李忠新 張之敬 金 鑫

(北京理工大學(xué)，北京 100081)

隨著微小型系統(tǒng)在航天航空、汽車、兵器、醫(yī)療器械等領(lǐng)域中越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，如航空航天慣性部件、微小發(fā)動(dòng)機(jī)、微小武器部件以及精密醫(yī)療器械等的微小型化、輕量化要求越來(lái)越高，對(duì)精密微小零件的制造技術(shù)提出了更高的要求。利用切削加工在結(jié)構(gòu)成形加工和可加工材料多樣性等方面的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合微型工廠概念，通過(guò)機(jī)床微小型化以大規(guī)模并行方式搭建集成微型制造系統(tǒng)，將是一種經(jīng)濟(jì)可行的加工技術(shù)方法。

微細(xì)加工技術(shù)屬于精密加工范疇，是指制造微小尺寸零件或者大尺寸零件微功能結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)［1-2］。精密微小型車銑復(fù)合加工技術(shù)則是定位于復(fù)合加工的微細(xì)加工技術(shù)，是針對(duì)日益增多的精密微小復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工難題而發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)加工技術(shù)。在精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床設(shè)計(jì)中引入局部可重配置概念［3］，在實(shí)現(xiàn)微小型零件完整加工的同時(shí)，使微小型機(jī)床同時(shí)具備加工零件變化快速響應(yīng)的能力。

1 精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床總體技術(shù)

精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床總體技術(shù)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)總體技術(shù)、控制系統(tǒng)總體技術(shù)、可重配置模塊技術(shù)、精度控制技術(shù)、工藝數(shù)據(jù)管理技術(shù)等，如圖1 所示。

精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)總體技術(shù)主要包括功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、機(jī)床行程及加工范圍設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等方面。其中，功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要指體現(xiàn)機(jī)床加工能力的伺服驅(qū)動(dòng)軸與進(jìn)給軸、控制軸與聯(lián)動(dòng)軸、關(guān)鍵功能模塊以及支撐輔助結(jié)構(gòu)等的設(shè)計(jì)技術(shù);機(jī)床行程及加工范圍設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要指機(jī)床整體結(jié)構(gòu)及各機(jī)械子結(jié)構(gòu)的空間布局技術(shù)。

精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床的控制系統(tǒng)總體技術(shù)包括控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)、軟定位與系統(tǒng)互鎖、控制系統(tǒng)精度控制與補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。

精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床的精度控制技術(shù)具體包括誤差建模技術(shù)、精度補(bǔ)償技術(shù)、機(jī)床與加工過(guò)程動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)等。

2 局部可重配置精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床的各項(xiàng)功能和技術(shù)指標(biāo)，從以下方面考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案:

2.1 功能的實(shí)現(xiàn)

機(jī)床本體包括X、Z、C 三個(gè)坐標(biāo)軸，車削主軸沿Z軸布置，同時(shí)車削主軸具有繞Z 軸旋轉(zhuǎn)的功能，即C軸功能，且可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)分度定位。

采用模塊化設(shè)計(jì)，在機(jī)床縱橫溜板上設(shè)計(jì)Y 軸組件與數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)(雙工位、B 軸)，且Y 軸組件能夠與機(jī)床其他軸聯(lián)動(dòng)，Y 軸組件可配備銑削電主軸、磨削電主軸等動(dòng)力主軸，使機(jī)床具備車、銑、車銑、車磨、鏜、鉆、鉸、攻絲等多種工藝手段的加工能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)精密微小復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的完整性加工。圖2 為配置銑削總成與自動(dòng)換刀刀庫(kù)的微小型車銑復(fù)合加工中心布局。

2.2 機(jī)床行程和加工范圍

機(jī)床行程和加工范圍主要通過(guò)機(jī)床整體結(jié)構(gòu)與各功能模塊的設(shè)計(jì)和合理布局實(shí)現(xiàn)。圖3 所示為4 軸精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床的機(jī)床行程與加工范圍布局。

4 軸精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床主要用于加工以下結(jié)構(gòu)或工件:

(1)直徑為φ0.1～25 mm 的軸類工件。

(2)典型微細(xì)結(jié)構(gòu)，如截面尺寸為0.1 mm ×0.1 mm、長(zhǎng)度L≥1 mm 的方軸。

(3)幾何尺寸為0.1 mm×0.1 mm ×0.1 mm～50 mm×30 mm×50 mm 工件的銑削加工。

3 局部可重配置精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床主要功能組件設(shè)計(jì)

3.1 復(fù)合加工機(jī)床本體

考慮現(xiàn)有機(jī)床的技術(shù)成熟性、精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床的技術(shù)指標(biāo)要求和設(shè)計(jì)加工成本，局部可重配置精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床的機(jī)床本體選用小型精密CNC 刀塔式車床KNC -50FS 本體結(jié)構(gòu)，具有以下設(shè)計(jì)特征或要求:

(1)具有X、Z 向移動(dòng)滑臺(tái)，X 向行程320 mm，Z向行程270 mm。

(2)可加工工件直徑范圍:φ0.1～25 mm;最大加工長(zhǎng)度100 mm。

(2)具有車削功能(數(shù)控刀架)，同時(shí)車削主軸具有繞Z 軸旋轉(zhuǎn)的功能，即C 軸功能，可無(wú)級(jí)分度。

(3)X、Z 軸的重復(fù)定位精度在±0.003 mm 范圍內(nèi)。

(4)復(fù)合加工機(jī)床主體導(dǎo)軌具備大的承重能力，以便在主體結(jié)構(gòu)上安裝其他功能模塊。

3.2 銑削總成

銑削總成(Y 軸總成)，作為一個(gè)完整功能模塊，與其他功能模塊共同組合構(gòu)成局部可重配置精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床，可實(shí)現(xiàn)徑向銑圓、銑平面、連續(xù)輪廓銑削、鉆孔、端面銑槽等加工操作。

銑削總成采用機(jī)械Y 軸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，主要有以下考慮:一是機(jī)械Y 軸方式的銑削總成，靠機(jī)械保證y 坐標(biāo)與x、z 坐標(biāo)垂直關(guān)系，可達(dá)到較高精度;二是機(jī)械Y 軸結(jié)構(gòu)，可以將動(dòng)力刀架總成安裝在Y 軸立柱上，使切削時(shí)的負(fù)荷由基準(zhǔn)導(dǎo)軌面來(lái)承受，能夠進(jìn)行高剛性的切削，相對(duì)獨(dú)立的刀架總成可以使用高轉(zhuǎn)速的電主軸，易于實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速切削;三是考慮到機(jī)械Y 軸結(jié)構(gòu)機(jī)床所需要的結(jié)構(gòu)尺寸較其他類型Y 軸結(jié)構(gòu)相比更為龐大，因此根據(jù)微小型車銑復(fù)合機(jī)床的本體結(jié)構(gòu)與空間布局以及銑削總成自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，銑削總成Y 軸行程設(shè)計(jì)為±30 mm，能夠滿足微小型車銑復(fù)合機(jī)床的微小型零件加工需求。

銑削總成工作原理如圖4 所示。立柱通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)固定在機(jī)床X 軸滑板上，伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)溜板向上(Y 軸正向)或向下(Y軸負(fù)向)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)Y 軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，銑削電主軸通過(guò)電主軸座固定在Y 軸溜板上，電主軸的高速旋轉(zhuǎn)為切削的主運(yùn)動(dòng)，與X、Y 軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)合成實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的銑削加工。

銑削總成采用洛陽(yáng)軸承所研制的Φ80 mm 動(dòng)力電主軸，其最高轉(zhuǎn)速達(dá)45 000 r/min，最大裝夾銑刀直徑φ7 mm;進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力源為FANUC β4/4000is 伺服電動(dòng)機(jī)，通過(guò)同步帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳輸至THK 公司的DIK1605 -6RRG0 +245LC1 滾珠絲杠副，驅(qū)動(dòng)燕尾滑軌結(jié)構(gòu)完成Y 軸進(jìn)給;經(jīng)檢測(cè)，銑削總成全行程(±30 mm)內(nèi)定位精度＜0.003 mm，重復(fù)定位精度不超過(guò)±0.001 5 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)

為實(shí)現(xiàn)曲面的加工以及在外圓上的銑槽、鏜、鉸和鉆孔等加工，設(shè)計(jì)了雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，如圖5 所示。該數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)可在0°～90°之間選擇，并保證0°與90°兩個(gè)工位的精確定位與鎖緊。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在銑削總成的下方，使銑削總成能夠?qū)崿F(xiàn)0°與90°兩個(gè)位置的定位與加工。雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)采用齒輪齒條傳動(dòng)方法，氣缸推動(dòng)齒條與齒輪嚙合帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面轉(zhuǎn)動(dòng);同時(shí)為保證旋轉(zhuǎn)定位精度、重復(fù)定位精度采用了在轉(zhuǎn)臺(tái)的0°與90°兩工位上設(shè)計(jì)擋塊機(jī)構(gòu)，配合氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的定位和夾緊。受到精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床空間尺寸和銑削總成的行程設(shè)計(jì)要求限制，雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)小型化要求較高，其整體高度(轉(zhuǎn)臺(tái)安裝底面至轉(zhuǎn)臺(tái)工作臺(tái)面距離)僅為80 mm，屬于超薄型數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，端面跳動(dòng)±0.003 mm，定位精度±10 〞。

3.4 YB 軸組件

銑削總成、雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)均作為具備可重配置微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床的獨(dú)立功能模塊，同時(shí)將兩個(gè)獨(dú)立功能模塊進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)與集成，又形成了新的完整功能模塊YB 軸組件，如圖6 所示。

YB 軸組件相比于銑削總成、雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，技術(shù)水平得到了進(jìn)一步的提高，功能也更加集成和完善。與銑削總成、雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)相比，YB 軸組件在設(shè)計(jì)上進(jìn)行了如下改進(jìn):

(1)YB 軸組件使用直線導(dǎo)軌代替原銑削總成中的燕尾導(dǎo)軌，從機(jī)械結(jié)構(gòu)角度提高了YB 軸組件的整體傳動(dòng)精度。

(2)將機(jī)床本體的數(shù)控車刀架功能集成到Y(jié)B 軸組件中，豐富和加強(qiáng)了YB 軸組件的功能與加工能力。

(3)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)功能升級(jí)，具備了B 軸功能，可實(shí)現(xiàn)任意角度的無(wú)級(jí)分度、轉(zhuǎn)動(dòng)和定位;新型轉(zhuǎn)臺(tái)的鎖緊機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)鉗夾技術(shù)，選用了產(chǎn)于德國(guó)的氣動(dòng)鉗夾機(jī)構(gòu)，其鎖緊力矩達(dá)140 N·m，可以滿足定位與YB 軸組件加工狀態(tài)對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的鎖緊要求。

4 精密微小型復(fù)合加工機(jī)床的局部可重配置性

表1 可重配置機(jī)床相關(guān)幾何精度檢測(cè)表

復(fù)合加工機(jī)床本體、銑削總成、雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、YB 軸組件、自動(dòng)換刀刀庫(kù)等功能模塊共同組成了局部可重配置微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床的可重配置功能模塊庫(kù)，通過(guò)不同功能模塊的有機(jī)配置，結(jié)合控制系統(tǒng)等技術(shù)可構(gòu)建不同的精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床，以適應(yīng)不同的工件加工要求和復(fù)合加工機(jī)床功能要求。

圖7 為由機(jī)床本體、銑削總成、雙工位數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)等主要機(jī)械功能模塊構(gòu)建的4 軸微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床，其主要幾何精度檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。

由機(jī)床本體、YB 軸組件等主要機(jī)械功能模塊則可構(gòu)建5 軸精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床。精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床均留有自動(dòng)換刀刀庫(kù)的機(jī)械與控制接口，配置自動(dòng)換刀刀庫(kù)功能模塊后，即可升級(jí)為4 軸精密微小型車銑復(fù)合加工中心或5 軸精密微小型車銑復(fù)合加工中心，如表2 所示。

表2 局部可重配置復(fù)合加工機(jī)床主要機(jī)械功能模塊配置表

局部可重配置車銑復(fù)合加工機(jī)床配置不同的功能模塊或電主軸，將具備不同的加工工藝能力，如表3所示。

表3 局部可重配置微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床工藝能力分析

5 結(jié)語(yǔ)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床的加工能力，利用研制的4 軸與5 軸精密微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床進(jìn)行了微細(xì)軸、球頭軸、微小渦輪、微小乒乓球拍、微小神七模型、撓性接頭等典型微小工件的加工實(shí)驗(yàn)。局部可重配置微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床不僅具備了精密微小復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的完整加工能力，同時(shí)能夠保證精密微小復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工精度，是精密微小復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工的可靠工藝手段之一。

［1］袁哲俊，王先逵.精密和超精密加工技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［2］王先逵.精密復(fù)合加工技術(shù)［J］.現(xiàn)代制造工程，2012(2):1 -6.

［3］Zhang Zhijing，Zhou Min，Yuan Wei，et al.Modeling of local -scale RMT for mesoscale turn -milling technology［M］.Wuxi:IEEE，2010:312 -315.