卧式加工中心开发的关键制造技术研究

熊跃春

摘要：从精密卧式加工中心正向设计方法和数字化设计软件、几何精度设计、静动刚度设计、阻尼设计、热平衡设计与温度场主动控制、切削动力学建模与仿真、主轴单元设计技术等方面，综述了有关精密卧式加工中心设计技术的国内外发展现状，并对其未来发展进行了相关探讨。

关键词：精密卧式加工中心；几何精度；静刚度；热平衡设计

精密卧式加工中心是制造精密机床和其他高精度机器，保证国防和尖端工业发展的战略性基础装备，体现了一个国家先进制造技术的综合水平。精密卧式加工中心适用于箱体类、盘类、板件及模具类等复杂零件的精密加工，是军工、航天、航空、刀具、模具及机器制造业等精密零件加工的必需设备。了解精密卧式加工中心正向设计关键技术国内外的研究进展，研究和掌握精密卧式加工中心正向设计关键技术，开发具有国际先进水平的精密卧式加工中心，形成以用户需求为出发点的自主研发体系和技术辐射能力，引领高档机床设计制造技术的发展，对实现我国高档数控机床的技术跨越具有重大意义。

1.移动部件导轨装配技术

高精度卧式加工中心的移动部件导轨结合部的装配精度对机床的定位、重复定位精度及机床加工精度具有重要的影响。目前，国内外的通用方法仍然是通过导轨基面刮研方式，来保证导轨副的装配精度。在实践中发现，尽管导轨基面可以达到很高的刮研精度，但导轨装配后的几何精度不一定会提高，这是由于导轨的误差、大件的结构、刚度等综合因素造成了导轨装配后的结构变形，同样，移动部件在机床上装配后，由于移动部件的重量、大件刮研时的放置方向与部件装配后工作方向的差异，也会导致整机与关键部件的结构变形，进而影响直线坐标的精度，达不到机床精度要求。为解决这一问题，在M/800H高精度卧式加工中心装配中，基于对装配过程的静力学仿真，得到X、Y和Z三组导轨每个装配步骤的静变形规律，确定导轨面各点综合变形值。对比装配前部件变形误差和整机装配后的变形误差，利用反变形原理，修正导轨安装基面，以提高直线移动部件的几何精度和运动精度。

1.1导轨基面修正方法

精密卧式加工中心的X、Y和Z三向导轨分别安装在立柱、溜板和床身上，实际刮研调整时，立柱、溜板和床身平放在地面或垫铁上，对床身来说，调整时的重力方向和工作状态下的重力方向相同，但是，对于立柱和溜板来说，调整时的重力方向与工作状态下的重力方向不同。设移动部件在导轨上的行程为S，将该行程均分为n段，则应计算的变形节点位置有n+1个，记每个装配状态下各个节点位置的导轨变形为δim，其中i=1，2，3，…，n+1，m=0，1，2，3，4，5，表示各装配步骤。对X、Y导轨，调整时重力作用下的变形和工作状态下的变形不同，设在实际调整状态下，导轨面的重力变形为δ'i，直线度设计要求为δ，则X、Y导轨安装面修正后的调整量应为:

1.2导轨静变形仿真分析方法

使用软件Creo2.0建立整机大件的三维模型，并对结构进行简化。固定结合面主要是螺栓连接结合部，在进行等效时，选定螺栓连接处作为等效结合点，并对两个结合点建立三向刚度关系。等效方式如图1a所示。滑动结合面主要包括滚动直线导轨—滑块结合面，进行等效时，在导轨和滑块上对应位置设置等效结合点，对两个结合点建立两向刚度，等效方式如图1b所示。各结合面结合点的等效刚度值，如表1所示。

表1等效结合面参数值

考虑在重力作用下，精密卧式加工中心装配过程中的导轨偏差传递与积累规律。该精密卧式加工中心床身采用三点支撑方式，对床身三个支撑面施加全约束，床身－立柱结合面，导轨－滑块结合面等均通过创建结合点施加刚度来进行等效处理。施加载荷时，全局沿－Y向施加重力载荷(加速度为9800mm/s2)。

图1结合面等效示意图

2.高精度卧式加工中心的关键制造技术

2.1卧式加工中心龙门立柱加工刮研技术

伴随着机床制造业的飞速发展，机床的装配和调试要求具备高效率、短周期，而后期需具备易维护性，使得安装简易、快捷、通用的直线导轨结构形式得到广泛的应用。从应用角度来说，关键解决的是导轨安装面的加工四。对于普通的卧式加工中心来说，直接通过机械加工导轨安装面即可达到要求;但是就高精度卧式加工中心机床而言，仅采用机械加工方法不能达到要求，因此必须严格控制导轨安装面的精加工工艺流程，保证安装后的导轨综合精度的稳定性和可靠性，龙门立柱加工技术步骤如下：

①加工基面的制定

便于零件的装夹和加工，在龙门立柱导轨背面增加铸造工艺搭子，以加工过的工艺搭子面作为装夹、粗加工、半精加工基准面。

②铸件的热处理工艺

龙门立柱等基础大件因精度要求较高，为了使铸造产生的应力和加工应力得到充分释放，保证其精度稳定性，工艺上进行三次热时效处理，分别在铸造、粗加工和半精加工后各进行一次时效。

③加工和刮研相互融合渗透技术

T型床身作为装配基准，加上龙门立柱和T型床身配合无调整环节，因此，先用落地铿铣床精铣龙门立柱底面，再根据龙门立柱底面与床身的配合情况进行刮研，由于刮研面积达3400mmX13SOmm，刮研面积较大，通过采用大型精密刮研平板、测量桥板、测量直尺及进口精密水平仪等量检具保证，采用人工精密刮研，保证龙门立柱底面与床身的配合要求、接触点要求及自身平面度要求。如图2所示为立柱精密刮研后测量图。

图2立柱底面精密刮研后测量图

④精密加工设备的选择

根据基准重合原则，以刮研好的龙门立柱底面为校正基准，保证设计基准与加工工艺基准的重合性，合理选择与装配刮研相互统一的支撑点、顶紧力及转速，采用小切削量、多次磨削及控制切削液用量的方式，在进口高精度意大利导轨磨上进行龙门立柱导轨安装面及光栅尺面的磨削，从而保证了龙门立柱导轨面与底面的高垂直度要求及其余各面的几何精度要求。

2.2卧式加工中心精密轴系零件加工技术

主轴系统部件作为高精度卧式加工中心的核心部件，主轴零件形状复杂、差异较大，且精度要求非常高，其加工精度直接影响主轴部件的稳定性和可靠性。

2.2.1主轴零件特点及技术难点

典型某型主轴材料为渗碳钢38CrMoAIA，零件通过锻造形成。主轴部件上包括主轴、冷却套、成套内外隔圈、锁紧螺母、高精度角接触密封轴承等，零件的结构特性、材质不同，为获取主轴部件高速旋转下较优良的综合机械性能。

考虑到加工工艺的难点和制造存在的问题，采取的工艺手段如下:

(1)合理的加工工艺。合理的精加工放磨余量;(2)基准选择和加工顺序安排:加工始终以中心轴线和轴承外圆作为加工基准;加工按粗车、半精车、粗磨、半精磨、精车、粗磨、半精磨、精磨、超精磨的加工顺序进行。(3)加工设备选取。精加工选择进口瑞士精密外圆磨床和万能磨床磨削加工;(4)装夹方式。专用磨夹具和磨心子的制作减小装夹的难度以及装夹产生的变形;(5)热处理方式。根据零件材质不同选取不同的热处理方式，以消除加工中产生应力;(6)检测手段。恒温状态下在线加工检测和完工后检测两种测量方式;(7)合理配合加工方式。根据锁紧螺母配车主轴螺纹端，依据轴承的内孔和外圆尺寸计算后精磨主轴外圆和冷却套内孔以及内外隔圈长度尺寸的一致性。

2.2.2主轴加工制造技术

(1)主轴热处理优化技术。主轴大端面上有两对称凸键，其对称精度要求高，外形结构复杂，台阶较多，且外圆的圆度、圆柱度要求在0.001mm内，为减小在加工过程中的变形，预先进行热处理调质，在粗加工后采取高温消力、半精加工后采取中温消力、精磨过程中采用二次油煮定性方式，并采取氮化处理方式，以保证主轴表面硬度要求，在加工中采取加工余量逐渐减小的方式，保证精密主轴零件的尺寸和精度的稳定性。(2)主轴加工制造技术。主轴外形结构复杂，外圆精度要求高，加工时易产生变形，尤其是精密磨削出现变形会直接影响其尺寸精度及形位公差精度要求。为保证精密磨削时的变形最小，工艺提供了专用工装磨心子，使加工时夹压变形小。

2.3冷却套加工制造技术

2.3.1冷却套热处理优化技术

冷却套属薄壁套类零件，主轴轴承孔及外圆的圆度、圆柱度要求在0.001mm内，孔前轴颈、后轴颈与主轴轴承孔的跳动在0.002以内，为减小在加工过程中的变形，在制造过程中预先热处理正火，分别在粗加工、半精加工后进行高温消力和中温消力，并进行淬火处理，以保证冷却套表面足够的硬度要求。精磨过程中，进行两次定性处理，最大限度消除加工时的内应力，精磨并采取互为基准、逐步提高精度的方式在高精度万能磨床上进行加工，保证精度稳定性。

2.3.2冷却套加工技术

冷却套孔前轴颈、后轴颈精度要求较高，在磨削时测量难度大，与轴承外圆实测尺寸配磨保证配合过盈及间隙要求。冷却套外径与箱体孔配合处圆度、圆柱度、尺寸精度、表面粗造度要求较高。便于测量，工艺提供了专用的标准样圈，并制作了专用的磨夹具，以端面和止口为定位基准，加工时变形小，使冷却套在磨削时，精度易控制。同时为保证精度，冷却套外圆的精密磨削在主轴部件装配后，结合主轴箱主轴孔研磨后的实测尺寸及配合要求，在高精度外圆磨床上磨削至要求。

结论

随着装备制造业的不断向前发展，对机床制造商而言，高转速己不再是衡量高性育勘口工中心的唯一指标，而高速和高效、高精度、高可靠性、多轴化、复合化、智能和网络化、绿色环保将是未来加工中心的发展趋势。因此，发展高性能的卧式加工中心具有十分重要长远的意义。

参考文献

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