新型高速五軸聯動葉輪加工機床大件結構設計
2019-10-24 來源：海拓璞數控科技有限公司 作者：郭聰聰
摘 要: 針對葉輪加工，重點討論了五軸加工中心的設計機理和結構及提高機床剛度、加工速度和精度，特別是對機床的整體布局、刀庫、回轉臺和機床床身結構進行了分析，在滿足機床床身剛度的同時，盡量減輕質量，增大加工空間。通過配備光柵尺、高精度編碼器實時反饋調節，使用雙螺母絲桿、P2 級的專用轉臺軸承等措施保證葉輪加工的順利進行。
關鍵詞: 葉輪; 五軸聯動; 加工中心
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。
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，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15 k W，最高轉速 40 000 r / 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。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 8 s，最大刀 重 3 kg，滿 刀 時 最 大 刀 徑90 mm，臨空時最大刀徑 160 mm，最大刀長 150 mm。
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。 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 210 mm，最大承重 30 kg，主軸端面至工作臺中心的最小距離 85 mm。A 軸 采 用 雙 驅 動 方 式，最 大 速 度 50m / min，最大轉矩 710 N·m，定位精度 6″，重復定位精度4″。C 軸最大速度 100 m / min，最大轉矩 251 N·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 0．005 mm。
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 60 m/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 600 kg。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
前面 3 個 滑 塊 受 力: 12 519 N; 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: 4 269 N; 均 布 載 荷 計 算:359 343 Pa( 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 2 mm，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。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 41 mm，變形較小在允許值范圍內，可以使用。
圖 13 立柱變形圖
圖 14 立柱應力圖
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，葉緣加精度0．05 mm，五軸葉片和倒角表面粗糙度 Ｒa 0．8，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。
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