國產(chǎn)功能部件在高檔數(shù)控機床的應用研究

沈會，黃寶啟，蔡冰

（沈陽航空產(chǎn)業(yè)集團有限公司，沈陽 110000）

0 引言

隨著航空工業(yè)的高速發(fā)展，對高檔數(shù)控機床要求越來越專業(yè)化、定制化。依據(jù)航空典型零部件種類例如框、梁、壁板、接頭、肋板等不同加工需求，要求數(shù)控機床相應定制化設計以滿足使用需求。數(shù)控機床是由各類功能部件集成的高端裝備，功能部件的特性（如可靠性、精度保持性）是整機性能的決定因素。目前，在航空制造領域，高檔數(shù)控機床功能部件還是存在大量進口的問題，但是在國家04專項的實施帶動下，國產(chǎn)功能部件行業(yè)取得了長足的進步。本文就某示范工廠內(nèi)53臺高檔數(shù)控機床國產(chǎn)功能部件應用情況進行研究。

1 功能部件配套

1.1 機床形式及功能部件分類

53臺設備包含臥式精密加工中心和龍門加工中心共計7大類、12種規(guī)格，加工范圍包括400、600、800、2000 mm等,機床100%采用國產(chǎn)系統(tǒng)。本文不討論國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)應用，主要研究其他主要功能部件。功能部件種類很多，本文結合實際工作經(jīng)驗，從臥式加工中心和龍門加工中心功能部件種類考慮，按六大類統(tǒng)計，分別是主軸、擺頭、轉臺、刀庫、導軌及絲桿。

表1 設備簡介

1.2 配套比例

六大國產(chǎn)功能部件數(shù)量合計174個，國內(nèi)、外功能部件總數(shù)量合計288個，按照總數(shù)統(tǒng)計得出國產(chǎn)功能部件配套比例為60%。具體如下：800 mm加工范圍以下的臥加國產(chǎn)功能部件配套比例較高，800 mm加工范圍以上的臥加國產(chǎn)功能部件配套比例不高，龍門加工中心國產(chǎn)功能部件配套比例較高。

2 應用分析

2.1 電主軸

由北京工研精機生產(chǎn)的鈦合金接頭類臥式精密加工中心，電主軸選用國產(chǎn)品牌（工研），主軸電動機功率（S1）為60 kW，主軸額定轉矩（S1）為345 N·m，主軸轉速范圍為80～5000 r/min。目前，該類機床主要加工鈦合金接頭等航空零部件，主軸性能穩(wěn)定，圖1是國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心出具的第三方檢測報告中對于主軸檢測的情況，檢測結果滿足設計指標。

圖1 國檢中心對機床主軸加載檢測情況

電主軸是機床的核心功能部件之一，其轉速、轉矩等參數(shù)直接體現(xiàn)在機床的加工效率和加工能力方面。電主軸主要技術一方面體現(xiàn)在零件的加工制造上，例如內(nèi)裝式電動機、精密軸承、拉刀桿，另一方面體現(xiàn)在控制上，例如溫升控制、熱補償及結構上對支撐剛度的處理[1]。

表2 國產(chǎn)功能部件配套比例數(shù)據(jù)統(tǒng)計

當前，由于主軸研制成本較高，另外在精度保持性上跟進口還是有差距，所以進口主軸的情況就很普遍。面向未來，電主軸領域應該還是要從核心技術的推廣應用及產(chǎn)業(yè)化、降低國內(nèi)生產(chǎn)廠家的高昂成本等方面努力。

2.2 擺頭

示范基地中7大類機床，其中6類有擺頭結構，均選用了國產(chǎn)自主擺頭，如濟南二機床的機械AC擺頭、沈陽機床中捷航空航天機床的機械AB擺頭、上海拓璞數(shù)控科技有限公司的AC擺頭及北京工研精機的AC擺頭等（如圖2）、沈陽機床中捷航空航天中鋁線鋁合金肋板類臥式加工中心A擺、沈陽精銳小鋁線鋁合金接頭類臥式精密加工中心A擺。這些擺頭配套主機都在示范工廠正常使用，應用狀況良好。

圖2 國產(chǎn)自主擺頭

擺頭是機床的核心功能部件之一，擺頭和直線軸在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，實現(xiàn)了機床的五軸聯(lián)動功能。其聯(lián)動特性決定了機床的動態(tài)特性。擺頭從結構上大體上可以分成3種類型，機械擺頭、電主軸擺頭及直驅(qū)擺頭。機械擺頭比較典型的是沈陽機床的AB擺和濟南二機床的AC擺，特點是大轉矩。電主軸擺頭比較典型的上海拓璞大鋁線臥加，特點是高轉速,最高轉速達到24 000 r/min。直驅(qū)擺頭在示范工廠內(nèi)沒有應用。

2.3 轉臺

由沈陽中捷航空航天機床制造的鋁合金肋板類臥式加工中心，搖籃轉臺[2]選用國產(chǎn)品牌（北京伊貝格），旋轉軸B軸工作轉矩為500 N·m（夾緊時1000 N·m），快速進給速度為10 r/min，定位精度為8″，重復定位精度為5″。由沈陽機床股份公司制造的銑車復合加工中心，配置了搖籃旋轉工作臺。表3是國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心出具的第三方檢測報告中對于搖籃轉臺的檢測的情況，檢測結果為：定位精度為6.32″，重復定位精度為2.9″，優(yōu)于設計指標。

表3 國檢中心對機床B軸參數(shù)檢測數(shù)據(jù)

搖籃轉臺應用到臥式加工中心屬于一種技術應用上的創(chuàng)新，實現(xiàn)了臥式加工中心立式加工航空零部件的形式。這種加工形式具有排屑好、精度高等特點。

搖籃旋轉工作臺應用到臥加，旋轉工作臺最高轉速為400 r/min，附加車主軸定位功能，實現(xiàn)了鈦合金接頭等典型航空零件的車銑復合加工。

2.4 刀庫

由沈陽中捷航空航天機床生產(chǎn)的刀庫墻加六自由度機器人組成的自制刀庫，提供了加工中心每天2班16 h工作，每小時換刀4次，共計1 194 480次的全工況運轉實驗換刀數(shù)據(jù)，刀庫各項技術參數(shù)達到使用要求，刀庫性能可靠。

由江蘇德速數(shù)控科技有限公司生產(chǎn)的圓盤式刀庫應用在上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司制造的鋁合金大型框梁類加工中心，刀庫完成了全工況實驗換刀1 128 960次，每天工作16 h，每小時換刀36次，共計運行了196個工作日，期間未出現(xiàn)故障，刀庫運行穩(wěn)定。

隨著國內(nèi)機床的可靠性和精度保持性越來越高，國內(nèi)應該加強刀庫產(chǎn)品零部件的配套及刀庫產(chǎn)品的可靠性。

2.5 導軌

由廣州高新凱特生產(chǎn)制造的導軌應用在沈陽精銳數(shù)控機床鋁合金接頭類臥式精密加工中心，直線導軌用于支撐和引導運動部件做直線往復運動，可在高負載的情況下實現(xiàn)高精度的直線運動，直線導軌的精度主要影響機床的直線度[3]。

國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（沈陽）出具的報告（表4）顯示，X、Y、Z軸線運動直線度共計6項指標，其中5項優(yōu)于設計指標，1項滿足技術指標。

圖3 沈陽機床自制刀庫

圖4 江蘇德速數(shù)控科技公司刀庫

表4 國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（沈陽）檢驗報告

2.6 絲桿

由南京工藝研制的絲桿應用于兩類設備，一類是沈陽機床生產(chǎn)的鈦合金大型框梁類強力加工中心（AB擺），另一類是由上海拓璞數(shù)控科技股份公司生產(chǎn)的鋁合金長桁類加工單元。絲桿的精度主要影響機床的定位精度和重復定位精度[4]。

國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心出具的對AB機床（表5）、長桁加工單元（表6）的直線軸檢測數(shù)據(jù)，表明各項指標均滿足設計指標要求。

表5 國檢中心對AB機床直線軸檢測數(shù)據(jù) mm

表6 國檢中心對長桁機床直線軸檢測數(shù)據(jù) mm

目前，國內(nèi)絲桿材料選擇GCr軸承鋼。設計上主要從結構、運行流暢性、加載場合、鋼球的選擇等方面考慮。產(chǎn)品制造工藝對產(chǎn)品特性和質(zhì)量影響較大，常用加工設備為螺紋磨床。有一部分精密制造加工設備還需要從國外進口，這是下一階段重要發(fā)展方向。

3 結語

本文通過示范基地53臺高檔數(shù)控機床中六大類功能部件的配套使用情況，結合國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心提供的第三方報告相關數(shù)據(jù)及用戶使用情況，可以看出：1）六大類功能部件國內(nèi)均有廠家在生產(chǎn)，這里既有主機廠，也有專業(yè)化功能部件廠家，并且每一類都配套到主機。2）在性能指標方面國產(chǎn)功能部件完全能夠滿足設計指標。3）國產(chǎn)功能部件在精度保持性、核心零件的制造配套及打造世界知名品牌方面將會是未來的發(fā)展方向。