六軸臥式數(shù)控鏜銑機(jī)床的研究與開發(fā)

曾大慶，陳海源，賀立峰，吳雨春，胡世衡

（環(huán)球工業(yè)機(jī)械（東莞）有限公司，廣東東莞 523771）

0 引言

鏜銑床是加工行業(yè)普遍使用的一種加工機(jī)床，主要分為立式鏜銑床和臥式鏜銑床兩種，其中臥式數(shù)控鏜銑床應(yīng)用最為廣泛，臥式數(shù)控鏜銑床的主軸軸線平行于水平面，為了擴(kuò)大加工范圍和擴(kuò)充加工功能，臥式數(shù)控鏜銑床通常采用增加數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)來實(shí)現(xiàn)四坐標(biāo)加工，可以實(shí)現(xiàn)工件在一次安裝中，通過數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)改變工位，可以把工件上在水平面內(nèi)呈現(xiàn)不同角度的加工面或者孔擺成與主軸軸線平行來進(jìn)行加工，因此可以省去許多專用角度成形銑刀。對于箱體類零件，配置數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，最適合于零件多工作面的銑、鉆、鏜、鉸、攻絲、兩維、三維曲面等多工序加工，具有在一次裝夾中完成箱體孔系和平面加工的良好性能，還特別適合于箱體孔的調(diào)頭鏜孔加工，另外鏜銑床結(jié)合了鏜床和銑床的兩種加工功能于一體，主要用于鏜孔和銑削平面或曲面使加工效率更高、精度更好，極大地提高了產(chǎn)品品質(zhì)和勞動(dòng)效率。鏜銑機(jī)床因其工藝范圍非常廣泛而得到在機(jī)械加工行業(yè)普遍應(yīng)用，尤其適合大型、復(fù)雜的箱體類零件的銑削及鏜孔加工，適用于工程機(jī)械、風(fēng)電、船舶、飛機(jī)、機(jī)車、汽車、機(jī)床等行業(yè)。因?yàn)檫@些零件孔本身的精度、孔間距精度、孔的軸心線之間的同軸度、垂直度、平行度等都有嚴(yán)格要求，上述這些零件如果在其他機(jī)床上加工難以保證精度。

在機(jī)床設(shè)備制造領(lǐng)域，國內(nèi)外臥式數(shù)控鏜銑機(jī)床生產(chǎn)商一般采用數(shù)控回轉(zhuǎn)平臺(tái)與主軸能夠在X、Y、Z三個(gè)軸的方向上相對運(yùn)動(dòng)，同時(shí)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)能夠自轉(zhuǎn)，以便鏜銑機(jī)床的主軸帶動(dòng)刀具對工件的各個(gè)部位進(jìn)行加工。然而現(xiàn)有的數(shù)控鏜銑機(jī)床無法對工件上傾斜于水平面（孔軸線與水平面傾斜）的孔進(jìn)行鏜削加工，而為了加工上述孔洞，需將工件重新裝夾，方法一是把通過工裝把工件傾斜碼放，使得上述孔洞的孔軸通過現(xiàn)有的數(shù)控鏜銑床進(jìn)行加工，然而重新裝夾工件又會(huì)導(dǎo)致夾具誤差（包括但不限于定位誤差、夾緊誤差），而且不同的角度需要相對應(yīng)的工裝裝夾，費(fèi)事費(fèi)力，成本高昂；方法二是增加一個(gè)可以在水平面內(nèi)傾斜的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，通過傾斜的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)使得上述孔洞的孔軸與鏜銑機(jī)床主軸軸線平行進(jìn)行加工，這樣方法對于小型零件尚且可以實(shí)現(xiàn)，但對于超過3 t以上的大型工件就很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榭梢栽谒矫鎯?nèi)傾斜的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)承受不了大型工件傾斜產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩，工作臺(tái)在水平面內(nèi)傾斜驅(qū)動(dòng)及鎖緊都非常困難，回轉(zhuǎn)精度也極難保證。所以上述兩種方法都不能較好地解決臥式數(shù)控鏜銑機(jī)床加工傾斜于水平面（孔軸線與水平面傾斜）的孔。

針對目前國內(nèi)外臥式數(shù)控鏜銑床在豎直平面內(nèi)無法傾斜加工的行業(yè)難題，本文著重研究主軸軸線在豎直平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，解決臥式數(shù)控鏜銑床在水平平面及豎直平面都能傾斜加工的行業(yè)難題，實(shí)現(xiàn)對大型金屬加工工件空間任意角度高精度深孔鏜削與銑削加工，提高復(fù)雜曲面工件的精密加工能力。

1 六軸臥式鏜銑機(jī)床總體設(shè)計(jì)方案

本文研究六軸臥式數(shù)控鏜銑加工機(jī)床以解決現(xiàn)有的設(shè)備無法鏜削加工與水平面相傾斜的孔的問題，圖1所示為設(shè)備總體外形圖。包括床身1、數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)2、立柱3、滑臺(tái)4、滑枕5、主軸6、底座8，數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)2能夠驅(qū)動(dòng)工件相對床身1水平移動(dòng)并轉(zhuǎn)動(dòng)，立柱3豎直設(shè)置并連接于底座8，且立柱3能夠在水平方向上相對床身1沿X軸方向移動(dòng)，滑臺(tái)4連接于立柱3且滑臺(tái)4能夠在豎直方向上沿Y軸方向移動(dòng)，滑枕5通過水平設(shè)置的轉(zhuǎn)軸7轉(zhuǎn)動(dòng)連接于滑臺(tái)4，主軸6設(shè)在滑枕5上。

圖1 設(shè)備總體外形

2 機(jī)床具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，滑枕5上設(shè)有第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)51以及用于驅(qū)動(dòng)主軸6沿其軸向運(yùn)動(dòng)的第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)52，第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)51包括第一驅(qū)動(dòng)主軸電機(jī)512、不可相對轉(zhuǎn)動(dòng)地套接于主軸6且能夠沿主軸6的軸向運(yùn)動(dòng)的皮帶輪511，

圖2 滑枕結(jié)構(gòu)

第一驅(qū)動(dòng)主軸電機(jī)512連接于皮帶輪511（為了增加低轉(zhuǎn)速時(shí)的主軸輸出扭力，主軸電機(jī)512輸出端一般連接一個(gè)變速箱，變速箱有2個(gè)變速擋位，例如當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速低于1 500 r/min時(shí)，變速箱減速比為1∶4，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速高于或等于1 500 r/min時(shí)，變速箱減速比為1∶1），以驅(qū)動(dòng)皮帶輪511轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶輪511可帶動(dòng)主軸6繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)52可推動(dòng)主軸6沿其軸向運(yùn)動(dòng)以進(jìn)行鏜銑加工，皮帶輪511可在主軸6的軸向相對主軸6滑移，這使得主軸6在其軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)并不會(huì)帶動(dòng)皮帶輪511跟隨主軸6軸向移動(dòng)，能夠使得主軸6運(yùn)行更為平穩(wěn)，以提升機(jī)床的加工精度。由于滑枕5能夠帶動(dòng)主軸6相對滑臺(tái)4傾轉(zhuǎn)（傾轉(zhuǎn)的軸線即為水平設(shè)置的轉(zhuǎn)軸7），

因此主軸6能夠加工工件上傾斜于水平面的孔，而無需對工件進(jìn)行重新裝夾，避免出現(xiàn)夾具誤差，而且還能夠提升機(jī)床的加工效率。此外，滑枕5的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線和數(shù)控回轉(zhuǎn)平臺(tái)2的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線相垂直，以實(shí)現(xiàn)主軸6在豎直平面和水平平面內(nèi)多個(gè)角度對數(shù)控回轉(zhuǎn)平臺(tái)2上的工件進(jìn)行加工。

第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)52包括第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)523、絲桿521和活動(dòng)地配合連接于絲桿521的螺母522，絲桿521設(shè)于滑枕5且所述絲桿521平行于主軸6，主軸6的端部轉(zhuǎn)動(dòng)連接于螺母522，第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)523設(shè)在滑枕5上，第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)523連接于絲桿521，第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)523帶動(dòng)絲桿521轉(zhuǎn)動(dòng)，以驅(qū)使螺母522在絲桿521的軸向上運(yùn)動(dòng)，以帶動(dòng)主軸6沿其軸向運(yùn)動(dòng)。滑枕5上設(shè)有與主軸6平行設(shè)置的滑軌58，導(dǎo)軌上活動(dòng)地配合連接有滑塊61，主軸6的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接于滑塊61，滑塊61連接于主軸6的端部可以抑制主軸6在加工工件時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。

如圖3～5所示，滑臺(tái)4上設(shè)有與轉(zhuǎn)軸7同軸設(shè)置的從動(dòng)齒輪41，從動(dòng)齒輪41為扇形結(jié)構(gòu)（為了驅(qū)動(dòng)更平順，齒輪一般設(shè)計(jì)為斜齒嚙合），滑枕5設(shè)有與從動(dòng)齒輪41相嚙合的主動(dòng)齒輪組，主動(dòng)齒輪組包括在軸向上并列排布的第一主動(dòng)齒輪53和第二主動(dòng)齒輪54（滑枕5向上方旋轉(zhuǎn)用第一主動(dòng)齒輪53驅(qū)動(dòng)，滑枕5向下方旋轉(zhuǎn)用第二主動(dòng)齒輪54驅(qū)動(dòng)，由于重力原因，滑枕5向上方旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力遠(yuǎn)大于向下方旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力，所以第一主動(dòng)齒輪53要比第二主動(dòng)齒輪54要寬），第一主動(dòng)齒輪53上固定地設(shè)有安裝軸531，第二主動(dòng)齒輪54開設(shè)有安裝孔541，安裝軸531穿設(shè)并連接于安裝孔541，且第一主動(dòng)齒輪53的端面和第二主動(dòng)齒輪54的端面相抵接，這使得第一主動(dòng)齒輪53和第二主動(dòng)齒輪54合二為一。第一主動(dòng)齒輪53的輪齒和第二主動(dòng)齒輪54的輪齒分別抵接于從動(dòng)齒輪41的異側(cè)齒面，進(jìn)而消除齒間間隙，不僅提升了傳動(dòng)精度，而且能夠防止滑枕5在機(jī)床對工件進(jìn)行加工時(shí)相對滑臺(tái)4產(chǎn)生異常傾轉(zhuǎn)，進(jìn)一步提升加工精度。

圖3 滑臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖5 A軸驅(qū)動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)

第二主動(dòng)齒輪54上還設(shè)有空心軸542，安裝軸531穿設(shè)于安裝孔541和空心軸542的中心孔，空心軸542可提升第二主動(dòng)齒輪54和第一主動(dòng)齒輪53的連接緊密性，進(jìn)一步防止第二主動(dòng)齒輪54的軸線與第一主動(dòng)齒輪53的軸線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，具體地，第一主動(dòng)齒輪53的一端設(shè)有傳動(dòng)軸532，另一端設(shè)有上述安裝軸531，傳動(dòng)軸532通過第一推力軸承轉(zhuǎn)動(dòng)連接于滑枕5，空心軸542通過第二推力軸承轉(zhuǎn)動(dòng)連接于滑枕5，第一推力軸承和第二推力軸承的止推方向相反，因此第一推力軸承和第二推力軸承還能夠提供止推力以迫使第一主動(dòng)齒輪53和第二主動(dòng)齒輪54緊緊地相貼合。

如圖4和圖6所示，該機(jī)床還包括滑枕5旋轉(zhuǎn)抑制機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)抑制機(jī)構(gòu)包括螺桿57、設(shè)于滑枕5的安裝底座55以及與滑臺(tái)4相對設(shè)置的頂推板56，安裝底座55上具有第一斜面551，頂推板56上具有與第一斜面551可滑動(dòng)地相抵接的第二斜面561，第一斜面551和第二斜面561均與滑臺(tái)4的側(cè)壁傾斜設(shè)置，在安裝機(jī)床的滑枕5的過程中，施力驅(qū)動(dòng)頂推板56在豎直方向上相對安裝底座55運(yùn)動(dòng)，使得第一斜面551相對第二斜面561滑動(dòng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)頂推板56對滑臺(tái)4的擠壓力，頂推板56可防止滑枕5在水平面上相對滑臺(tái)4擺動(dòng)。機(jī)床在長期使用后，若頂推板56對滑臺(tái)4施加的擠壓力低于出廠預(yù)設(shè)的臨界值，維護(hù)人員可直接驅(qū)使頂推板56在豎直方向上相對安裝底座55運(yùn)動(dòng)，以調(diào)節(jié)頂推板56對滑臺(tái)4的擠壓力。安裝底座55上設(shè)有螺孔，螺桿57的一端活動(dòng)地配合連接于螺孔，另一端抵接于頂推板56的一側(cè)，裝維人員可旋動(dòng)螺桿57，使得螺桿57沿其軸向運(yùn)動(dòng)以帶動(dòng)頂推板56在豎直方向上相對安裝底座55運(yùn)動(dòng)。頂推板56在豎直方向上越向上運(yùn)動(dòng)，就越把滑枕5上的導(dǎo)軌緊壓在滑臺(tái)4上面，以保證滑枕5一直是緊貼著滑臺(tái)4導(dǎo)軌面旋轉(zhuǎn)。

圖4 滑臺(tái)、滑枕后視圖

圖6 滑枕旋轉(zhuǎn)抑制機(jī)構(gòu)

3 機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本機(jī)床采用的CNC數(shù)控系統(tǒng)主要包含伺服控制單元和PLC控制單元兩個(gè)方面。

（1）伺服控制單元

如圖7所示，CNC控制系統(tǒng)通過光纜連接主軸伺服驅(qū)動(dòng)器，用于控制主軸的旋轉(zhuǎn)的速度和方向，用于主軸的角度定位和定向；光纜連接伺服驅(qū)動(dòng)器，用于控制X、Y、Z、W、A、B各軸的移動(dòng)方向和移動(dòng)速度。通過伺服控制單元，控制各伺服軸與主軸的聯(lián)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對工件的加工。

圖7 伺服控制單元連接

（2）PLC控制單元

CNC控制系統(tǒng)通過信號(hào)電纜連接I/O模塊，用于控制機(jī)床各軸的手動(dòng)軸向移動(dòng)，主軸的手動(dòng)控制，機(jī)床手動(dòng)冷卻控制，機(jī)床手動(dòng)氣動(dòng)控制，機(jī)床潤滑控制以及機(jī)床外部報(bào)警提示等等，PLC控制程序均由專用的編程軟件編寫及編譯完成，程序格式如圖8所示。

圖8 PLC控制程序格式

4 測試驗(yàn)證與結(jié)果分析

本文研究的的六軸臥式數(shù)控鏜銑加工機(jī)床，經(jīng)過前期的調(diào)研、立項(xiàng)、設(shè)計(jì)、試制、調(diào)試完成，機(jī)床各項(xiàng)功能達(dá)到立項(xiàng)要求。其數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)2（定義為B軸）能夠在X、Y、Z軸方向上相對主軸6運(yùn)動(dòng)，且滑臺(tái)4與滑枕5通過水平設(shè)置的轉(zhuǎn)軸7轉(zhuǎn)動(dòng)相連，使得主軸6能夠繞轉(zhuǎn)軸7擺動(dòng)（定義為A軸），第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)52用于驅(qū)動(dòng)主軸6沿其軸向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主軸6的鏜銑進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（定義為W軸），并設(shè)計(jì)了滑枕5旋轉(zhuǎn)時(shí)的抑制機(jī)構(gòu)，加強(qiáng)了滑枕5旋轉(zhuǎn)剛性，雙齒輪消除間隙驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，并通過轉(zhuǎn)軸一端的圓光柵檢測旋轉(zhuǎn)角度。實(shí)現(xiàn)了A軸高精度旋轉(zhuǎn)，且A軸軸線垂直于B軸軸線，可實(shí)現(xiàn)主軸6在水平平面及豎直平面上任意角度對數(shù)控回轉(zhuǎn)平臺(tái)2上的工件進(jìn)行加工，樣機(jī)完成后經(jīng)測試驗(yàn)證其各直線軸X、Y、Z、W定位精度達(dá)到0.012 mm/3 000 mm、0.012 mm/2 000 mm、0.008 mm/1 500 mm、0.013 mm/700 mm、各旋轉(zhuǎn)軸A、B定位精度達(dá)到4.05″、4.30″。圖9所示為本文研發(fā)產(chǎn)品效果圖。

圖9 產(chǎn)品效果圖

5 結(jié)束語

當(dāng)今航空航天、汽車、船舶、大型家電、電力等行業(yè)高端機(jī)械零部件越來越趨大型化、復(fù)雜化、精密化，目前同行一般采用傳統(tǒng)的臥式數(shù)控鏜銑床，自動(dòng)化程度不高，而且都是四軸，或者選配回轉(zhuǎn)工作臺(tái)五軸（4個(gè)直線軸X、Y、Z、W加一個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)B軸），沒有配置主軸在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的A軸，在豎直平面內(nèi)的斜孔和型腔不方便加工，而本文在傳統(tǒng)鏜銑加工機(jī)床優(yōu)化升級，增加了主軸箱繞X軸旋轉(zhuǎn)功能（A軸）和高精密數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（B軸）。通過對算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對大型金屬加工工件空間任意角度高精度深孔鏜削與銑削加工，提高復(fù)雜曲面工件的精密加工能力，提高作業(yè)精度及生產(chǎn)效率。同時(shí)該項(xiàng)目指標(biāo)性能方面的優(yōu)勢，這對此系列產(chǎn)品后期進(jìn)行批量生產(chǎn)以及推廣提供了足夠的機(jī)會(huì)。

加工效率與精度是金屬加工領(lǐng)域追求的永恒目標(biāo)。隨著數(shù)控技術(shù)、機(jī)床技術(shù)以及加工工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的加工理念已不能滿足人們對加工速度、效率和精度的要求。在這樣的背景下，多軸復(fù)合加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。一般來說，復(fù)合加工是指在一臺(tái)加工設(shè)備上能夠完成不同工序或者不同工藝方法的加工技術(shù)的總稱。與常規(guī)數(shù)控加工工藝相比，六軸鏜銑機(jī)床加工具有的突出優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）六軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，通過對算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大型加工工件的空間任意角度高精度銑削與鏜削復(fù)合加工，縮短產(chǎn)品制造工藝鏈，提高生產(chǎn)效率。

（2）鏜銑主軸箱繞X軸旋轉(zhuǎn)功能（A軸），實(shí)現(xiàn)了鏜銑主軸在垂直平面內(nèi)任意角度加工，將解決目前國內(nèi)大型鏜銑床在垂直平面內(nèi)無法傾斜加工的行業(yè)難題。

（3）減少裝夾次數(shù)，提高加工精度。裝卡次數(shù)的減少避免了由于定位基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化而導(dǎo)致的誤差積累。從而提高產(chǎn)品的加工精度。

（4）減少占地面積，降低生產(chǎn)成本。緊湊美觀的外形設(shè)計(jì)，改善了空間利用方式，維護(hù)修理更方便讓客戶得到最大的滿意；雖然六軸鏜銑機(jī)床設(shè)備的單臺(tái)價(jià)格比較高，但由于制造工藝鏈的縮短和產(chǎn)品所需設(shè)備的減少，以及工裝夾具數(shù)量、車間占地面積和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用的減少，能夠有效降低總體固定資產(chǎn)的投資、生產(chǎn)運(yùn)作和管理的成本。