王帥　溫華棟　楊國強

（沈陽機床廠有限公司）

一、產(chǎn)品概述

臥式車銑復合加工中心作為機床行業(yè)的高檔機床之一其市場需求巨大，在提高能源、航空、航天、船舶及軍工等行業(yè)一些關(guān)鍵零件的加工精度和加工效率方面具有不可替代的作用。

沈陽機床HTM系列臥式車銑復合加工中心是針對汽車、航天、軍工等行業(yè)高檔數(shù)控機床的需求而研制開發(fā)的，該機床以“零件單機完工”為設(shè)計宗旨，融合了車削中心與臥式加工中心的優(yōu)點，采用X1、Y、Z1三個直線軸正交結(jié)構(gòu)，加大的Y軸行程很好地擴展了機床的加工空間。與可以連續(xù)分度的車削主軸（C軸）和在240°范圍內(nèi)擺動的銑削主軸（B軸）配合，能進行五軸聯(lián)動加工，極大地改善了機床對復雜零件的加工能力。

機床配置自動換刀機構(gòu)，車、銑主軸采用大功率電主軸驅(qū)動，工件一次裝卡調(diào)整后，不僅能進行車削、銑削、鉆削、磨削等多工序的復合加工，利用多軸聯(lián)動功能還可完成零件傾斜部位及復雜空間曲面的加工，極大地提高了加工效率與精度。

HTM系列臥式車銑復合加工中心體現(xiàn)了當今數(shù)控機床高效、高精、復合化的發(fā)展趨勢，尺寸公差為IT6級；加工表面粗糙度Ra1.6μm，圓度為3.5μm，該機床的顯著特點是銑削加工葉片螺旋面、加工偏心零件、銑削斜面等，特別適用于復雜零件的加工。

二、新技術(shù)的應(yīng)用情況

現(xiàn)代數(shù)控機床的主要特征為高速、高精度和高動態(tài)特性，沈陽機床對HTM系列車銑復合加工中心動態(tài)性能展開研究，通過借鑒國內(nèi)外機床動態(tài)特性測試手段以及機床整機仿真分析等方法，為高檔數(shù)控機床的性能評估及改善，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)；基于現(xiàn)有機床原型構(gòu)建機床動力學模型分析計算，并針對機床主要部件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善整體動態(tài)性能。

沈陽機床緊緊圍繞重點用戶領(lǐng)域需求，進行高速車銑復合、銑削主軸、高剛性高定位精度B軸技術(shù)及熱變形誤差補償技術(shù)的研究開發(fā)，攻克了一系列技術(shù)難題。

1.  高剛性高定位精度B軸技術(shù)

通過對高剛性高定位精度B軸技術(shù)的研究，解決了三個關(guān)鍵技術(shù)問題，即B軸高定位精度的實現(xiàn)方式；B軸高剛性的實現(xiàn)方式；小空間內(nèi)B軸附屬功能的實現(xiàn)方式。B軸的驅(qū)動依靠安裝在主軸上的大轉(zhuǎn)矩、高可靠性的力矩電機來完成，外環(huán)配有水套，實現(xiàn)力矩電機的循環(huán)冷卻，控制B軸溫升。

主軸旋轉(zhuǎn)分度時，依靠轉(zhuǎn)臺軸承進行回轉(zhuǎn)支撐。主軸后端配有高精度直聯(lián)反饋光柵，保證B軸的分度精度。該B軸裝置有兩種鎖緊固定方式，當B軸分度角度是2.5º的整數(shù)倍時，通過軸承前端的鎖緊齒盤進行固定；當B軸分度角度不是2.5º的整數(shù)倍時，通過B軸后端的剎車機構(gòu)進行鎖緊。在B軸參與插補加工的過程中，如果出現(xiàn)振動，可以對B軸后端的剎車機構(gòu)進行低壓控制，使其起到增加減振阻尼的作用。B軸裝置后端有復雜的液壓、冷卻、氣動配給裝置，保證B軸裝置及車削主軸功能的實現(xiàn)（見圖1）。

圖1 B軸機械圖

為提高B軸控制精度和響應(yīng)速度，對原有產(chǎn)品進行升級改造，更改B軸結(jié)構(gòu)，HTM63系列車銑加工中心采用力矩電機式B軸（見圖2）代替機械式B軸結(jié)構(gòu)形式（見圖3）。相比機械式B軸具有以下優(yōu)點，傳動鏈減少，以力矩電機結(jié)構(gòu)代替原齒輪傳動結(jié)構(gòu)，減少了減速變速、齒輪傳動、齒輪定位等環(huán)節(jié)和零件；在保持B軸扭矩不變的情況下，提高系統(tǒng)傳動效率及響應(yīng)速度，便于加工制造和壓縮裝配調(diào)整時間，提高裝配效率，減少裝配誤差；提高B軸動態(tài)響應(yīng)能力，減少響應(yīng)時間，提高加工效率，增加使用可靠性和穩(wěn)定性。

圖2 力矩電機B軸結(jié)構(gòu)；圖3 機械B軸結(jié)構(gòu)

機床主軸采用高速、高可靠性的內(nèi)裝電機實現(xiàn)直接驅(qū)動，反饋光柵直聯(lián)結(jié)構(gòu)，保證車削主軸的高動態(tài)特性；主軸箱體內(nèi)置水套，對電主軸進行循環(huán)冷卻；車削主軸前端布置液壓鎖緊機構(gòu)，保證了工件任意角度定位進行銑、鉆加工時的鎖緊剛性。電主軸主軸箱如圖4所示。

圖4 電主軸主軸箱

對主軸刀具高壓內(nèi)冷進水結(jié)構(gòu)也進行了改進，原結(jié)構(gòu)在使用一段時間后，受機加件加工精度的工作影響，存在?水問題，影響使用壽命。將原結(jié)構(gòu)改為旋轉(zhuǎn)接頭，靠高壓水壓力自動密封接頭，有效解決了結(jié)構(gòu)漏水，提高了使用壽命，增加密封可靠性。

HTM63系列車銑加?中心副主軸鎖緊裝置改進為滑塊鎖緊，床身加高更改內(nèi)部筋型，B軸三齒盤鎖緊機構(gòu)由外布置改為內(nèi)布置結(jié)構(gòu)。第二主軸鎖緊原為液壓壓板結(jié)構(gòu)，布置在床身內(nèi)側(cè)。使用中發(fā)現(xiàn)問題為當有鐵屑或油污進入床身內(nèi)部后，會造成鎖緊失靈，不在正確位置鎖緊；后采用鎖緊滑塊形式，通過對導軌鎖緊達到定位鎖緊目的。這種鎖緊形式安裝、調(diào)整、維護和使用方便，定位鎖緊安全可靠，精度和可靠性高。

針對原床身剛性不好，裝配后床身精度不好等情況，重新設(shè)計床身內(nèi)部結(jié)構(gòu)。原床身結(jié)構(gòu)如圖5所示，內(nèi)部為1條筋型支撐，床身整體變形量大；通過計算分析機床受力點和變形量Z大點，通過軟件模擬分析增加床身內(nèi)部筋型，調(diào)高床身高度等設(shè)計改進，增強了整體剛性，減小了床身變形量，達到提高機床精度、可靠性的目的，同時提高了床身固有頻率達到遠離機床共振點，避免切削共振產(chǎn)生。改進后床身結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 改進前床身結(jié)構(gòu)；圖6  改進后床身結(jié)構(gòu)

B軸原分度鎖緊機構(gòu)布置在滑枕外側(cè)，裸露布置。易受到油氣污染銹蝕，同時原銑削頭，受機構(gòu)整體變形影響鎖緊時鎖緊角度誤差容易超差，精度保持性不好。本次改進將鎖緊機構(gòu)整合在B軸箱體內(nèi)部，靠近銑削頭處，B軸整體全防護，鎖緊機構(gòu)使用精度和壽命得到提高，同時增強機構(gòu)運行可靠性和穩(wěn)定性。HTM80150機床如圖7所示，HTM63150iy機床如圖8所示。

（a）外部展示圖

（b）部分結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 HTM80150機床

（a）正視圖；（b）機床側(cè)視圖

圖8 HTM63150iy機床

2.   車銑復合加工中心動態(tài)性能測試及拓撲優(yōu)化

通過對車銑復合加工中心動態(tài)性能展開研究，借鑒國內(nèi)外機床動態(tài)特性測試手段以及機床整機仿真分析等方法，實現(xiàn)高檔數(shù)控機床的性能評估及改善，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)?；诂F(xiàn)有機床原型構(gòu)建機床動力學模型分析計算，并針對機床主要部件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善整體動態(tài)性能。

（1）模態(tài)測試

綜合模態(tài)分析方法即用模態(tài)試驗的結(jié)果來驗證和校正模態(tài)仿真的設(shè)置。由于在模態(tài)仿真中需要設(shè)置模型的材料參數(shù)、邊界條件和結(jié)合面部件等效參數(shù)（包括滾珠絲杠、滑塊導軌、軸承），變量較多，各變量對于仿真結(jié)果的影響機理較為復雜。鑒于此原因，我們在進行模態(tài)試驗時采用邊裝配邊進行模態(tài)試驗的方法，也即當裝配一個部件時即進行模態(tài)試驗并進行模態(tài)仿真，并用模態(tài)試驗校正仿真參數(shù)，這樣就確定下該部件的仿真參數(shù)。當再裝配下一個部件時同樣進行模態(tài)試驗和模態(tài)仿真，這樣只需要調(diào)整下一個需要裝配的部件的仿真參數(shù)。由此，便于控制模態(tài)仿真過程中的單一變量，減少誤差。

將各個機床部件參數(shù)導入機床整機模型進行仿真，得到機床的整機模態(tài)性能如圖9所示。

（a）機床整機一階模態(tài)圖；（b）機床整機二階模態(tài)；（c）機床整機三階模態(tài)；（d）機床整機四階模態(tài)

圖9 機床整機各階模態(tài)

從以上整機模態(tài)仿真結(jié)果可以看出，機床階的振動頻率為33Hz，振型為銑主軸結(jié)構(gòu)的振動變形和立柱結(jié)構(gòu)的振動變形，二階振型也為立柱結(jié)構(gòu)與銑主軸結(jié)構(gòu)的振動變形。需要對機床相關(guān)部件進行優(yōu)化和改進。

（2）立柱輕量化

機床立柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標為：低階固有頻率高、運動部件質(zhì)量小、兼具體積與效率。

對機床立柱的箱體式結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的優(yōu)化和改進，如圖10所示。將機床的箱體式結(jié)構(gòu)修改為開放式結(jié)構(gòu)，將箱體式結(jié)構(gòu)的垂直交叉肋板修改為更為穩(wěn)定的斜交叉肋板，并加一些肋板進行加固。采用該結(jié)構(gòu)材料節(jié)省0.03m³，若是采用鑄鐵材料，重量減輕約210kg。

圖10 輕量化立柱結(jié)構(gòu)與剖視圖

使用該立柱結(jié)構(gòu)對機床進行模態(tài)仿真，該模型設(shè)置與機床原仿真模型設(shè)置一致，僅將原模型中的立柱結(jié)構(gòu)換為經(jīng)過改進的機床立柱結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 機床立柱仿真結(jié)果（部分略）

 （3）銑主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化

固有頻率較低說明結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度較小，或者承載質(zhì)量較大。提高結(jié)構(gòu)的剛度或降低結(jié)構(gòu)的承載質(zhì)量，都可以提高機床的固有頻率。根據(jù)研究對象的設(shè)計，機床的銑主軸長度僅為350mm，可以節(jié)省更多的空間，機床的加工空間更大，同時在不降低輸出功率的情況下，該型號主軸的功率密度更高，質(zhì)量更輕，對于機床的動態(tài)特性更有利。

對比機床原設(shè)計動態(tài)特性仿真分析結(jié)果以及銑主軸經(jīng)過改進設(shè)計的機床動態(tài)特性結(jié)果，見表1。

從表1對比分析可以看出，采用新主軸的設(shè)計結(jié)果，機床各階次的頻率都有提升，對銑主軸振動的階次的振型尤其明顯，高階模態(tài)頻率提升也較明顯。

（4） 結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化

此次對結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的流程如圖12所示。

圖12 拓撲優(yōu)化流程

在HTM3150iy的床鞍結(jié)構(gòu)研究中，進行了結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化的研究工作。如圖13所示，其中，x1為兩側(cè)板厚度，x2為前側(cè)板厚度，x3為底板厚度，x4為背部肋板厚度，x5為底部肋板厚度。其優(yōu)化變量見表2。

圖13 HTM3150iy床鞍結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計變量的變化范圍，采用拉丁超立方設(shè)計方法，使試驗設(shè)計矩陣中各個樣本點因素水平分布盡可能均勻，得到15組試驗數(shù)據(jù)，并對得?的數(shù)據(jù)點進行仿真，形成床鞍性能評價指標樣本（見表3）。

通過表3，借助Isight軟件建立RBF近似模型，并根據(jù)所建立的RBF近似模型，基于帕累托法則，得到輸入輸出的帕累托圖（見圖14）。

（a）設(shè)計變量與機床一階固有頻率的帕累托圖；（b）設(shè)計變量與Z大變形量的帕累托圖；（c）基于RBF近似模型的設(shè)計變量與質(zhì)量m的帕累托圖

圖14 設(shè)計變量與響應(yīng)的帕累托圖

利用RBF近似模型進行優(yōu)化分析，借助優(yōu)化算法，得到Z優(yōu)解，為了方便鑄造，對尺寸進行一定的改進。并基于原始有限元模型，將設(shè)計尺寸改為優(yōu)化改進后的尺寸，重新生成模型，并進行靜力分析和裝配條件下的模態(tài)分析，得到的結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，經(jīng)過優(yōu)化改進后機床一階固有頻率提高了4.24%，Z大變形量減小了3.83%，同時床鞍的質(zhì)量減輕了94kg，減少了9.4%。此次優(yōu)化在減輕了床鞍質(zhì)量的前提下，同時提高了一階固有頻率，并且降低了機床床鞍Z大變形量，且結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)特性有所加強，因此該尺寸優(yōu)化改進是可行的。

采用變密度法，經(jīng)過有限元分析及迭代計算，得到機床床鞍結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化結(jié)果，其密度云圖如圖15、圖16所示，紅色區(qū)域為密度大的材料需要保留，藍色區(qū)域為密度小的材料，對結(jié)構(gòu)性能影響相對較小，可以嘗試去除。

圖15 床鞍密度云圖；圖16 床鞍拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)

從鑄造工藝及加工成本方面進行考慮，根據(jù)床鞍拓撲優(yōu)化的結(jié)果，兼顧鑄造方便性及可行性，建議分別在兩側(cè)板的下部開兩個圓孔，在兩側(cè)的上部開一個孔，改進后的結(jié)構(gòu)如圖17所示。

圖17 拓撲優(yōu)化改進后結(jié)構(gòu)

通過表5可知，進行拓撲優(yōu)化后，機床的一階固有頻率有所提升，并且Z大變形量變化很小，且比原結(jié)構(gòu)的Z大變形量小，同時床鞍的質(zhì)量又減少了3.6%，達到了設(shè)計目的，因此該設(shè)計是合理的。

三、成果應(yīng)用及推廣情況

在研發(fā)HTM系列臥式車銑復合加工中心的過程中，開展了機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、熱變形誤差補償技術(shù)、多軸聯(lián)動車銑復合加工工藝、可靠性技術(shù)、在線檢測技術(shù)、三維防碰撞技術(shù)、動態(tài)性能研究與測試技術(shù)、空間誤差補償技術(shù)、高剛性高定位精度B軸技術(shù)和帶刀具自動識別系統(tǒng)的自動換刀技術(shù)的研究。對于以上關(guān)鍵技術(shù)的研究，對車銑復合數(shù)控加工設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)提出了重要的參考和指導要求。

車銑復合加工設(shè)備的精度及其性能指標直接影響了產(chǎn)品的加工精度。車銑復合加工工藝設(shè)計對車銑復合加工設(shè)備的性能依賴性更大，車銑復合加工設(shè)備的主軸數(shù)目、?架數(shù)目、主軸與刀架的相對位置關(guān)系都對車銑復合工藝有很大影響。因此，為了完成高精度的產(chǎn)品加工要求，車銑復合數(shù)控加工工藝設(shè)計及其仿真或?qū)嶋H加工可以有效檢驗車銑復合加工設(shè)備的精度和參數(shù)指標。

在車銑復合加工機床研發(fā)方面，可考慮解決現(xiàn)有的車銑復合工藝設(shè)計問題，如工藝設(shè)計過程中，易出現(xiàn)刀架上的非加工刀具與工件或機床干涉的問題，可考慮將刀架改為刀塔，并建立刀具庫，不僅提高了加工過程中可攜帶的刀具數(shù)量，而且大大減少了發(fā)生干涉碰撞的概率。

在車銑復合加工機床的生產(chǎn)裝配方面，車銑復合加工工藝對機床刀架、主軸的位置精度、雙主軸之間的位置精度、雙刀架之間的位置精度等方面提出了具體的要求，合理安排車銑復合加工設(shè)備裝配工藝，保證車銑復合機床的精度要求。如HTM63系列車銑加工中心是沈陽機床自行開發(fā)設(shè)計HTM系列五軸車銑中心的更新?lián)Q代產(chǎn)品，具有先進水平。該車銑中心除了可以實現(xiàn)直線、斜線、圓弧、錐螺紋及多頭螺紋外，還可進行銑直、斜面，銑螺旋槽，銑螺紋，以及鏜、銑鉆等多種加工方式，特別適合于軍工、航空航天、船舶、運輸?shù)刃袠I(yè)對高精度、形狀復雜的大型回轉(zhuǎn)體零件加工的要求。

同時在產(chǎn)品研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化過程中，同相關(guān)用戶緊密聯(lián)系，針對臥式車銑復合加工中心的幾個典型樣件，進行車銑復合工藝研究與示范應(yīng)用，實現(xiàn)一次裝卡中完成回轉(zhuǎn)車削、斜面及曲面銑削、斜孔及孔口倒圓加工等多道工序。

掌握和優(yōu)化用戶加工工藝，努力開拓市場需求空間，始終把用戶的需求放在位，通過解決Z終銷售問題，保證了產(chǎn)業(yè)化目標的實現(xiàn)。

來源：《世界制造技術(shù)與裝備市場（WMEM）》雜志2020年第1期