心孔、平面的鉆、銑等功能;機床采用模塊化設計，可配置帶B軸的動力刀架，實現真正意義上的銑削功能;液壓動力尾座。該機床能對零件的內外圓、端面進行車削加工，還可以加工各種螺紋，鉆、鉸、鏜孔以及徑向偏心孔、平面的鉆、銑等。既適用于盤類零件加工，也適用于軸類零件加工，尤其適用于形狀復雜、精度高、多工序、品種多變的單件或批量生產。該機床可廣泛應用于航空航天、船舶、汽車、發電設備、精密模具、軍工等行業。

2 CKH1463S/1500型主要技術參數

床身上最大回轉直徑d700

床身上最大車削直徑d630

拖板上最大車削直徑d440

最大車削長度 1 500

刀架縱向行程 1 550

刀架橫向行程 330

電主軸功率（AC）kW 23.6/33

主軸最高轉速r/min 5 000

主軸頭部尺寸 GB5900.1－1997－A211

回轉刀架工位 12

動力刀具工位 12

動力刀具最高轉速（r/min） 10 000

相鄰刀位換刀時間/S 1

外圓刀桿尺寸 32×32

內孔刀具刀桿直徑d50

兩軸快速進給速度x/z（m/min） 36/36

尾架套筒 MK5

尾架套筒直徑/行程d115/130

c軸最小分辯率 0.001°

c軸重復定位精度 12″

c軸定位精度 24″

x/z軸重復定位精度 0.003

x/z軸定位精度 0.006

主軸徑向跳動 0.000 5

主軸軸向跳動 0.001

機床質量 9 000 kg

機床外形尺寸（長×寬×高）

4 210 mm ×2 171 mm ×1 954 mm

3 主要解決的技術難點

3.1 高速主軸（5 000 r/min）系統主軸回轉精度（徑向跳動≤0.000 5 mm，端面跳動≤0.001 mm）的控制技術

1）高速高精度主軸回轉系統結構、摩擦磨損、冷卻潤滑、配合、預緊、溫控、軸承選擇等優化，對主軸箱體進行有限元分析，優化結構，同時對主軸硬件系統采取措施，保證高速主軸系統實際達到的水平與理論分析一致。

2）主軸系統選用P2級高速球軸承。

3）提高主軸箱體的加工精度。

4）提高主軸的加工精度。

5）提高主軸組動平衡精度等級，達到G0.4級，以保證主軸在高速運轉時平穩可靠。

3.2 電主軸系統熱平衡、整機熱變形控制和補償技術

1）建立機床整機熱平衡溫度場模型，研究機床主要發熱部件引起的熱應力變化對加工精度的影響程度，提出控制及補償策略。

2）以主軸部件穩態熱分析的溫度場為依據，在箱體上合理布置散熱筋，以達到散熱均勻，減小主軸的熱變形。

3）對整機的溫度場進行分析，對關鍵部位，如電主軸進行溫度控制，保持22℃±2℃，減少因高速產生的熱變形對機床精度的影響。

4）采用油霧潤滑方式對主軸軸承強制冷卻潤滑。

3.3 高速回轉主軸動平衡技術和制動控制技術

1）通過提高主軸組動平衡精度要求（G0.4級），從而保證主軸在高速運轉時平穩可靠。

2）c軸采用阻尼制動控制技術，聯動銑削時處于阻尼狀態，定位銑削時處于制動狀態，保證銑削的平穩性。

3.4 伺服參數優化技術

重點對伺服增益、伺服響應時間常數等參數進行優化，以滿足機床要求。

3.5 微量進給技術

x，z軸全閉環控制，采用高精度光柵尺作位置環檢測元件，同時利用系統的分頻，一方面提高伺服系統傳動裝置的精度，另一方面滿足機床微量進給的要求，x，z軸分辨率達到0.000 1 mm。

3.6 y軸設計制造技術

1）聯動銑削時處于阻尼狀態。

2）定位銑削時處于制動狀態。

3）可以完成徑向偏心孔、平面的鉆銑功能。

3.7 整機減振隔振技術

1）利用有限元分析技術，建立機床整機模態分析模型。

2）結合試驗模態測試結果矯正上述模型，進而設計出合理的隔振裝置，一些結合面安裝隔振裝置。

3）采取必要的減振措施，對關鍵部件進行測試，在其內部填充減振物，提高其固有共振頻率，將由于振動對機床精度影響的因素降低到最小。

3.8 整機動態性能分析和優化設計技術

利用有限元分析，對機床基礎件、部件和整機的靜、動態參數優化、結構修改和動態優化設計，同時對機床部件和整機的靜、動態特性模態試驗與分析，改進不合理的結構，實現加工精度的最優化設計方案。

3.9 開展可靠性增長研究

1）對關鍵技術從理論分析入手，分析機床精度保持與動態性能、振動、熱變形的關系。

2）對關鍵基礎件通過試驗，掌握使用壽命與承載能力的關系。

3）與國內主要功能部件生產廠家合作研究，選用高可靠性、高品質的配套件。

4）通過可靠性工藝設計，對機床零部件加工品質、機床裝配品質、檢測技術和配套件品質進行控制和規范。

4 主要技術創新點研究

1）運用有限元分析技術進行機床模態分析、溫度場分析及優化設計，機床整機具有足夠的剛性及防振性，同時對溫度補償提出策略。

2）c軸阻尼制動控制技術，聯動銑削時處于阻尼狀態，定位銑削時處于制動狀態，保證銑削的平穩性。

3）采用帶阻尼制動重載直線滾柱導軌，具有較好的動態特性，提高伺服系統傳動裝置的精度。

4）主軸軸承采用成組預加負荷高速球軸承，精密主軸組經精確動平衡，能實現主軸高速回轉，高精度及高剛性。

5）主傳動采用內藏電動機式主軸，通過高精度反饋元件實現閉環控制。

6）主軸箱采用熱對稱結構，主軸受熱時軸線不會發生偏移;電主軸采用強制冷卻，溫度控制22℃ ±2℃。

5 結語

經過兩年的研究開發，大規格精密數控車削中心的研究開發已取得階段性成果，完成了課題產品CKH1463S/1500型精密數控車削中心的試造，技術指標基本符合課題合同指標要求。課題產品CKH1463S/1500型精密數控車削中心，已經先后參加了2011年北京國際機床展覽會和2012年南京機床展覽會兩屆機床展覽會的展出，受到觀眾及與會代表們的好評。另配置國產數控系統及配套件的課題產品CKH1463S/1500已設計開發完成，目前正在試造中。

課題產品CKH1463S/1500型精密數控車削中心實物圖片如圖2所示。

圖2 CKH1463S/1500型精密數控車削中心

［1］“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項課題任務合同書大規格精密數控車床和車削中心系列化產品研究與應用.南京數控機床有限公司，2010.

［2］國家標準機床主軸端部與花盤互換性尺寸.中國標準出版社，2009.

［3］HEIDENHAIN角度編碼器.海德漢（中國）有限公司，2003.

［4］FAG滾動軸承.FAG中國有限公司，2002.

［5］同飛制冷綜合樣本.同飛制冷設備有限公司，2011.