新型高速五軸聯動葉輪加工機床大件結構設計

郭聰聰

(上海拓璞數控科技有限公司，上海 201111)

0 引言

五軸機床是裝備制造業的重要工作母機，高檔數控機床與基礎制造裝備被我國列為《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020)》16個重大專項之一。高速、高精度、高剛度的五軸聯動機床在航空航天、汽車、新能源、科研和高精醫療設備等領域有著極其重要的應用。但是，由于五軸機床的運動環節多，其精度、剛度等指標一直制約著五軸機床的推廣應用[1]。本項目是針對葉輪的加工而研發設計的五軸聯動加工中心，并為提高其精度剛度以及運行速度等指標開展了一系列的研究工作。

1 機床結構的總體設計

1.1 整體布局

五軸機床有雙擺頭、單擺頭、單回轉臺和雙回轉臺等構型[2]，本文研究的五軸加工中心為龍門式雙回轉臺結構，且主要針對葉輪的加工，將刀庫置于龍門兩立柱之間，如圖1所示。該結構占用空間較小，結構緊湊，主要由電主軸、雙回轉臺、機床箱體、刀庫等結構組成。電主軸功率15kW，最高轉速40 000r/min,適合鋁合金的高速加工。雙回轉臺實現旋轉軸A、C軸的聯動，均采用力矩電機直接驅動，減少傳動間隙。安裝在龍門立柱上方的十字滑臺帶動刀具箱體及刀具實現x、y方向的運動，同時，刀具可以直線上下移動，即為z軸，形成3個直線軸。

1—龍門立柱；2—刀庫；3—十字滑板；4—主軸箱滑板； 5—電主軸箱體；6—雙回轉臺；7—機床底座圖1 機床整體結構圖

設計時將機床的刀庫、雙回轉臺等結構組件全部置于機床箱體上，機床箱體采用多筋板中空結構，在滿足機床剛度的前提下，盡量減輕質量。3個直線軸的運動分別由3個伺服電機通過滾珠絲桿完成，2個回轉運動由力矩電機完成。采用自動供油方式，定時潤滑機床的摩擦面。進給機構均有限位控制裝置，機床工作安全可靠。

1.2 機床刀庫的設計

機床采用內藏式刀庫(圖2)，根據加工情況任意選擇刀具[3]。刀庫置于龍門立柱之間，以減小機床的整體尺寸，節省空間距離。在電機驅動下，刀庫本身具有旋轉運動，將待使用的刀具轉送至前端，同時，因氣缸的作用，刀庫整體在置于機床底座的線軌上沿y軸來回移動，將待換刀具移動至主軸下方合適的位置，實現送刀的動作，且換刀速度較快，無需機械手。刀庫為推出式，配置自動門。

圖2 機床刀庫示意圖

機床刀庫最多可配置8把刀具，鋼制刀爪，使用精密分割器做刀具分隔，換刀精度高，結構簡單，容易實現換刀動作，換刀時間8s，最大刀重3kg，滿刀時最大刀徑90mm，臨空時最大刀徑160mm，最大刀長150mm。

1.3 旋轉運動結構的設計

機床的雙回轉臺結構如圖3所示。

1—搖籃固定座；2—中心軸；3—轉臺底座； 4—回轉工作臺；5—圓光柵；6—力矩電機 圖3 雙回轉臺結構示意圖

機床的2個回轉運動均在工件上實現，使刀具始終垂直于工件加工表面，實現復雜曲面的高精度加工，兩搖籃座之間的跨距較大，以增大加工空間。回轉工作臺使用全力矩電機驅動，實現兩部分動作，即由繞z軸的回轉運動，形成C軸，以及繞x軸的擺動，形成A軸，且沒有中間傳動環節，轉動精度較高[4]。

在轉臺內部，使用高精度編碼器，同時，配置P2級的專用轉臺軸承，保證回轉精度和重復定位精度。工作臺尺寸210mm，最大承重30kg，主軸端面至工作臺中心的最小距離85mm。A軸采用雙驅動方式，最大速度50m/min，最大轉矩710N·m，定位精度6″，重復定位精度4″。C軸最大速度100m/min，最大轉矩251N·m，定位精度6″，重復定位精度4″。A、C軸的角加速度均為210rad/s2，軸徑向跳動均達到0.005mm。

1.4 機床床身結構的設計

在龍門立柱上(圖4)，十字滑臺的移動為x軸移動，主軸箱滑板的前后運動為y軸運動，在x軸的線軌上，使用3個滑塊以承受主軸箱(圖5)和十字滑板等較大質量的部件。同時，使用雙螺母絲桿，脫片式聯軸器，保證結構件可以高速運動，同時還能夠保證移動精度和速度。在設計主軸箱滑板方面，設計多筋板以減小機床在運動過程中的變形，在滿足強度的情況下，盡量減小工件的質量，從而減小慣量，提高機床的響應速度。

圖4 龍門立柱示意圖

圖5 主軸箱滑板示意圖

圖6 十字滑板示意圖

本文設計的五軸加工中心，是自主研發的高速五軸加工中心，x、y、z軸快速移動速度為60m/min，為了達到較小的間隙，設計雙螺母結構，同時為了提高其剛性，使用脫片式聯軸器。直線軸的運動均采用交流伺服電動機，配置光柵尺進行實時反饋調節，保證較高的精度。

在機床整體設計過程中，主軸箱體、龍門立柱和十字滑板結構中通過使用加強筋，有效地增加了各結構件的剛度，并應用ANSYS有限元軟件對其進行了受力分析，了解其受力變形狀況。

十字滑板通過線軌與橫梁接觸，前后分別有3個滑塊，立柱承受的總質量約為600kg。當機床的主軸箱滑板運動至y軸正向極限位置時，機床的主軸箱滑板、主軸箱和電主軸等構件總質心位于龍門立柱前端，以十字滑板的支反力計算，并將主軸箱等部件的慣性力考慮在內。

以龍門立柱的計算為例，受力如圖7所示。

圖7 機床立柱受力圖

其中，L1=400mm，L2=167mm，G=6 000N，F3為慣性力，F3=2 250N

帶入數據計算得：

F2：后面3個滑塊的支撐力

立柱和十字滑板之間通過導軌滑塊接觸(面接觸)，接觸面積為3 960mm2。

前面3個滑塊受力：12 519N；均布載荷計算：1 053 787Pa(有限元分析輸入條件)；

前面3個滑塊受力：4 269N；均布載荷計算：359 343Pa(有限元分析輸入條件)。

使用ANSYS有限元軟件對立軸箱、龍門立柱和十字滑板進行受力分析，受力圖及變形圖如圖8-圖10所示。

通過變形圖可以看出，主軸箱的后端幾乎沒有變形，而前端和電機連接部分呈弧形向機床y軸正方向傾斜，最大變形位于主軸箱上端與電機座連接部分，變形量0.001 3mm，可以滿足使用要求。機床的十字滑板受到主軸箱滑板給予的壓力以及橫梁給予的支力，使十字滑板的前端位置受剪，此處的變形也最大，變形值為0.003 2mm，也在允許變形范圍內，可以使用。機床的龍門立柱變形較大位置位于橫梁中間前部位置，向下彎曲，變形量0.010 5mm，變形量較大，容易造成加工零件的直線度不符合要求，需對龍門立柱進行改進。

圖8 主軸箱變形圖

圖9 龍門立柱變形圖

圖10 十字滑板變形圖

改進方案為：在變形較大位置沿x向以及底面各增加一塊鋼板，如圖11、圖12所示。

圖11 立柱截面圖(改進前)

圖12 立柱截面圖(改進后)

對改進后的立柱進行受力分析，變形圖如圖13所示，應力圖如圖14所示。

圖13 立柱變形圖

圖14 立柱應力圖

從圖13中可以看出最大變形處在立柱前端中間的位置，變形量為0.002 41mm，變形較小在允許值范圍內，可以使用。

機床整機如圖15所示，所加工的零件如圖16。

圖15 機床實物圖

圖16 已加工葉輪圖

通過對加工過程的觀察，發現剛度較好，直徑為50 mm的鋁合金葉輪葉片加工時間約為3 min，對已加工好的葉片進行精度及表面粗糙度檢測，葉緣加工精度0.05 mm，五軸葉片和倒角表面粗糙度Ra0.8，葉片加工精度0.1 mm，中心孔與輪背垂直度0.005 mm，形位精度很高，機床的動平衡為0.039 g，工具系統跳動量0.002 mm，均達到預期目標，證明本文設計的五軸機床能夠滿足高精高速的質量要求。

2 結語

為了達到高速高精度加工葉輪的目的，設計了新型五軸聯動加工中心，經裝配調試達到預期的加工效果，且加工可靠，運行平穩。

參考文獻:

[1] 張惠敏. 五軸聯動數控機床的設計[J]. 機床與液壓，2010，38(8)：8-10.

[2] 崔建昆，范灝，奚偉辰，等. 五軸聯動數控工具磨床工作臺運動方案與結構設計[J]. 機械工程與自動化，2011(4)：209-211.

[3] 周建東. 加工中心盤式刀庫的設計[J]. 工藝與裝備，2007(8)：83-85.

[4] 劉新宇. 五軸數控機床回轉工作臺的設計[J]. 工藝與裝備，2009(6)：99-101.