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立式双轴车削中心助力高效、高柔性加工

2011年9月24日 10:13

随着机床产品呈现出多轴化、复合化的发展趋势,并具有高效、多能和高精度的特点,东风汽车有限公司设备制造厂开发出对置双主轴立式车削中心,该机床可适应常用金属材料零件两端完全粗、精加工的高柔性、高精度加工,可实现全自动生产,并能很方便地连入自动生产线中,或者与同类机床串联形成新的具有高度柔性的加工自动线。 汽车、摩托车生产中存在大量轴、盘毂类回转体零件加工,往往数量大、品种多、要求高、工艺内容复杂,对车削设备提出了高效率、高柔性、高精度和多功能的要求,促进了车削设备的快速发展。许多刀辅具、电力驱动及控制、传动及测量等方面的新技术在其中得到应用,相关技术的发展也使得机床结构变得多种多样。 图1 对置双主轴立式车削中心 国外先进机床行业在数控车削中心的设计制造上技术成熟,其机床产品呈现多轴化、复合化的发展趋势,具有高效、多能和高精度的特点,代表了此类机床的发展方向。顺应这一发展趋势,我厂开发了对置双主轴立式车削中心(如图1),填补了国内此类设备空白。 机床总体布局和性能特点 引入全新立车设计理念,结合主轴倒置立车与传统立车结构形式,采用克服传统车床缺陷的机床结构布局方案,机床设计目标期望满足下列要求: 1. 高度自动化从而实现高效率,易于自动化连线。 2. 易于排屑,可靠定位,从而有利于加工自动化和加工质量的保障。 3. 适应常见金属零件两端完全粗、精加工的高柔性、高精度车削。 4. 先进技术的应用(大扭矩电主轴开发应用、高速度高精度进给系统开发应用以及动力刀架应用等)和先进的技术指标,适应国内机床应用维护水平的进步。 机床由床身、十字滑台、移动倒置机床主轴I、电动刀架I、固定正置主轴II、伺服动力刀架II、下料机械手、电气、液压、自动集中润滑、气路和自动冷却排屑系统等部件构成,根据具体零件加工条件,另配备相应刀辅具、夹具和上下料自动滚道,编制相应数控加工程序,即构成完整的自动化制造系统(如图2)。 图2 完整的自动化制造系统 机床工作循环为:工件通过上料机动滚道到达上料位置→主轴I下行(Z1轴),上料油缸顶起工件实现端面定位,夹具I由回转油缸驱动夹紧→主轴I抓起工件沿 Z1、X1轴运行到刀架I加工区间→工件按程序加工→主轴I沿Z1、X1轴运行到主轴II,将工件放置主轴II,夹具II夹紧,主轴I 返回进入下一循环→刀架II沿X2、Z2轴运行到主轴II→工件按程序加工→夹具II松开,刀架II安装台上的下料机械手抓起工件沿X2、Z2轴运行到下料滚道并放下工件→下料机动滚道将工件送出机床。 由此显见,主轴I(夹具I)和刀架II的二坐标运动除完成切削进给功能外,还兼有自动上下料运动的功能,配备自动滚道后,全自动化生产变得简便易行,数控的主轴和进给轴运动保证了加工的灵活性。加工盆形工件时盆形向下,刀架I加工盆内特征,刀架II加工盆外特征,排屑顺畅,定位可靠,利于加工。对置双主轴+上下双刀架配置简单,实现工件两端完全加工,比较两台单轴立车组线,机床部件和占地面积更少,工件输送更简单、可靠,这些构成了机床结构最大的优点。 比较国外类似机床,本机床结构吸取了其优点,且主要技术性能指标已处相同水平,各进给坐标轴快进速度达40m/min,加速度达0.4g,定位精度和重复定位精度分别达0.008mm和0.005mm。 机床可加工工件最大直径φ350mm,最大高度250mm,两刀架均为8刀位,足以满足较复杂工件加工,配置伺服动力刀架,更可以对工件进行铣镗、钻孔、攻丝等加工,也可配置自动检测系统以具备刀具补偿和自动对刀功能,丰富、灵活的配置极大地满足了功能集成化、多工序工艺复合化的要求。 主要技术要点 1. 大扭矩车削电主轴的开发 立车主轴I需要快速移动,因此采用伺服电主轴(如图3)驱动方式,比较传统机械主轴,其结构简单、体积小、重量轻、噪音小和传动惯量小,快速响应好,能实现极高的速度、加速度。 图3 主轴结构 一般立车主轴上装较大夹具及工件,要求电机转速相对较低、扭矩相对较大,这一点与加工中心用电主轴显著不同,为此专门开发了本机床使用的电主轴,其转速额定1000r/min,最大2800r/min,扭矩额定260Nm,最大340Nm。 主轴尾端装有齿轮式绝对编码器,用于主轴转速和周向位置控制反馈,实现主轴C轴功能,使得机床具备周向特征加工功能,如钻孔、攻丝和铣槽等。 车削工件环状端面时,往往采取恒线速、变转速切削,直到限制转速后再恒转速切削,有利于提高效率和表面加工质量。配置德国INDRAMAT公司MTC200-R数控系统和DIAX04系列全数字交流伺服系统,使其得以方便实现。 采用进口精密角接触球轴承组,轴承采用全寿命免维护高级脂润滑,采用气密封,0.1MPa压力气流经端盖与主轴表面间隙外泄,阻挡污物进入,空气过滤精度0.001mm且经过干燥,这种密封比接触式密封和迷宫密封效果更好。 内装主轴电机作为高功率密度的伺服电机,电流较大,定子绕组电流和转子感应涡流产生大量热量,进而影响到轴承温度,对其强制冷却是必需的。主轴箱体设计了通过转子、轴承外部的水冷通道,采用压力低于0.3MPa温度低于40℃的水强制冷却,水中加防锈剂。水冷系统的可靠工作极为重要,水冷系统具备温度、压力监控报警,防止主轴损坏。 机床自动化运行,采用进口回转油缸和液压动力卡盘。 主轴箱体采用铸造铝合金材料,重量比铸铁减轻 60%,减小惯量利于提高加速性能,同时利于主轴散热。考虑硬度较低,容易擦伤,其主轴孔不宜直接安装配合较紧的轴承,主轴孔内衬以钢套,确保可多次高精度重复装配。箱体壁内加工出气、液通道孔,管线全从主轴尾端接入,整齐美观。 主轴旋转部分经动平衡,等级G2.5,主轴高速区间运转平稳,无振动,利于使用寿命和加工质量。 2. 高速、高精度进给系统开发 进给系统包括X1、X2、Z1、Z2四轴伺服控制直线运动,完成两个工位的进给功能。 采用进口高刚性精密滚柱直线导轨,满足粗加工高负载和精加工高精度两方面要求;使用进口光栅尺作为滑台位置测量反馈元件,组建机床全闭环控制系统。 使用伺服电机和进口精密滚珠丝杠组成进给运动系统,对传动系统中电机负载、惯量匹配性能和系统刚性进行精心设计校核。各轴负载惯量与电机转动惯量之比控制在1.0~1.5之间,保证其运动响应迅速;采用丝杠两端固定并对丝杠预拉伸,提高系统刚度,保证实现微细进给。 3. 电控系统 配置INDRAMAT公司MTC200-R数控系统,该系统具有高性能、高柔性和高可靠性等特点,有丰富的NC编程指令集,可以满足各种通用、专用机加工机床的加工要求,该数控系统还集成了PLC控制器、PLC编程器,人机接口等功能;配置INDRAMAT公司的DIAX04系列全数字交流伺服系统,该系列伺服系统具有高精度、高速度和高可靠性等特点,并具有完善的故障诊断、状态提示功能;配备10.4in(1in=25.4mm)彩色液晶TFT显示器作为人机接口,实时显示机床的状态,包括各伺服轴的运动速度、当前位置、各机床检测开关的状态以及执行元件的状态等;该机床还有操作提示功能、故障诊断和显示功能,指导操作及维修人员进行使用、维修机床。 结语 新型立式车床具有结构紧凑、敞开性好和排屑流畅的特点,可适应常用金属材料零件两端完全粗、精加工的高柔性、高精度加工,可实现全自动生产,并能很方便地连入自动生产线中,或者与同类机床串联形成新的具有高度柔性的加工自动线。该机床于2005年成功研制后,各项性能指标达到预期目标,投入生产使用良好,并获得2006年中国数控机床展览会春燕奖二等奖、2007年中国汽车工业科技进步三等奖项。

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