大扭矩擺角銑頭現(xiàn)狀分析和優(yōu)化改進

韓慶元，謝文洪，劉思遠，齊波

北京航臻科技有限公司 北京 100088

1 序言

擺角銑頭部件是五坐標機床的核心部件，應用比較廣泛的AC擺角頭加工范圍大，動態(tài)響應好，但擺角扭矩相對AB擺角頭嚴重不足，對于鈦合金、合金鋼等難加工材料加工，尤其是大余量粗加工適用性不強，效率較低。所以目前大扭矩高剛性的擺角銑頭在強力加工中優(yōu)勢明顯。

2

國內(nèi)外擺角銑頭研究現(xiàn)狀

AB擺角頭部件在國外并沒有專業(yè)廠家生產(chǎn)銷售，現(xiàn)階段國外也只有意大利的PARPAS和RAMNAUD（見圖1）公司、美國的CINCINNATI公司生產(chǎn)AB擺角機床，而且只有CINCINNATI公司生產(chǎn)的是高性能的AB擺角機床，法國的FOREST-LINE（見圖2）有著多年生產(chǎn)大型AB擺角銑頭五軸機床的經(jīng)驗，其產(chǎn)品在航空工廠也有較多的應用，但由于種種原因，該公司已經(jīng)停止AB擺角銑頭及其配套機床的生產(chǎn)。

圖1 意大利RAMNAUDRAMMATIC1000

圖2 法國FOREST-LINE-V1 2000 2T

意大利的RAMNAUD和PARPAS生產(chǎn)的設備體積、功率和扭矩等相對較小，在鈦合金結(jié)構(gòu)件加工尤其是粗加工時顯得能力不足，主要配套立式加工中心進行小型零件的加工。法國FOREST-LINE生產(chǎn)的AB擺角銑頭剛性足、扭矩大，主軸具有多擋變速，最大轉(zhuǎn)速可以達到6000r/min，不僅可以進行鈦合金的粗、精加工，而且能兼顧鋁合金結(jié)構(gòu)件的加工。但其結(jié)構(gòu)較為復雜，所有傳動環(huán)節(jié)都在箱體內(nèi)部，雖然顯得很緊湊，但是加工和裝配難度非常大，對加工設備、加工工藝、人員素質(zhì)及工裝夾具等要求都很高，一定程度上影響了加工可靠性和品質(zhì)一致性，高昂的生產(chǎn)成本也降低了市場競爭力。表1為國外幾款AB擺角頭技術(shù)參數(shù)對比。

表1 國外幾款AB擺角頭技術(shù)參數(shù)對比

國內(nèi)一些機床企業(yè)也開發(fā)出了AB擺角頭機床產(chǎn)品，但是技術(shù)成熟度、可靠性以及特定種類飛機結(jié)構(gòu)件加工的針對性和適應性不夠，基本處于能用，距離適用、好用還有一定差距。此外很多用戶也對國產(chǎn)AB擺角銑頭的性能水平不夠信任，不愿承擔風險，首選還是國外AB擺角機床，即便是出于自主可控等政策要求采購國產(chǎn)產(chǎn)品，價格也是低得可憐，導致很多機床廠不愿意投入資源對AB擺角頭進行深入研究。

本文研究的AB擺角銑頭是在國家科技重大專項課題“數(shù)控機床雙擺角銑頭關(guān)鍵技術(shù)研究及應用示范”的支持下，深入挖掘用戶使用需求，細分加工對象的結(jié)構(gòu)和工藝特點，分析現(xiàn)有國內(nèi)外AB擺角銑頭的結(jié)構(gòu)特點和應用情況，開發(fā)出適用、可靠及高效的AB擺角頭產(chǎn)品，并配套數(shù)控機床在典型航空結(jié)構(gòu)件批量加工中示范應用。

3 加工對象分析

現(xiàn)代飛機構(gòu)造中，結(jié)構(gòu)件構(gòu)成了飛機的骨架，是飛機的主要承力件，其特點是結(jié)構(gòu)復雜、精度要求高和比強度大，絕大部分飛機結(jié)構(gòu)件需要數(shù)控加工而成。肋、框和梁類零件是飛機結(jié)構(gòu)件的典型代表（見圖3），雙面薄壁槽腔類結(jié)構(gòu)材料去除率大（90%以上），腹板、緣條、筋條高度不等成臺階狀且?guī)в袣鈩油庑?，具有開閉角結(jié)構(gòu)，需五軸聯(lián)動加工，加工精度和表面質(zhì)量要求高[1,2]。這些結(jié)構(gòu)件主要由鈦合金、不銹鋼和鋁合金材料制成，其中以鈦合金結(jié)構(gòu)件最難加工，加工工時最長。鈦合金具有比強度高、耐蝕性好和耐高溫等優(yōu)點，但是鈦合金的高溫強度特性意味著在切削溫度下具有高的硬度和剛度[3]，加工時需要更大的切削力，這就決定了加工設備要具有足夠的剛性和驅(qū)動扭矩。

圖3 典型飛機結(jié)構(gòu)件

AB擺角銑頭具備主軸功率和扭矩大、擺角剛性和扭矩足的特點，可以滿足鈦合金、不銹鋼類難加工材料大余量強力粗切削的要求。同時，由于飛機結(jié)構(gòu)件多具有開閉角結(jié)構(gòu)，最大開角和最大閉角一般在15°以內(nèi)，而AB擺角結(jié)構(gòu)較為直觀、布局開敞，且易于獲得大扭矩，銑頭擺動范圍可以覆蓋絕大部分框、梁類等典型結(jié)構(gòu)件的加工。所以未來航空工廠及其配套工廠對配置AB擺角銑頭的機床有較大的需求。

4 AB擺角銑頭結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化

4.1 高剛性、大扭矩的AB擺角機構(gòu)設計

由于AB擺角銑頭主要加工對象為鈦合金等難加工材料制成的飛機結(jié)構(gòu)件，切削抗力大，這就要求擺角頭具有非常高的擺角驅(qū)動扭矩和傳動剛性。要獲得充足的擺角扭矩，主要有兩種方式，一種是大型力矩電動機直接驅(qū)動，無傳動間隙，精度高、速度快，但這種方式由于沒有變速，很難獲得特別高的輸出扭矩，最大一般只能做到三四千牛米，更大規(guī)格的力矩電動機基本屬于非標定制產(chǎn)品，不僅成本陡增，其較大的結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量導致很難在AB擺角上布置，所以一般AB擺角銑頭基本不采用力矩電動機驅(qū)動擺角運動。另一種方式是用普通的伺服電動機通過多級變速來實現(xiàn)大扭矩輸出，這種方式性價比高，通過合理的傳動和速比設計很容易實現(xiàn)非常高的扭矩驅(qū)動，可以達到幾萬牛米，滿足鈦合金強力切削對擺角扭矩的需求。

目前，回轉(zhuǎn)驅(qū)動的機械傳動形式最常見的是齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動。齒輪傳動可傳遞空間任意軸間的運動和動力，有開式、閉式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，適應范圍廣（傳遞速度、功率范圍都大），壽命長，效率高。但是單級傳動速比較小，一般＜8，如果要獲得大速比需采用多級傳動或行星傳動的齒輪箱，結(jié)構(gòu)尺寸大，齒輪齒圈結(jié)構(gòu)單級雖然也能獲得較大速比，受齒圈直徑過大的影響，一般在大規(guī)格轉(zhuǎn)臺上用于回轉(zhuǎn)傳動，而在擺角機構(gòu)上基本采用齒輪配對弧形齒條實現(xiàn)小范圍擺動。蝸輪蝸桿傳動的優(yōu)勢是單級速比較大，動力傳動中傳動比一般為8～80，結(jié)構(gòu)緊湊，為多齒嚙合傳動，故傳動平穩(wěn)、噪聲很小。兩輪嚙合齒面間為線接觸，具有很高的承載能力，具備自鎖功能，但傳動效率相對較低。

國際上也有一些機床廠商在回轉(zhuǎn)運動設計中采用一種凸輪式傳動機構(gòu)。凸輪式傳動機構(gòu)主要由凸輪、凸輪滾子和回轉(zhuǎn)從動件組成，凸輪滾子在回轉(zhuǎn)從動件圓周方向徑向均勻排列，凸輪為螺旋狀，作為主動輪并與凸輪滾子相嚙合，從而帶動回轉(zhuǎn)從動件做回轉(zhuǎn)運動。凸輪式傳動機構(gòu)避免了一般蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)因磨損而造成的精度降低，并且在嚙合過程中，凸輪滾子和凸輪兩側(cè)面曲面存在預載，消除了反向間隙，提高了整個機構(gòu)的精度和剛度。同時，凸輪滾子采用了滾針支撐，由滾動代替普通嚙合時的滑動摩擦，有效避免了磨損對運行精度的影響，使整個傳動機構(gòu)更可靠，效率更高。但是，由于凸輪型面復雜，加工工藝難度較大，所以目前我國凸輪傳動機構(gòu)的生產(chǎn)水平與國外的差距較大，凸輪傳動機構(gòu)主要靠進口，受到出口限制和價格因素的嚴重制約，因此，該傳動方式不在考慮范圍內(nèi)。

3種傳動機構(gòu)實體如圖4所示。

圖4 3種傳動機構(gòu)實體

通過以上對比，任何一種單獨的傳動方式都很難滿足AB擺角銑頭大扭矩驅(qū)動所需要的大速比要求，需采用集中的組合方式，同時要兼顧結(jié)構(gòu)緊湊，大負載傳動平穩(wěn)，便于安裝調(diào)整及維護，高性價比。經(jīng)綜合分析，最終確定了AB擺角銑頭的驅(qū)動方案，總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 AB擺角銑頭結(jié)構(gòu)

AB擺角銑頭驅(qū)動采用伺服電動機驅(qū)動蝸輪蝸桿箱變速増扭，并通過其輸出齒輪與大直徑弧形齒條嚙合進一步放大扭矩，來實現(xiàn)AB擺角機構(gòu)的大扭矩驅(qū)動，傳動鏈速比＞1000，驅(qū)動扭矩27000N·m以上。擺角頭結(jié)構(gòu)采用模塊化設計，AB擺角驅(qū)動箱為通用獨立部件，降低加工、檢驗、裝配和維護難度和成本，提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，便于產(chǎn)品系列化。

AB擺角銑頭驅(qū)動機構(gòu)的傳動環(huán)節(jié)由蝸輪蝸桿和齒輪弧形齒條兩級構(gòu)成。為了補償因加工、裝配和溫度變化引起的尺寸變化，以防卡死，并為潤滑油膜留出空間，齒輪和蝸輪蝸桿嚙合傳動時均留有側(cè)隙，但側(cè)隙的存在會導致反向運動時產(chǎn)生空程，影響傳動精度和平穩(wěn)性，需要對傳動環(huán)節(jié)進行消隙設計，盡量減小或消除傳動鏈的反向間隙。對于蝸輪蝸桿傳動而言，雙段式蝸輪蝸桿和雙導程蝸輪蝸桿（見圖6）消隙效果比較好，但承載能力和傳動剛性相對普通單導程蝸桿較差，而且加工難度和價格也相對較高。

圖6 雙段式蝸輪蝸桿和雙導程蝸輪蝸桿原理

經(jīng)綜合考慮分析，為了滿足AB擺角銑頭驅(qū)動大扭矩、高剛性、高承載和高可靠性的要求，兼顧性價比，確定采用傳統(tǒng)的普通單導程蝸桿設計，通過配磨蝸桿箱和蝸輪箱體之間的隔墊來調(diào)整中心距，減小側(cè)隙。驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 AB擺角銑頭驅(qū)動結(jié)構(gòu)

AB擺角銑頭驅(qū)動的第二級為齒輪弧形齒條傳動，也是側(cè)隙較大的一環(huán)，所以也需要做消隙設計。通過彈簧形式的柔性調(diào)整可以實現(xiàn)自動補償，但會影響傳動平穩(wěn)性，且這種調(diào)整方式結(jié)構(gòu)復雜，傳動剛性低，不滿足AB擺角銑頭要求的高剛性驅(qū)動。設計采用內(nèi)外雙齒輪軸，通過機構(gòu)剛性調(diào)整兩輸出齒輪周向相對扭轉(zhuǎn)錯位，嚙合時，雙齒輪中的一個輪齒與相鄰弧形齒條輪齒的受力面嚙合，而雙齒輪的另外一個輪齒與相鄰輪齒的背面嚙合，從而達到消除齒側(cè)間隙的目的。

4.2 高剛性、大扭矩、高轉(zhuǎn)速的齒輪傳動機械主軸箱設計

主軸是直接參與加工的重要部件，目前數(shù)控機床廣泛采用的主軸主要有電主軸和機械主軸兩類。電主軸的優(yōu)點是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大，直驅(qū)零傳動、無極調(diào)速、轉(zhuǎn)速高及動態(tài)性能好，隨著高速、高效加工的理念深入人心，其應用越來越廣泛，缺點是維護保養(yǎng)復雜、耐沖擊性差及輸出扭矩小，雖然國外一些機床廠如MCM、DMG MORI、Starrag等也采用了1000N·m以上的大規(guī)格電主軸配置在臥式加工中心上進行高溫合金、鈦合金等材料的加工，但也僅限于發(fā)動機機匣、葉盤等這些加工余量很少的發(fā)動機盤環(huán)件，對于飛機結(jié)構(gòu)件這種大余量切除的粗加工適用性不強，且成本昂貴。而齒輪傳動的機械主軸通過合理設計傳動比，可以將扭矩做得很大，而且箱體式結(jié)構(gòu)尺寸大，剛性更足，適合與結(jié)構(gòu)開敞的AB擺角箱進行配套，機械主軸受切削振動和沖擊影響相對電主軸不敏感，可靠性高。針對鈦合金等難加工材料制成的飛機結(jié)構(gòu)件加工尤其是大余量去除的粗加工，機械主軸的優(yōu)勢明顯。所以本文研究的AB擺角銑頭配置齒輪傳動機械主軸。

鈦合金等難加工材料飛機結(jié)構(gòu)件加工，需要主軸箱具備足夠的剛性和承載能力，這就要求主軸直徑較大，主軸軸承尺寸也隨之增大。為了增強加工適應性，還要兼顧鋁合金結(jié)構(gòu)件的加工，同時要求主軸具備高轉(zhuǎn)速，大直徑主軸在高轉(zhuǎn)速下軸承發(fā)熱會顯著增加，需要通過合理的潤滑、冷卻和預緊設計來保證軸承高速運行時達到熱平衡，軸承溫度不能高于60℃，否則軸承壽命會大大降低，甚至有燒毀風險。

為了實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)件高速、高效加工，需要兼顧高剛性、大扭矩與高轉(zhuǎn)速的雙重特性。為了滿足以上要求，設計時，需采用高性能、高功率電動機作為驅(qū)動源，但電動機直驅(qū)主軸無法獲得較大扭矩，需要通過載荷傳遞能力較強的齒輪傳動進行減速増扭來實現(xiàn)大扭矩驅(qū)動。為實現(xiàn)主軸的高轉(zhuǎn)速，需要將主軸傳動設計為兩個擋位，高速擋通過齒輪增速來實現(xiàn)主軸高轉(zhuǎn)速運行，低速擋通過齒輪減速來實現(xiàn)大扭矩。通過滑移換擋實現(xiàn)兩組齒輪的分別傳動。

根據(jù)上述設計思路，經(jīng)過詳細計算分析，機械主軸箱（見圖8）最終設計如下：采用西門子高性能、高功率主軸電動機作為驅(qū)動源，經(jīng)過一級精密齒輪傳動變速，帶動主軸旋轉(zhuǎn)。齒輪變速機構(gòu)由兩組圓柱斜齒輪副組成，其中，主動齒輪作為滑移齒輪，通過滑移換擋實現(xiàn)兩組齒輪的分別傳動。主軸箱在低速擋工作時，具備大扭矩輸出，適合鈦合金等難加工材料的強力切削。高速擋傳動時主軸扭矩隨轉(zhuǎn)速的升高略有下降，適合鋁合金零件的高速輕載切削。

圖8 機械主軸箱

5 結(jié)束語

通過對AB擺角銑頭部件相關(guān)技術(shù)研究，完成了銑頭部件的詳細設計，研制出了性能穩(wěn)定的AB擺角銑頭產(chǎn)品并配套五軸機床（見圖9），對其各項性能指標進行試驗驗證，包括AB擺角銑頭的精度、靜態(tài)剛度，主軸動平衡、振動、溫度、噪聲、拉刀力、功率、熱膨脹以及S試件及其他典型零件的加工驗證等（見圖10、圖11）。通過試驗驗證，各項指標滿足設計要求。通過配套機床在用戶處進行的實際加工驗證，滿足飛機鈦合金零件加工需求，如圖12所示。

圖9 AB擺角銑頭配套機床實體

圖10 AB擺角銑頭運行測試

圖11 AB擺角銑頭加工測試