TGK46100高精度数控卧式坐标镗床的研发和应用

沈机集团昆明机床股份有限公司　张晓毅

TGK46100高精度数控卧式坐标镗床的研发和应用

沈机集团昆明机床股份有限公司张晓毅

一、概述

坐标镗床是具有精密坐标定位装置，用于加工高精度孔或孔系的一种镗床。坐标镗床以其精度高和稳定性好而著称，其精度是国际上机床制造业追求的目标，所以被机床制造业称为精密机床之王。坐标镗床的研发、生产、制造是一个国家机床制造业的代表产品，是衡量一个国家机床制造装备业整体水平的重要标志。

在坐标镗床上还可进行钻孔、扩孔（见钻削）、铰孔（见铰削）、铣削、精密刻线和精密划线等工作，也可进行孔距和轮廓尺寸的精密测量。坐标镗床适于在工具车间加工钻模、镗模和量具等，也用在生产车间加工精密工件，是一种用途较广的高精度机床。坐标镗床是高精度机床的一种，它的结构特点是有坐标位置的精密测量装置。坐标镗床可分为单柱式坐标镗床、双柱式坐标镗床和卧式坐标镗床。

20世纪初期，由于钟表仪器制造业的发展，需要加工孔距精度较高的设备，1905年在瑞士制成小型台式坐标定中心机床。1917年，在美国制成单柱坐标镗床。1920年瑞士制成双柱坐标镗床。当时绝大多数坐标镗床采用精密丝杠螺母、标准测杆（或量块）和千分表作为坐标定位装置，坐标定位精度仅为6～10微米。30年代，在德国、瑞士等先后出现了以线纹尺定位的光学坐标镗床，坐标定位精度提高到2～6微米。60年代以后，随着电子技术的发展，坐标镗床向数字显示和数字控制方向发展，采用光栅、感应同步器、激光干涉仪和磁栅等作为坐标定位装置，有的还增设了自动换刀装置。

从1905年瑞士DIXI公司研制成功国际上第一台小型台式坐标中心孔机床起，至今在100余年的机床变革中，坐标镗床逐年得到发展并未被淘汰，说明坐标镗床在机床行业中仍有其市场，并且是不可替代的。

我国坐标镗床的研发、生产制造起步于1958年昆明机床厂研制成功的T4128单柱电感应坐标镗床，1959年研发成功T4163单柱坐标镗床（并分别于1970年、1973年、1984年进行三次重大改进）和T4240双柱坐标镗床，1962年研发成功T4132单柱坐标镗床，1965年研发成功我国第一台大型双柱坐标镗床T42100（该机床的研制成功标志着我国机床制造水平向世界水平迈进），1966年研制成功TA4280双柱坐标镗床，1972年研发成功T42200光栅数显大型双柱坐标镗床（工作台面宽度2000mm），1973年分别研发成功我国第一台TK4163B数控单柱坐标镗床和TK42100A数控双柱坐标镗床，其后对数控单柱、双柱坐标镗床进行了多次重大改进，定型产品型号为：TK4163H数控单柱坐标镗床和TK42100/2数控双柱坐标镗床。

国内制造坐标镗床的主要制造厂主要有：沈机集团昆明机床股份有限公司、北京第二机床厂（已停产）、宁江机床厂、上海第三机床厂（已停产）、汉川机床厂。目前，除沈机集团昆明机床股份有限公司研发、制造大型坐标镗床和数控坐标镗床外，其余制造厂均已只生产小规格坐标镗床和数控坐标镗床。

目前国产坐标镗床其精度一般为：直线坐标定位精度0.005mm，重复定位精度0.003mm。机床的快速移动速度一般≤10m/min。而昆明机床1988年研制成功的TGK42100高精度数控双柱坐标镗床通过持续改进完善，使精度不断得到提高，坐标定位精度实测≤0.003mm，重复定位精度≤0.0015mm。因此，和国内同类产品比较，沈机集团昆明机床股份有限公司技术优势明显。

昆机继研制出中国第一台坐标镗床（T4128）和中国第一台被誉为“机床之王”的T42100大型双柱坐标镗床之后，基于“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项，于2012年成功研发出了一款可用于极限加工的超精密加工机床——TGK46100高精度卧式坐标镗床。

二、产品性能介绍

TGK46100高精度卧式坐标镗床作为集传统精密制造技术与现代机、电、光、液、气、信息控制技术为一体的高科技产品，在制造上秉承了昆明机床传统精密制造工艺，配置了日本FANUC 31i-MA数控系统，实现了传统坐标镗“质”的飞跃，采用了高刚度整体式床身、方便安装、具有3点支撑的优越稳定性，“箱中箱”式重型高刚性大阻尼龙门封闭框架，直结式中央出水机械主轴，直驱式回转工作台，双驱式直线进给系统等前沿技术，通过对整机结构动静热态特性的分析及优化、机电耦合优化匹配、低应力制造与装配、热平衡设计及热变形实时监测与补偿、数控系统误差补偿等关键技术的攻关研究及应用，使机床具有粗加工过程中要求的高刚度和高可靠性，精加工时要求的极高精度，高速运动时移动质量小而轻高动态性能等突出优点，能实现高速及良好的运动特性和稳定的高精加工质量，满足了机床高速、高精、高效、高可靠性的切削性能要求。

TGK46100坐标镗床作为高精度和高动态响应的工作母机，适用于箱体类、盘套类、板件及模具类等复杂零件的中、小批量精密加工，可用轮廓控制方法铣削斜面、框形平面、二维、三维曲面，特别适用于尺寸、形状和位置精度要求高的孔系加工，完成镗、钻、锪、铰、攻丝等工序，还可作为精密刻线样板、高精度划线样板、孔距及长度测量样板等，广泛用于发动机缸体缸盖、变速箱体、阀体、模具等复杂零件的精密加工。

同时，TGK46100坐标镗床选配A摆头或AC头后可实现五轴联动控制，适用于风电行业的叶片加工、模具制造行业复杂型面加工、航空航天领域铝合金与钛合金的高精度和高速加工、医疗器械领域淬火钢和不锈钢等特殊材料加工、工程机械领域的全自动化柔性制造线零件加工等，是军工、机床、航空、航天、核电、船舶、汽车、能源、刀具模具及机器制造业精密零件加工的理想设备。

该产品主要技术参数如下：

A 工作台工作台尺寸（长×宽）1000×1000mm工作台T型槽（槽数-宽度）6～22mm工作台最大承重2500kg工件最大回转直径Ф1400mm工件最大高度1300 mm B主轴主轴直径110mm主轴锥孔ISO50#（7∶24）主轴转速10～6000r/min主电机功率22kW主轴最大扭矩560N m主轴最大轴向抗力5000N刀柄规格JT50（ISO7388/1 ）拉钉型号LD-50D C加工范围滑板横向行程（X）1200mm主轴箱垂直行程（Y）1100mm工作台滑座纵向行程（Z）1100mm工作台回转（B）360°连续任意分度D快速移动速度X、Y、Z坐标48m/min B坐标5r/min E定位精度X、Y、Z坐标0.003mm B坐标3″F重复定位精度X、Y、Z坐标0.0015mm B坐标1.5″B（4×90°）1″X、Y、Z轴直线度0.003mm主轴端部径向跳动0.001mm H数控系统SIEMENS-840D或FANUC31i

三、新技术应用情况

1.高刚度、高稳定性的基础大件及整机结构设计技术

1）整机结构方案设计

如图1所示，该机床采用高刚度整体式床身、3点支撑、X坐标及Y坐标成“箱中箱”式封闭框架结构，整个机床由床身、龙门、滑板、工作台、主轴系统、进给系统、液压系统、润滑系统、冷却系统、刀库、排屑装置、安全防护装置、数控系统等部件组成。所有直线运动坐标导轨采用滚柱式滚动直线导轨。进给机构采用电机与滚珠丝杠直联传动，其中X向采用双电机双丝杠传动，Y、Z向采用单电机单丝杠传动。

图1　机床整机结构方案图

2）整机模态理论分析与试验验证

将机床的三维模型导入到有限元分析软件，经网格划分、添加边界条件载荷及约束后，经求解计算，得到整机的前几阶固有频率及相应的振型。

采用由机床（测试对象）、力传感器、压电式加速度传感器、LMS SCADAS III多通道数采前端即硬件部分、Test.Lab模态分析软件和计算机等六部分组成的试验模态测试系统进行试验，得到其低阶模态参数与振型。在低阶振型中，主要为主轴箱上下摆动，龙门前后弯摆，滑鞍两立柱的横向摆动，可以认为在整机结构中，这些部件的在振型的振动方向上动态刚度不够，需要进一步改进和提高。同时，试验模态分析的结果可作为验证机床模态分析计算结果正确性的标准，通过在合理范围内调整结合面参数实现有限元分析和实验结果的匹配，从而实现结合面参数的识别。

对比有限元计算所得的各阶固有频率与试验测得的频率值，可知相对误差的绝对最大约为20%。经过参数识别，反复分析，最终确定结合部的滚珠丝杠副的轴向刚度 、单个直线滚动导轨的切向刚度 和单个直线滚动导轨的法向刚度 。有限元模型修正后，整机前8阶固有频率有限元计算结果与试验测量结果对比情况见下表。由表可知：有限元计算所得的各阶固有频率与试验试验测得的频率值的相对误差的绝对值最大为8.91%，小于10%。

整机固有频率计算结果与试验结果对比表

通过以上试验模态与计算模态的振型与固有频率对比，可以发现大部分振型是相符合的，证明结合面参数修正后有限元模型是相对准确的模型，采用有限元计算的方法可以有效地对机床性能进行分析，从而缩短了产品的研发周期。

3）高刚度、高稳定性的床身基础支撑结构设计

床身是整个机床的基础部件，其刚性高低直接决定了机床的各项精度及其稳定性。本机床采用T型整体式3点支撑床身，且为封闭的箱型结构，通过对床身内部筋板结构的优化，采用竖直与大三角斜筋板交错的网状筋板结构，可以提高截面抗扭截面矩，从而提高床身自身的刚度和承受复合载荷的能力，确保了机床的运动精度和强力切削性能，如图2所示。

图2　支撑结构图

对该床身结构分别进行了空载和工作状况下的静、动态分析，考察结构在静态载荷条件下的变形特性和结构固有的动态特性。如图3所示，经静力分析和模态分析，结果表明该床身能够较好地满足设计需求，具有较好的静动态特性。

图3　床身动静态特性分析结果

针对原有床身静态特性不好的特点，采用拓扑优化与结构优化相结合的方法，对床身结构进行了多种优化尝试（如图4所示），具体结论：①床身流道部分可以完全去掉，将该部分去掉后床身导轨变形不变，模态有原来的160Hz提高到200Hz。②前床身导轨变形较大，达到10um。为减小变形，对床身筋板厚度、筋板高度进行优化，优化后变形为8um，变形减少20%。③前床身整体结构较差，仅对筋板厚度、高度进行优化变形减小有限。由于前床身中间没有支撑（仅靠前部两点），且导轨靠近前床身中间，故变形较大。在导轨间距离增加125mm后，变形减小1.2um，变形减少12%。

图4　TGK46100床身结构优化设计

4）龙门立柱结构设计

机床立柱龙门采用优质铸铁的超大重型筋板龙门静态左右对称框架结构，具有极高的刚性，与传统的动立柱相比，移动件质量减轻约1/3，移动件的重心始终保持在导轨内，始终保持移动物体的重心平衡。立柱龙门确保了优良的热稳定性，实现稳定的高精度加工。经静力分析和模态分析，结果表明该床身能够较好地满足设计需求，具有较好的静动态特性，如图5所示。

图5　高刚性龙门式立柱结构及其有限元分析结

针对龙门立柱动态特性不足的问题，通过拓扑优化及基于拓扑优化的多目标优化进行龙门立柱的结构改进。拓扑优化结果表明，通过增加龙门立柱底座上部工艺孔旁边的清砂孔和去除底座下部中间筋板，可在保证静动态刚度的前提下，将龙门立柱质量减少275.3kg。

在拓扑优化结果的基础上，以立柱的主要筋板尺寸为优化参数，以立柱的静动态特性为基本约束，以立柱质量减小为主要目标，进行立柱的多目标优化。基于拓扑优化的多目标优化后，龙门立柱质量减少460.6kg。

5）高精度的主轴箱及主轴轴系结构设计

主轴系统采用中央出水直结式机械主轴，可实现低转速区域的中切削以及高速区域的低发热高精度切削；主轴轴承采用前轴承二联同向轴承，后轴承二联同向轴承结构，前、后轴承背对背安装（热对称结构）。依据主轴转速选用四联端面带密封的混合式陶瓷球轴承，精度等级为P2级；主轴箱平衡采用平衡油缸与大蓄能器（容量≥100L）实现液压平衡；主电机通过减速箱直接与主轴联接实现可换档的主运动；用电机自带编码器作为主轴准停编码器（外加开关）。

图6　主轴系统结构图

6）高精度回转工作台设计

数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台，它们的功用各不相同。分度工作台的功用只是将工件转位换面，和自动换刀装置配合使用，实现工件一次安装能完成几个面的多种工序，提高工作效率；数控回转工作台除了分度和转位的功能之外，还能实现数控圆周进给运动。

本产品采用直驱式转台：采用力矩电动机的转子直接驱动旋转部件运动，回转传动零背隙且没有磨损，回转工作台采用轴向径向复合的转台轴承；工作台可以实现编码器级别的精度；轴承刚性夹紧构造实现高精度和高刚性。

图7　精密回转工作台

7）电气系统设计

根据项目总体目标以及设计任务书要求，为保证产品样机TGK46100达到高速高精技术指标要求，在高刚度结构设计和精密制造装配的基础上，电气控制优选匹配国外知名品牌FANUC 31i数控系统，集成系统的精密插补技术、高动态伺服控制技术、多项精度补偿技术，以及高精度光栅监测系统等构成电气系统集成解决方案如图8所示。

图8　电气系统集成解决方案

8）排屑系统设计

本机床采用复合式排屑系统：在床身两侧分别分布两个螺旋排屑器，床身后端面设置一个链板排屑器。切屑从机床床身上掉落到螺旋排屑器沟槽内，螺旋杆转动时，沟槽中的切屑即由螺旋杆推动连续向前运动，送到位于床身后端面的链板排屑器上，再由链板排屑器最终排入切屑收集箱。

图9　排屑系统设计

9）其他系统

①液压系统：机床液压系统用来完成刀具装卸、回转运动坐标B轴的夹紧松开的操作动作。机床液压系统采用L-HL32#或者L-HL46#机械油，液压油必须过滤后才能使用。机床液压系统设有一个液压油箱，并由一个油温冷却机来控制油温，提高了液压元件的使用寿命和液压系统的工作可靠性。

图10　机床液压系统示意图

②润滑系统：润滑是减少摩擦和磨损的重要措施，根据各部件的运动和工作情况，本机床的润滑有油脂润滑，周期集中润滑。

油脂润滑：主轴轴承用瑞典SKF产LGLT2合成润滑脂（或同等质量进口名牌润滑脂）润滑， X、Y、 Z轴丝杆轴承用2号润滑脂润滑。

周期集中润滑：X、Y、Z轴运动导轨面，X、 Y、Z轴的丝杆螺母用L-HG68#或L-HG150#液压导轨油润滑，由电动润滑泵间隙供油，油量分配器（PDI）将润滑油按所选定的注油量定时定量地输送到各个润滑点，润滑周期可在PLC中设定。出现缺油报警时，向润滑泵中加注润滑油。

③检测系统：本机床的X轴、Y轴、Z轴直线测量均采用高精度的HEIDENHAIN直线光栅尺，组成全闭环测量系统；B轴采用HEIDENHAIN圆光栅，构成全闭环测量系统。

④安全防护装置：主机防护采用全封闭式的整机防护罩，避免高速加工时因切削液和铁屑飞溅而造成的环境污染或人身伤害，防护装置能有效回收铁屑及切削液，性能安全可靠。

2.关键零部件精密制造技术

1）机床关键零部件无应力制造工艺

床身、立柱龙门、滑板、工作台、工作台滑座、主轴箱等基础大件因精度要求高，为了使铸造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，分别为铸造、粗加工和半精加工后各一次。基础大件加工及装配的主要工艺流程如图11所示。

图11　大件加工及装配流程图

2）高精度导轨安装与刮研技术

本项目采用滚动直线导轨，最基本的要求是保证直线导轨安装面的平面度。对安装螺钉孔进行锪沉孔处理，避免由于螺栓拉力导致安装基面膨出。同时，在滚动直线导轨紧固过程中，按装配工艺要求进行粗预紧、半精预紧和精预紧，并对滚动直线导轨副的直线度进行检测。将滚动直线导轨滑动块与各部件结合面进行刮铲，保证其平面度，并控制导向面的精度，确保达到国家标准。

3）高精度主轴系制造技术

TGK46100精密轴系零件为主轴、冷却套、工作台轴承定位套、主轴装配的内（外）隔圈等零件，精度要求圆度和柱度为0.001mm，内（外）隔圈厚度尺寸一致性及平行精度为0.001mm。工艺上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消除加工中产生应力，并在加工中采取加工余量逐渐减小的方式，保证精密轴系零件的尺寸和精度的稳定性（如图12所示）。

该产品主轴转速为6000r/min，其结构形式为主电机通过减速机直联主轴，因转速高，主轴部件在装配后把所有运动件装上进行部件的动平衡试验。

因主轴部件装配后的综合精度要求非常高，锥孔跳动径向跳动≤0.002mm，为了保证该精度要求，工艺上采取主轴部件组装后进行主轴部件外圆的精磨削，在以其外圆为基准，上高精度磨夹具精磨主轴锥孔至要求。

图12　精密轴系零件加工及装配流程图

3.机床装配工艺与测量调试技术

1）三维数字化装配工艺过程仿真技术

三维数字化装配工艺过程仿真技术可使用户在产品生产以前在虚拟环境中模拟实际的装配过程，评价零部件的可装配性；预先检验装配结果，展示产品原型结构和功能；分析产品原型性能，并最终利用这些结果指导实际设计开发过程，从而大大节约开发成本，缩短开发周期。

以主轴装配为例，首先建立主轴的三维装配模型，根据主轴各个零件的装配要求和各个零件的基本安装要求，以先组件、后部件的方式，对主轴的装配顺序进行规划，形成的主轴装配路径（如图13所示）；然后生成主轴及组件装配序列表；最后对装配好的主轴单元部件进行数字化干涉检查。

图13　主轴系统模型及装配路径

2）固定结合面低应力装配技术

为减小固定结合面装配过程中可能产生的应力，采取时效处理、高精度平面加工、装配前零件质量检测、装配中确保按照装配工艺规程文明装配。

时效处理，就是工件不加热，仅依靠长时间存放，或者加热到较低温度，并进行长时间保温，再缓慢冷却至室温，以使工件的性质、形状和尺寸趋于稳定的处理过程。对于床身、立柱等大型毛坯在进行机械加工前，要经过良好的时效处理。

在装配之前，对需要连接的两个结合面进行表面粗糙度、尺寸精度、平行度、平面度等进行全方面测量，确保装配前的零件尺寸符合设计要求。装配中，严格执行结合面装配工艺规程，确保装配过程中安装孔对中和零件未发生变形，切忌盲目装配和强力装配。

3）运动结合面手工刮研技术

为了保证运动结合面的刮研效果，采用推刮、粗刮、细刮、精刮相结合的结合面刮研方法。推刮中，将刮刀加大压力在导轨上行走一段距离，刮削层厚而宽，去屑量大，刮削时刀痕连成一片交叉推刮，防止结合面出现波纹。粗刮用点刮法将推刮接触面进一步扩大，刀花控制在30mm左右，刮削过程中用平板合研，千分表测量。达到工艺要求后，进入细刮，细刮刀花控制在10mm左右，使接触点均匀分布，用平板合研，千分表测量，达到工艺要求后，转入精刮。精刮，将上下运动结合面拖研，分布刮削上下结合面，使得接触点数均匀分布，并达到工艺设计要求。最后刮花装饰。

4）装配调试工艺设计

因为该产品的定位精度要求高，因此要求装配工艺对丝杆部组的定位、装配方式及轴承轴向预紧力大小进行工艺试验，以便确定工艺数据。

主轴部件因其锥孔跳动精度高，为了保证精度，须对主轴部件装配时的内外隔圈轴向尺寸调整和轴承预紧力大小进行工艺试验，以达到既保证主轴部件的精度，又使其具有足够的刚性，即重切后的精度稳定性高的目的。

因各基础大件的精度要求高，须在装配场地对其所有基础大件的导轨直线度及其平行精度进行稳定性验证后才能进行后续装配工作。

5） 电气系统调试技术

电气系统硬件按照设计要求正确安装、连接完毕，完成初次通电检查后，进入调试阶段，按照电气调试工艺流程进行调试，是保证数控系统正常工作的基础。数控系统控制部分的调试内容及工艺流程：

a） 数控系统初始化：完成数控系统功能配置和控制轴的配置。

b） 调试PLC应用程序所涉及的相关功能：检查基本操作功能、驱动器的使能控制、机床急停、硬限位控制功能、机床参考点返回功能、机床辅助设备——即冷却、液压、润滑系统的控制功能，检查所设计的功能是否可以正确无误的运行，PLC应用程序功能的正确无误是调试驱动器和数控系统参数的基本保证。

c） 配置驱动器基本参数：如驱动功率模块型号、伺服电机型号、驱动总线地址、测量系统类型等，通过参数配置，可以使驱动器加载与配置相关的默认数据，保证驱动器正确地对伺服电机进行控制。

d） 设置数控系统的基本参数：设置控制参数、机械传动参数、速度参数、反馈系统匹配参数等。通过基本参数设定数控系统的位置控制、驱动控制、测量系统、速度控制、设定机械传动系统与电气系统的匹配，设定每个轴的独立的速度给定接口和独立的位置反馈接口，设定参考点参数，建立机床坐标系和螺距误差补偿的参考点位置。数控系统参数的正确设置是保障数控系统功能正常的前提。

e） 误差补偿：调试反向间隙补偿、螺距误差补偿、体积误差补偿功能。数控机床是典型的机电一体化产品，数控机床的品质，如加工精度和动态特性，取决于高品质的机械部件和优化的装配工艺，取决于机电的密切配合。坐标轴的位置精度是由机械系统的精度和刚性主导的，尽管构成机械传动系统的零部件的加工、装配采取了各种措施消除反向间隙，消除螺距误差，而实际上数控机床的精度受到很多因素的制约，如铸造应力的缓慢释放、地基的基础状况、环境温度的影响、运动部件的热变形、丝杠的弹性变形、导轨支撑与导轨之间的间隙、机床工作台的弹性变形等等，所以需要对运动轴进行反向间隙和位置精度补偿。对于具有5轴联动功能的高精度数控卧式坐标镗床，体积误差补偿系统-VCS，不仅可对刀尖空间误差的进行补偿，还可对刀具取向误差进行补偿。

f） 驱动器速度控制特性优化：所谓驱动特性的优化是指驱动器的参数与机械系统之间的匹配，使驱动系统达到尽可能高的动态特性，以确保数控系统精度。

图14　电气系统调试流程图

6）高精度测量技术

因产品整机装配后的几何精度很高，为了保证测量数据的真实和稳定，测量所用的精密直尺、方角尺和检验棒，因其精度要求非常高，工艺上采用在公司已经使用10年以上的精密直尺、方角尺和检验棒提高精度要求来保证。

该产品的基础大件和精密轴系零件的测量，此次都是使用公司测量精度最高的精密测量仪器进行精度测量。

4. 机床高定位精度与高重复定位精度保障技术

1）机床基础支撑件精度保障技术

TGK46100高精度坐标镗床的基础大件包括床身、立柱龙门、工作台、滑座、滑板、主轴箱，为了保证这些基础大件获得高精度要求和稳定性，工艺将其加工序划分为粗加工、半精加工和精加工，以逐步提高零件精度；为了充分释放铸造应力及加工中产生的加工应力，工艺上采取了三次热时效处理，分别在粗加工前、粗加工后、半精加工后进行，以此保证零件的精度稳定性。为了提高加工效率并保证稳定达到基础大件的精度要求，工艺新提部份工艺装备进行保证。在零件加工工艺规程中根据设备条件和加工需求，正确选择零件的加工、测量和装配基准统一，以控制零件误差；在加工过程中对夹紧力、加紧方向、着力点进行了优化匹配，并采取了防止零件振动的有效措施，选用合理的刀具角度、合适的切削用量和冷却方式，以控制基础大件在加工中的变形。在零件加工过程中，工艺进行全过程跟踪验证，最终保证基础大件高精度及其稳定性要求。

TGK46100高精度坐标镗床的床身是目前我公司生产的最宽、精度要求最高的床身，其尺寸为4560×3400×800mm，导轨全长直线度要求0.008 mm，为了保证其精度要求，工艺上采用了在高精度的意大利数控导轨磨上进行精磨来保证几何精度要求。为了保证装配尺寸精度要求，工艺提制了角度样板来保证尺寸的精度要求。

图15　床身高精度的加工工艺流程

2）立柱龙门导轨的高精度保障技术

TGK46100高精度坐标镗床的立柱龙门是目前我公司生产的最宽、精度要求最高的立柱龙门，其尺寸为3415×3020×1350mm，与床身结合面（3415×1350mm）平面度要求0.01 mm，导轨全长直线度要求0.008 mm。为了保证其精度要求，工艺上采用了先由人工研铲床身结合面，再在高精度的意大利数控导轨磨上进行精磨导轨面来保证精度要求。

图16　立柱龙门三维图

图17　立柱龙门加工工艺流程

3）滑板高精度的保障技术

滑板为上导轨面和下导轨面呈纵横分布，精度要求很高，上导轨长2535mm，两导轨跨距527 mm，导轨直线度要求0.008 mm；下导轨长1300 mm；两导轨跨距2299 mm，导轨平面度要求0.01 mm，上下导轨相互平行、垂直精度都要求在0.01 mm，两个丝杆孔端面与下导轨面垂直在0.01mm。

为了保证其精度要求，工艺上采用了在高精度的意大利数控导轨磨上进行精磨上下导轨面来保证其导轨精度要求，再在高精度的数控落地镗床上进行丝杆孔端面的铣削及孔的精镗来保证其精度要求。

图18　滑板三维图

图19　滑板加工工艺流程

4）主轴箱高精度的保障技术

TGK46100高精度坐标镗床的主轴箱是目前我公司生产的精度最高的主轴箱，其导轨面平面度0.005 mm，主轴孔圆度及圆柱度都是0.0015 mm。为了保证其精度要求，通过指定标准的工艺流程，工艺上采用了用人工研铲保证导轨面精度要求；在高精度坐标镗床上精镗主轴孔，然后用立式研磨机进行研磨来保证主轴孔的精度要求。

图20　主轴箱三维图

图21　主轴箱工艺流程图

5）滑座高精度保障技术

TGK46100高精度坐标镗床的滑座尺寸为1250×1050×337 mm，是目前我公司生产的精度最高的滑座，其导轨面平面度0.005 mm，圆导轨面平面度0.008mm，侧面蜗杆孔中心与大孔中心尺寸公差0.02 mm。为了保证其精度要求，工艺上采用了用人工研铲保证圆导轨面精度要求；在高精度的意大利数控导轨磨上进行精磨导轨面来保证其导轨精度要求，再在高精度的数控镗床上进行蜗杆孔的精镗来保证其精度要求。

图21　主轴箱工艺流程图

图21　主轴箱工艺流程图

四、成果应用及推广情况

在机床研制过程中，采用了数字化设计、分析、优化技术、“箱中箱”式崭新布局、“转台和主轴直驱”、“直线进给轴双驱”等一系列新技术，积累了丰富的设计经验，并形成相应的技术、工艺标准与验收标准，为同类机床的开发奠定了丰富的理论与实践基础，特别重要的是提升了现有的机床设计模式，做了大量了技术探索、试验比较与理论分析，努力克服了我国机床设计领域长期缺乏理论研究，技术积累等的一系列瓶颈。

本项目研制的TGK46100 高精度数控卧式坐标镗床，机床各项精度及性能指标达到国外高精度高端产品的先进水平，同时企业也掌握了高精度数控卧式坐标镗床设计、制造关键技术；加强了企业创新能力建设，形成了高精度坐标镗床研发、试验创新基地；可全面开展针对用户的加工工艺和技术服务等方面工作，建立了高精度数控卧式坐标镗床的示范基地；在产品成功应用基础上，建立了高精度数控卧式坐标镗床生产线，实现高精度数控卧式坐标镗床的产业化。

（1）沈机集团昆明机床股份有限公司联合西安交通大学与西安黄河机电有限公司，以“产、学、研、用”形式，通过自主设计、制造、安装调试，研制完成满足本课题技术指标要求的高精度数控卧式坐标镗床。

（2）通过TGK46100 高精度数控卧式坐标镗床的研制，掌握高精度数控卧式坐标镗床关键单元技术、系统集成技术、关键试验技术、关键设备和仪器的开发技术，形成高精度数控卧式坐标镗床研发、试验创新基地。

（3）联合西安黄河机电有限公司，全面开展针对用户典型产品的高精度数控卧式坐标镗床加工工艺研究和技术服务等方面工作，建立高精度数控卧式坐标镗床的示范基地。

（4）在样机制作的基础上，开发并完善高精度数控卧式坐标镗床的加工制造手段，建立高精度数控卧式坐标镗床生产线，形成可以批量生产高精度数控卧式坐标镗床的加工制造能力，实现高精度数控卧式坐标镗床的产业化。

（5）联合西安交通大学，聚集国内其它关键技术优势单位，形成产学研用开发研究和制造队伍，为高精度数控卧式坐标镗床等相关高精度机床的研究、开发、制造培养相应的优势团队。 □