雙主軸倒立車銑復合柔性制造單元的研制

2018-06-02 06:46:34周保牛王秋紅張永燦

制造技術與機床 2018年4期

周保牛周岳葉穗王秋紅張永燦

(①常州機電職業技術學院，江蘇常州 213164；②南京新浙數控機床股份有限公司,江蘇南京 211511)

通常的立式車床、立式銑床等主軸順立機床，孔加工排屑困難，對于盲孔工件的立式車削加工，排屑更難，甚至出現長屑攪斷刀具或損傷工件等事故，需頻繁停機人工干預，長時間穩定自動加工或智能制造變得異常復雜；軸套類工件經常需要車、銑等多機床多工序加工，分工序加工時間又短，裝夾定位時間相對較長、勞作強度較大，產業工人不愿意長期堅守崗位安心工作，造成了用工荒的一種重要原因。針對巨量的中小軸套類工件，研制出能順暢排屑、具有自動上下料功能、單機能有效柔性車銑復合加工的數控機床，同時還能成為柔性制造系統等成套生產線的核心設備已迫在眉睫，孕育而生了VLM20-FMC型雙主軸倒立車銑復合柔性制造單元，不僅能派生出一類新型機床，也符合高檔數控機床功能集成化方向發展趨勢，無疑對推進中國制造、智能制造有具體意義。

1 總體方案研究設計

1.1 總體布局

VLM20-FMC型雙主軸倒立車銑復合柔性制造單元各部件總體布局如圖1所示。車削主軸4尾部朝上、頭部朝下倒立，安裝在主軸箱3內，吊空夾持工件旋轉。銑削主軸5尾部朝下、頭部朝上倒立，安裝在動力刀架7之內夾持旋轉刀具。車削主軸4在銑削主軸5上方，車、銑雙主軸倒立，工件孔口朝下自行清理排屑加工，來解決通常的主軸順立機床排屑不暢問題；容納車銑類刀具的動力刀架7給銑削主軸5提供動力，分度旋轉實現換刀功能；車削主軸4具有高速旋轉和低速數控連續分度切換功能，其頭部安裝有非磁性卡爪卡盤，在主軸箱的帶動下以機床快速移動速度往返于固定裝卸站自動裝卸工件；經過固定裝卸站、穿越機床本體內部的封閉鏈式大容量工件儲運系統18，為長時間連續加工提供源源不斷的毛坯件。用強度高、熱變形小、耐蝕性好的巖類非金屬材料整體灌注的階梯型床身立柱11，用塑料導軌板阻尼隔振支撐線性滾動導軌運動副，光柵尺全閉環伺服驅動系統，整機配備多種組線機電接口，整體防護罩1防濺、導流切削液和美化整機外觀，主軸內外大流量冷卻清理，室溫跟蹤控制系統14防止精密部件熱變形。雙主軸倒立車銑復合柔性制造單元具有了基本框架，有限元分析的整機動靜剛度高，為提高綜合性能奠定了基礎。

1.2 坐標運動分配

坐標運動分配如圖2所示。工件5比動力刀架7小得多、重量輕得多，工件5做坐標進給運動，動力刀架7固定在階梯形床身底座8不動。階梯形床身底座8由傳統的床身和立柱鑄造成整體，向高度方向分層支撐坐標運動部件，進一步緊湊占地面積，也為工件儲輸系統9和自動裝卸工件的工作站3留足了擺放空間。階梯形床身底座頂上布局直角滑鞍，直角滑鞍前后移動，實現X軸坐標運動。把車削主軸箱布局在直角滑鞍11的正前側上下移動，完成Z軸坐標運動。考慮到主軸箱平衡油缸的速度響應性，Z軸最小快速移動速度為50 m/min以上、X軸可達60 m/min以上，用有色金屬塑性材料剛性攻絲確定進給速度，按照液壓三爪卡盤最大回轉直徑、確定最大加工零件尺寸、坐標軸行程等。用有限元運動仿真，模擬確定機床各坐標運動部件極限行程和運動范圍，確定多工序車銑集成加工、自動換刀、工件裝卸儲運等空間大小，確保無任何干涉現象，并留足安全保護、維修、操控空間等。

2 關鍵部件研究設計

2.1 內藏式中空車削電主軸系統

內藏式中空車削電主軸系統如圖3所示。中空車削主軸5尾部有松拉緊油缸10，液壓三爪卡盤的推拉桿(圖中未畫)通過其中，實現自動松夾工件及中心冷卻功能。車削主軸5的前支撐2、中支撐3用陶瓷球混合軸承高速、高剛度軸向固定支撐，后支撐8用短圓柱滾子軸承徑向支撐、軸向浮動，軸承用干油定期潤滑、主軸頭用多重迷宮組1防漏防塵，主軸尾部有準停定位裝置7，高速車削主軸5有低速C軸進給分度功能。前中主軸軸頸與軸承內圈過盈0.01～0.015 mm、180 ℃油溫加熱軸承套裝到位；軸承外圈與主軸頭套過盈-0.005～0.005 mm、120 ℃油溫加熱主軸頭套套裝到位。主軸與定子過盈0.015～0.02 mm、加壓力油擴漲組裝，邊加壓擴漲邊推到位，不會損傷過盈精密配合件，裝配質量高。

主軸組件無鍵連接、動平衡精度1.5 G，5 000 r/min加速時間僅1.8 s。主軸振型幅值不大，高階頻率的激勵對主軸的振動影響也不大，而且整體變形比較均勻，說明主軸的整體動剛度和質量分布較為均勻，結構設計有利于主軸的動力學性能。諧響應分析曲線如圖4所示，主軸在工作狀態下能避免共振及其他受迫振動造成有害影響，有良好的動力學持續特性。

定子通冷卻油用室溫跟蹤控制系統降低溫度梯度。滿負荷切削、75 000 r/min時的主軸溫度場，最高溫升28.578 ℃，如圖5所示。

2.2 高性能動力刀架

高性能動力刀架如圖6所示。12工位大容量動力刀架，換刀分度由一只電動機驅動，另一只內藏大功率銑削電主軸，最高轉速達6 000 r/min，通過高性能離合器驅動標準銑削刀座，同時與車削電主軸匹配，滿足多軸數控車銑復合加工的需要。內藏大功率銑削電主軸的定子用同源室溫跟蹤控制系統控制溫度梯度，動力刀架換刀用三聯端齒盤定位，轉臺軸承高精度、高剛度支撐。

分度換刀時，a口進油b口回油，防轉銷6導向，定位活塞5驅動定位齒盤3后移同時與動齒盤10和定齒盤2的端齒脫離嚙合，主軸9連接回轉動力，并與動齒盤10一起在轉臺軸承1和軸承8支撐下，帶動刀盤(圖中未畫)旋轉分度換刀。定位夾緊時，b口進油a口回油，防轉銷6導向，定位活塞5驅動定位齒盤3前移與定齒盤2和動齒盤10的端齒嚙合，若動齒盤10有分度誤差時也被迫修正誤差后與定位齒盤2同時嚙合定位。定齒盤2、動齒盤10和定位齒盤3這三聯齒盤嚙合到位后的同時完成了刀盤的鎖緊動作。

刀盤旋轉分度換刀和定位夾緊，均在同一平面進行。夾緊油缸突然失壓，刀盤反彈幅度幾乎為零。定位齒盤和固定齒盤始終在同一位置、相同的端齒間嚙合定位，定位和重復定位精度有可能達到最佳狀態。本機定位精度達3″、重復定位精度1″。

2.3 滾珠絲杠固定支撐牽拉機構

滾珠絲杠固定支撐牽拉機構如圖7所示。雙列(或單列)向心滾針軸承4的內圈、兩只圓柱滾子推力軸承5的活動圈、通過傳動鍵套連在絲杠上的兩只軸承座套3上與絲杠1一起轉動，雙螺母7將支撐座12內的墊6和2、兩個軸承座套3、兩個短圓柱滾子軸承5和軸承套11軸向鎖緊在滾珠絲杠1上，成固定支撐，按照計算尺寸C、分兩半結構制造的調整墊9，消除△間隙后，即牽拉滾珠絲杠1，補償熱變形等，用戶調整亦十分方便、精準。

2.4 自動上下料系統

該系統由工件儲運系統和自動裝卸系統組成，如圖8所示。工件儲運系統用套筒滾子鏈，柔性好、容易彎成多種環形等特點，盡力與機床主機貼近，減少占地面積；滾子鏈套筒中空作為存放、運載工件托盤或夾具部分的安裝孔；鏈條容易加長，輸送存儲工件的數量可以足夠多，為一人看管多臺設備創造條件，由此確定工件儲運系統托盤容量。又考慮到工件輸送時間不能從加工時間當中分離出來需加快輸送速度，為防止工件裝卸誤動作，工件托盤與套筒滾子鏈之間設有反轉緩沖防護機械裝置，確保不發生任何破壞性事故。

主軸箱帶著車削主軸2、液壓卡盤1在Z軸方向以G00快速移動速度上下高速運行往返于工件裝卸站3，工件到工件自動裝卸時間僅2 s。工件儲運系統4源源不斷地輸送毛坯件、送工件于工件裝卸站，工件到工件輸送時間僅1 s。工件裝卸前不僅有內外大流量冷卻液、壓縮空氣清理，還把液壓卡盤的三爪選用非磁性材料制作，杜絕了帶磁切屑等吸附破壞裝夾定位狀態現象的發生，確保可靠加工。