局部可重配置微小型車銑復合加工機床結(jié)構(gòu)設(shè)計*＊

李忠新 張之敬 金 鑫

(北京理工大學，北京 100081)

隨著微小型系統(tǒng)在航天航空、汽車、兵器、醫(yī)療器械等領(lǐng)域中越來越廣泛地應(yīng)用，如航空航天慣性部件、微小發(fā)動機、微小武器部件以及精密醫(yī)療器械等的微小型化、輕量化要求越來越高，對精密微小零件的制造技術(shù)提出了更高的要求。利用切削加工在結(jié)構(gòu)成形加工和可加工材料多樣性等方面的優(yōu)勢，結(jié)合微型工廠概念，通過機床微小型化以大規(guī)模并行方式搭建集成微型制造系統(tǒng)，將是一種經(jīng)濟可行的加工技術(shù)方法。

微細加工技術(shù)屬于精密加工范疇，是指制造微小尺寸零件或者大尺寸零件微功能結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)［1-2］。精密微小型車銑復合加工技術(shù)則是定位于復合加工的微細加工技術(shù)，是針對日益增多的精密微小復雜結(jié)構(gòu)件加工難題而發(fā)展起來的先進加工技術(shù)。在精密微小型車銑復合加工機床設(shè)計中引入局部可重配置概念［3］，在實現(xiàn)微小型零件完整加工的同時，使微小型機床同時具備加工零件變化快速響應(yīng)的能力。

1 精密微小型車銑復合加工機床總體技術(shù)

精密微小型車銑復合加工機床總體技術(shù)包括機械結(jié)構(gòu)總體技術(shù)、控制系統(tǒng)總體技術(shù)、可重配置模塊技術(shù)、精度控制技術(shù)、工藝數(shù)據(jù)管理技術(shù)等，如圖1 所示。

精密微小型車銑復合加工機床的機械結(jié)構(gòu)總體技術(shù)主要包括功能設(shè)計與實現(xiàn)、機床行程及加工范圍設(shè)計與實現(xiàn)等方面。其中，功能設(shè)計與實現(xiàn)主要指體現(xiàn)機床加工能力的伺服驅(qū)動軸與進給軸、控制軸與聯(lián)動軸、關(guān)鍵功能模塊以及支撐輔助結(jié)構(gòu)等的設(shè)計技術(shù);機床行程及加工范圍設(shè)計與實現(xiàn)主要指機床整體結(jié)構(gòu)及各機械子結(jié)構(gòu)的空間布局技術(shù)。

精密微小型車銑復合加工機床的控制系統(tǒng)總體技術(shù)包括控制系統(tǒng)功能設(shè)計、控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計、軟定位與系統(tǒng)互鎖、控制系統(tǒng)精度控制與補償?shù)燃夹g(shù)。

精密微小型車銑復合加工機床的精度控制技術(shù)具體包括誤差建模技術(shù)、精度補償技術(shù)、機床與加工過程動態(tài)測試技術(shù)等。

2 局部可重配置精密微小型車銑復合加工機床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)精密微小型車銑復合加工機床的各項功能和技術(shù)指標，從以下方面考慮機械結(jié)構(gòu)總體方案:

2.1 功能的實現(xiàn)

機床本體包括X、Z、C 三個坐標軸，車削主軸沿Z軸布置，同時車削主軸具有繞Z 軸旋轉(zhuǎn)的功能，即C軸功能，且可實現(xiàn)無級分度定位。

采用模塊化設(shè)計，在機床縱橫溜板上設(shè)計Y 軸組件與數(shù)控轉(zhuǎn)臺(雙工位、B 軸)，且Y 軸組件能夠與機床其他軸聯(lián)動，Y 軸組件可配備銑削電主軸、磨削電主軸等動力主軸，使機床具備車、銑、車銑、車磨、鏜、鉆、鉸、攻絲等多種工藝手段的加工能力，從而實現(xiàn)對精密微小復雜結(jié)構(gòu)件的完整性加工。圖2 為配置銑削總成與自動換刀刀庫的微小型車銑復合加工中心布局。

2.2 機床行程和加工范圍

機床行程和加工范圍主要通過機床整體結(jié)構(gòu)與各功能模塊的設(shè)計和合理布局實現(xiàn)。圖3 所示為4 軸精密微小型車銑復合加工機床的機床行程與加工范圍布局。

4 軸精密微小型車銑復合加工機床主要用于加工以下結(jié)構(gòu)或工件:

(1)直徑為φ0.1～25 mm 的軸類工件。

(2)典型微細結(jié)構(gòu)，如截面尺寸為0.1 mm ×0.1 mm、長度L≥1 mm 的方軸。

(3)幾何尺寸為0.1 mm×0.1 mm ×0.1 mm～50 mm×30 mm×50 mm 工件的銑削加工。

3 局部可重配置精密微小型車銑復合加工機床主要功能組件設(shè)計

3.1 復合加工機床本體

考慮現(xiàn)有機床的技術(shù)成熟性、精密微小型車銑復合加工機床的技術(shù)指標要求和設(shè)計加工成本，局部可重配置精密微小型車銑復合加工機床的機床本體選用小型精密CNC 刀塔式車床KNC -50FS 本體結(jié)構(gòu)，具有以下設(shè)計特征或要求:

(1)具有X、Z 向移動滑臺，X 向行程320 mm，Z向行程270 mm。

(2)可加工工件直徑范圍:φ0.1～25 mm;最大加工長度100 mm。

(2)具有車削功能(數(shù)控刀架)，同時車削主軸具有繞Z 軸旋轉(zhuǎn)的功能，即C 軸功能，可無級分度。

(3)X、Z 軸的重復定位精度在±0.003 mm 范圍內(nèi)。

(4)復合加工機床主體導軌具備大的承重能力，以便在主體結(jié)構(gòu)上安裝其他功能模塊。

3.2 銑削總成

銑削總成(Y 軸總成)，作為一個完整功能模塊，與其他功能模塊共同組合構(gòu)成局部可重配置精密微小型車銑復合加工機床，可實現(xiàn)徑向銑圓、銑平面、連續(xù)輪廓銑削、鉆孔、端面銑槽等加工操作。

銑削總成采用機械Y 軸結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，主要有以下考慮:一是機械Y 軸方式的銑削總成，靠機械保證y 坐標與x、z 坐標垂直關(guān)系，可達到較高精度;二是機械Y 軸結(jié)構(gòu)，可以將動力刀架總成安裝在Y 軸立柱上，使切削時的負荷由基準導軌面來承受，能夠進行高剛性的切削，相對獨立的刀架總成可以使用高轉(zhuǎn)速的電主軸，易于實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速切削;三是考慮到機械Y 軸結(jié)構(gòu)機床所需要的結(jié)構(gòu)尺寸較其他類型Y 軸結(jié)構(gòu)相比更為龐大，因此根據(jù)微小型車銑復合機床的本體結(jié)構(gòu)與空間布局以及銑削總成自身結(jié)構(gòu)特點，銑削總成Y 軸行程設(shè)計為±30 mm，能夠滿足微小型車銑復合機床的微小型零件加工需求。

銑削總成工作原理如圖4 所示。立柱通過轉(zhuǎn)臺固定在機床X 軸滑板上，伺服電動機通過同步帶傳動驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動溜板向上(Y 軸正向)或向下(Y軸負向)運動實現(xiàn)Y 軸的進給運動，銑削電主軸通過電主軸座固定在Y 軸溜板上，電主軸的高速旋轉(zhuǎn)為切削的主運動，與X、Y 軸的進給運動合成實現(xiàn)對工件的銑削加工。

銑削總成采用洛陽軸承所研制的Φ80 mm 動力電主軸，其最高轉(zhuǎn)速達45 000 r/min，最大裝夾銑刀直徑φ7 mm;進給系統(tǒng)動力源為FANUC β4/4000is 伺服電動機，通過同步帶傳動將動力傳輸至THK 公司的DIK1605 -6RRG0 +245LC1 滾珠絲杠副，驅(qū)動燕尾滑軌結(jié)構(gòu)完成Y 軸進給;經(jīng)檢測，銑削總成全行程(±30 mm)內(nèi)定位精度＜0.003 mm，重復定位精度不超過±0.001 5 mm，滿足設(shè)計要求。

3.3 雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺

為實現(xiàn)曲面的加工以及在外圓上的銑槽、鏜、鉸和鉆孔等加工，設(shè)計了雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺，如圖5 所示。該數(shù)控轉(zhuǎn)臺可在0°～90°之間選擇，并保證0°與90°兩個工位的精確定位與鎖緊。數(shù)控轉(zhuǎn)臺安裝在銑削總成的下方，使銑削總成能夠?qū)崿F(xiàn)0°與90°兩個位置的定位與加工。雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺采用齒輪齒條傳動方法，氣缸推動齒條與齒輪嚙合帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺臺面轉(zhuǎn)動;同時為保證旋轉(zhuǎn)定位精度、重復定位精度采用了在轉(zhuǎn)臺的0°與90°兩工位上設(shè)計擋塊機構(gòu)，配合氣動執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺的定位和夾緊。受到精密微小型車銑復合加工機床空間尺寸和銑削總成的行程設(shè)計要求限制，雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺小型化要求較高，其整體高度(轉(zhuǎn)臺安裝底面至轉(zhuǎn)臺工作臺面距離)僅為80 mm，屬于超薄型數(shù)控轉(zhuǎn)臺，端面跳動±0.003 mm，定位精度±10 〞。

3.4 YB 軸組件

銑削總成、雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺均作為具備可重配置微小型車銑復合加工機床的獨立功能模塊，同時將兩個獨立功能模塊進一步改進設(shè)計與集成，又形成了新的完整功能模塊YB 軸組件，如圖6 所示。

YB 軸組件相比于銑削總成、雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺，技術(shù)水平得到了進一步的提高，功能也更加集成和完善。與銑削總成、雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺相比，YB 軸組件在設(shè)計上進行了如下改進:

(1)YB 軸組件使用直線導軌代替原銑削總成中的燕尾導軌，從機械結(jié)構(gòu)角度提高了YB 軸組件的整體傳動精度。

(2)將機床本體的數(shù)控車刀架功能集成到Y(jié)B 軸組件中，豐富和加強了YB 軸組件的功能與加工能力。

(3)數(shù)控轉(zhuǎn)臺功能升級，具備了B 軸功能，可實現(xiàn)任意角度的無級分度、轉(zhuǎn)動和定位;新型轉(zhuǎn)臺的鎖緊機構(gòu)采用氣動鉗夾技術(shù)，選用了產(chǎn)于德國的氣動鉗夾機構(gòu)，其鎖緊力矩達140 N·m，可以滿足定位與YB 軸組件加工狀態(tài)對數(shù)控轉(zhuǎn)臺的鎖緊要求。

4 精密微小型復合加工機床的局部可重配置性

表1 可重配置機床相關(guān)幾何精度檢測表

復合加工機床本體、銑削總成、雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺、YB 軸組件、自動換刀刀庫等功能模塊共同組成了局部可重配置微小型車銑復合加工機床的可重配置功能模塊庫，通過不同功能模塊的有機配置，結(jié)合控制系統(tǒng)等技術(shù)可構(gòu)建不同的精密微小型車銑復合加工機床，以適應(yīng)不同的工件加工要求和復合加工機床功能要求。

圖7 為由機床本體、銑削總成、雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺等主要機械功能模塊構(gòu)建的4 軸微小型車銑復合加工機床，其主要幾何精度檢測項目和檢測結(jié)果如表1 所示。

由機床本體、YB 軸組件等主要機械功能模塊則可構(gòu)建5 軸精密微小型車銑復合加工機床。精密微小型車銑復合加工機床均留有自動換刀刀庫的機械與控制接口，配置自動換刀刀庫功能模塊后，即可升級為4 軸精密微小型車銑復合加工中心或5 軸精密微小型車銑復合加工中心，如表2 所示。

表2 局部可重配置復合加工機床主要機械功能模塊配置表

局部可重配置車銑復合加工機床配置不同的功能模塊或電主軸，將具備不同的加工工藝能力，如表3所示。

表3 局部可重配置微小型車銑復合加工機床工藝能力分析

5 結(jié)語

為了進一步驗證精密微小型車銑復合加工機床的加工能力，利用研制的4 軸與5 軸精密微小型車銑復合加工機床進行了微細軸、球頭軸、微小渦輪、微小乒乓球拍、微小神七模型、撓性接頭等典型微小工件的加工實驗。局部可重配置微小型車銑復合加工機床不僅具備了精密微小復雜結(jié)構(gòu)件的完整加工能力，同時能夠保證精密微小復雜結(jié)構(gòu)件的加工精度，是精密微小復雜結(jié)構(gòu)件加工的可靠工藝手段之一。

［1］袁哲俊，王先逵.精密和超精密加工技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1999.

［2］王先逵.精密復合加工技術(shù)［J］.現(xiàn)代制造工程，2012(2):1 -6.

［3］Zhang Zhijing，Zhou Min，Yuan Wei，et al.Modeling of local -scale RMT for mesoscale turn -milling technology［M］.Wuxi:IEEE，2010:312 -315.