隨著國民經(jīng)濟飛速發(fā)展，制造業(yè)向著高、精、尖方向發(fā)展，特別是汽車、船舶、紡織、電子技術(shù)、航空航天的迅猛發(fā)展，對機床的精度和生產(chǎn)率要求也越來越高，急需一大批加工精度為“μ”級、主軸轉(zhuǎn)速12,000r/min以上、快移速度大于40m/min的高精機床。為了適應(yīng)國內(nèi)市場的需要，滿足用戶對高速、高精及強力切削的需求，北京機床研究所研制了新一代精密立式加工中心μ1000系列。進口數(shù)控立式加工中心全新結(jié)構(gòu)和高性能的立式加工中心μ1000系列基型產(chǎn)品是在分析國內(nèi)外立式加工中心主流產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)，結(jié)合中國市場需求，同時按照高速、高精、高品質(zhì)、高穩(wěn)定性的技術(shù)發(fā)展方向和高性能價格比的目標(biāo)進行開發(fā)的。
設(shè)計原則
新一代立式加工中心的設(shè)計原則如下：
在速度和精度方面達到同類型同規(guī)格產(chǎn)品的*水平，同時兼顧強力切削，滿足用戶一機多用的目的;
高剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證機床設(shè)計壽命長;
產(chǎn)品模塊化設(shè)計，降低設(shè)計本錢，形成不同配置的系列產(chǎn)品;
高精度設(shè)計，滿足μ級加工精度的需要;
率設(shè)計，滿足現(xiàn)代高生產(chǎn)率的要求;
注重環(huán)保。
主要技術(shù)參數(shù)確定
根據(jù)市場調(diào)研確定作為標(biāo)準(zhǔn)配置。μ1000系列的工作臺面尺寸為500mm×1200mm;坐標(biāo)行程x、y、z分別為1000mm、560mm、550mm;主軸功率18.5/22kw，主軸轉(zhuǎn)速15,000r/min，bt40刀柄;換刀時間(刀到刀)1.5s，zui大刀具重量7kg，刀庫容量24把;快速移動速度x、y、z分別為48m/min、48m/min、36m/min;全閉環(huán)情況下定位精度≤0.008mm，重復(fù)定位精度≤0.004mm(執(zhí)行g(shù)b/t8771.4標(biāo)準(zhǔn))。
作為系列產(chǎn)品和選用配置，五軸聯(lián)動控制時配兩軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺，工作臺面尺寸為ø500mm，坐標(biāo)行程x、y、z分別為500mm、500mm、415mm(五軸時);主軸轉(zhuǎn)速12,000r/min、20,000 r/min任選，刀柄可選擇hska63。
設(shè)計過程
進口數(shù)控立式加工中心機床設(shè)計從常用的功能設(shè)計進一步發(fā)展為機床結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計、精度設(shè)計、高速化設(shè)計、誤差補償技術(shù)、壽命設(shè)計和可靠性設(shè)計等現(xiàn)代*機床設(shè)計技術(shù)。為了實現(xiàn)精密機床設(shè)計要求，在機床設(shè)計中對各方面進行了綜合考慮。
為保證機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的公道性，對基礎(chǔ)件、傳動系統(tǒng)、主軸及整機都進行了有限元分析，找出設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)加以改進，對機床整體性能優(yōu)化和高剛性設(shè)計起到很好的指導(dǎo)作用。
在設(shè)計開發(fā)過程的初期，初步設(shè)計了外形尺寸和工作區(qū)范圍相同而結(jié)構(gòu)不同的四套方案，即：定梁頂置滑枕式、定立柱十字工作臺式、橫梁滑座式和定立柱三坐標(biāo)單元式四種結(jié)構(gòu)。通過有限元剛度分析和加工誤差分析，得出方案1(即定梁頂置滑枕式)的剛度是zui大的，且誤差分配也比較公道，所以在實際設(shè)計中選擇了方案1。
按方案1的結(jié)構(gòu)進行了機床整機和部件的設(shè)計，并且根據(jù)設(shè)計圖對機床整機和部件進行了有限元分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)改進，避免薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn)。結(jié)論如下：與同類的立式加工中心相比，這臺機床在各個方向的剛度都具有較大的上風(fēng)，綜合當(dāng)量剛度約進步40%至兩倍以上，并且三個方向的剛度值較均勻(見表1)。
表1 與類似規(guī)格加工中心的剛度計算值比較
機床名稱 x向剛度
kx(n/μm) y向剛度
ky(n/μm) z向剛度
kz(n/μm) 三向綜合當(dāng)量剛度
k(n/μm)
其它類似加工中心 a 46.6 46.8 53.7 48.7
b 32.3 50.0 95.9 45.2
c 20.4 37.2 59.1 29.7
d 32.3 65.1 118.2 48.7
e 31.2 34.2 39.7 34.5
μ1000 59.7 64.9 92.9 68.7
由計算結(jié)果可知，機床整機的整體性能優(yōu)良，機床靜態(tài)剛度顯著進步，可以滿足高速、高精、的要求。
這種布局結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：床身、立柱分體，且主要構(gòu)件均呈箱形結(jié)構(gòu)，加工中不易變形，加工工藝性好;結(jié)合面較大，基礎(chǔ)穩(wěn)固，主軸懸伸小，整體結(jié)構(gòu)剛度高;左右*對稱式設(shè)計，主軸x向熱平衡較好;y向懸伸小，熱變形影響小;x、y、z軸移動部件輕，加速性好;構(gòu)件結(jié)構(gòu)穩(wěn)固易于保證導(dǎo)軌運動精度，精度穩(wěn)定性好。
為保證機床的精度穩(wěn)定，床身、立柱、滑座、主軸箱等都采用有限元分析，應(yīng)用高阻尼性能的鑄鐵制造;公道的截面設(shè)計和筋格布置，盡量避免行程中出現(xiàn)不公道的懸臂狀態(tài);導(dǎo)軌采用高剛性滾柱導(dǎo)軌，安裝基面精密刮研。
μ1000系列機床打破通常機床結(jié)構(gòu)形式，床身采用三點支撐，高剛性設(shè)計，使機床調(diào)整簡單，不依靠于地基，機床可不需特殊地基而直接安裝在水泥地坪上。床身用基于無彎矩的力流原理的特殊筋板設(shè)計，保證其上構(gòu)件在運動過程中，負載重心和切削點始終不離開三點支撐的范圍，并有足夠的支撐剛度，有利于保持精度的穩(wěn)定。
滑座采用頂置式結(jié)構(gòu)，其特點為高剛性輕型設(shè)計，使運動單元靈活，適應(yīng)高速要求?；亓⒅鶎?dǎo)軌作x向運動，加長導(dǎo)軌支撐長度，運動時滑座始終不離開導(dǎo)軌，易保證直線度、定位精度和加工精度。工作臺只作單方向(y向)移動，與十字工作臺結(jié)構(gòu)相比移動部件輕，且承重大，設(shè)計承重大于800kg。另外工作臺沿導(dǎo)軌方向運動，結(jié)構(gòu)剛性好，運動精度高，避免了傳統(tǒng)機床工作臺移動到兩端後直線度降低或超差題目。扁長的主軸箱結(jié)構(gòu)，使主軸重心盡量靠近x向?qū)к?，主軸中心與導(dǎo)軌間隔295mm，比傳統(tǒng)機床減少五份之二，這樣主軸懸伸小，受彎矩小。另外導(dǎo)軌安裝在主軸箱上，滑塊在滑座上，大大增強了z向剛性，進步了加工精度和運動穩(wěn)定性，定位精度高。
采用了寬度較大的滾柱導(dǎo)軌，中等預(yù)載荷消除了間隙和爬行，進步系統(tǒng)剛度和運動精度。
線性軸驅(qū)動采用伺服電機帶動高速滾珠絲杠副，它采取預(yù)緊式單螺母形式，結(jié)構(gòu)緊湊。絲杠的支撐采用兩端固定支撐并施加預(yù)拉伸，以進步傳動系統(tǒng)剛度，吸收絲杠發(fā)熱引起的熱伸長造成的誤差。絲杠與電機間的聯(lián)軸器選用波紋管形式，其優(yōu)點是：傳動效率高、剛性好、傳遞扭矩大、扭轉(zhuǎn)剛度高，且自身轉(zhuǎn)動慣量小，適應(yīng)高速性。適當(dāng)增加座的長度以增加螺母座及絲杠軸承座與基礎(chǔ)件間結(jié)合面剛度，同時工藝上采取配刮研技術(shù)，使精度直接進進穩(wěn)定期，進步耐沖擊能力。
高剛性內(nèi)裝式電主軸，前軸承選用中預(yù)載的四列背對背高速角接觸陶瓷球軸承，軸承內(nèi)徑ø70，這種組合方式使軸承可同時承受徑向和軸向載荷，主軸消息剛度高。
為了減少沖擊、進步定位精度，控制系統(tǒng)設(shè)定了鐘型加減速功能和hrv(high response vector)控制功能，調(diào)整了影響動態(tài)性能的位置和速度增益。同時，為了實現(xiàn)長壽命設(shè)計，設(shè)計中對一些影響精度和工作性能的關(guān)鍵部件采取了相應(yīng)措施，如：由于主軸軸承用油氣潤滑，部分油氣會進進電機定子與轉(zhuǎn)子之間，使電機被污染而影響使用性能和壽命，為了克服這一點，在電機前後端均有低壓乾燥清潔氣體吹進，局部形成稍微正壓，以防止油氣進進，保證電機性能穩(wěn)定，壽命長;為避免主軸前端有臟物進進軸承，并防止軸承油氣潤滑的廢油滲出到主軸端面上，主軸zui前端加一路氣，以防止臟物進進和吹散廢油;五軸聯(lián)動的轉(zhuǎn)臺電機直接運動于工作區(qū)時，臟物可能進進電機，影響壽命，為此，轉(zhuǎn)臺上兩個電機罩均加有低壓氣體吹氣，形成正壓，阻止異物侵進;為了保證光柵長久保持精度，進步使用壽命，光柵的讀數(shù)頭上也有乾燥清潔的空氣吹進。
為了保證高精度，多種措施被采用以減少機床的熱變形和振動。如主軸套筒和前後軸承座恒溫循環(huán)冷卻，油氣潤滑減少軸承發(fā)熱，後軸承使用圓柱滾子軸承，一旦發(fā)生熱變形，主軸就向後伸長，不影響加工精度;大流量冷卻刀具和工件，減少切削熱產(chǎn)生;床身上兩個螺旋排屑器及時將切屑排出機體，避免切屑大量堆積引起床身熱變形;機床對稱式設(shè)計，平衡熱變形等;主軸具有中心內(nèi)冷卻功能，內(nèi)冷zui大壓力為22 bar，可滿足高速切削、小孔加工和深孔加工對排屑暢通、及時帶走加工熱量的要求。
為了使主軸運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，降低噪聲，減小振動，對主軸采用兩次動平衡，一次在主軸與轉(zhuǎn)子熱裝後，第二次在所有回轉(zhuǎn)零件裝配好且?guī)缀尉葯z驗完畢後。這樣動平衡精度高，保證回轉(zhuǎn)精度和防止振動。另外，在主軸前後位置設(shè)計有平衡環(huán)以備在線動平衡用。刀庫放在機床的左側(cè)面，用單獨地基，這樣在刀庫和機械手換刀時產(chǎn)生的振動和不平衡不會傳到主機上，消除了一部分外加載荷，使機床精度更穩(wěn)定。
為了在較高的運動速度下進步機床的定位精度和加工精度，特別是定位精度，機床上安裝了精度為0.003mm的heidenhain封閉式盡對光柵尺，進行全閉環(huán)控制。但機床的定位精度只能評估機床在特定位置時的精度，假如闊別丈量面進行加工時，加工的位置度會有較大誤差。而傳統(tǒng)的螺距補償只能對特定位置絲杠的螺距誤差進行補償，并不能全面降低整個加工面的位置度誤差。為盡量消除加工區(qū)域內(nèi)的位置度誤差，進步機床的加工精度，增加了空間誤差補償功能，通過大量的試驗采集數(shù)據(jù)，計算出機床在各空間點的幾何誤差，并通過cnc系統(tǒng)給與實時補償。
主軸在運轉(zhuǎn)過程中，電機、軸承及其它運動部件會因摩擦、損耗等產(chǎn)生熱量。假如熱量不能及時散發(fā)和排出，則會嚴重影響機床精度。因此，對主軸電機外套和軸承座外套用通過恒溫油的方式進行循環(huán)冷卻，使主軸運轉(zhuǎn)過程中盡大部分的熱量隨循環(huán)油帶出機體，以降低熱變形。但是，冷卻再完善也仍然會有部分熱量因傳導(dǎo)速度快而不能及時排出，使主軸產(chǎn)生熱變形。為了進一步解決主軸熱變形對精度的影響，主軸z向的熱變形可用軟件補償?shù)霓k法進行了補償。補償數(shù)據(jù)是通過實驗獲得的。
為了使補償軟件更具有通用性，變量編程被采用，針對不同的機床、不同的使用情況分別給這些變量賦值，便可天生具針對性、實用性的補償程序。
高生產(chǎn)率的實現(xiàn)是由于具有較高的快速移動速度48m/min，高的切削進給速度30m/min，zui大0.9g的加速度;高的主軸轉(zhuǎn)速12,000~20,000r/min以及高的換刀速度1.5s。主軸電機選用fanuc的&alphabi系列內(nèi)裝電機，具有低速繞組和高速繞組，在低速繞組額定轉(zhuǎn)速在1500r/min以下時，恒扭矩達118nm，即使增高至4000r/min時，仍有36nm~44nm的較大扭矩輸出，在高速繞組下即使20,000r/min時，也仍有8.8nm~11nm的扭矩輸出，恒功率范圍寬，可實現(xiàn)低速大扭矩切削和高速加工。
機床的三點支撐結(jié)構(gòu)，便于根據(jù)生產(chǎn)線需要調(diào)整位置實現(xiàn)快速重組，縮短了機床安裝調(diào)試周期，節(jié)約了調(diào)整工時。
機床的模塊化設(shè)計主要體現(xiàn)在bt40與hska63刀柄的互換;轉(zhuǎn)臺和工作臺可以方便地互相更換;導(dǎo)軌和絲杠可根據(jù)用戶需求選用不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，如star、nsk、thk等。數(shù)控高速銑床、三軸、四軸、五軸加工中心可以快速配置出來。液壓、潤滑、冷卻的設(shè)計以及電氣設(shè)計均可根據(jù)用戶不同要求及不同配置方便地取舍;根據(jù)用戶不同需求，轉(zhuǎn)臺傾斜角度也可以改變等，拓寬了用戶的選擇面和使用面。
全封閉防護罩確保高速、加工條件下工人操縱安全。使用油水分離器，將冷卻液中油物分離過濾掉，延長冷卻液的使用壽命，進步冷卻液使用效果，并且符合環(huán)保要求。
應(yīng)用
μ1000系列立式加工中心應(yīng)用范圍很廣，機床為精密級加工中心，各項精度包括幾何精度、加工精度均為國家標(biāo)準(zhǔn)的精密級，而定位精度比精密級還進步一倍。設(shè)計的高剛性在滿足高精度的條件下，還有很強的切削能力。應(yīng)用范圍如下：汽車的發(fā)動機缸體缸蓋、制動器、變速箱體、轉(zhuǎn)向節(jié)、減速器等零件的大批量生產(chǎn)和加工;紡織行業(yè)板類零件加工;油泵油嘴行業(yè)、制表行業(yè)、模具行業(yè)等的開關(guān)體、閥體、葉片、葉輪等零件和模具的加工。
在已售出的機床中，用于汽車發(fā)動機缸蓋及主、差減速器殼體生產(chǎn)線上的機床，可改進生產(chǎn)線工藝，進步生產(chǎn)率和精度;用于航空航天業(yè)的機床，能滿足外形復(fù)雜、精度要求高的零件加工，以及薄壁輕型零件的加工，成為具有強的市場競爭力的新產(chǎn)品，取得了好的社會和經(jīng)濟效益。
結(jié)論
該產(chǎn)品研制成功後進行了全面性能實驗，經(jīng)驗證*設(shè)計要求，并且在結(jié)構(gòu)、消息態(tài)剛度和精度方面表現(xiàn)出色。在新產(chǎn)品鑒定會現(xiàn)場，z軸實測定位精度3.4μm，重復(fù)定位精度小于1.7μm;用端銑刀銑削鋁件，表面粗糙度為ra 0.04μm 。它標(biāo)志著機床在主軸轉(zhuǎn)速、快移速度、位置精度等方面均達到了較高水準(zhǔn)，并形成了新一代高性能立式加工中心系列;研究成果實現(xiàn)商品化、系列化、模塊化;產(chǎn)品在整體結(jié)構(gòu)上采用三點支撐高剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計和基于可靠性增長分析的部件及元器件設(shè)計，確保了機床高速、高精和高可靠性;在熱變形誤差補償和平面位置誤差補償方面具有*的技術(shù)等優(yōu)點，滿足了市場對精密立式加工中心的需要，已進行小批生產(chǎn)和銷售。