新型高速五轴联动叶轮加工机床大件结构设计

郭聪聪

(上海拓璞数控科技有限公司，上海 201111)

0 引言

五轴机床是装备制造业的重要工作母机，高档数控机床与基础制造装备被我国列为《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》16个重大专项之一。高速、高精度、高刚度的五轴联动机床在航空航天、汽车、新能源、科研和高精医疗设备等领域有着极其重要的应用。但是，由于五轴机床的运动环节多，其精度、刚度等指标一直制约着五轴机床的推广应用[1]。本项目是针对叶轮的加工而研发设计的五轴联动加工中心，并为提高其精度刚度以及运行速度等指标开展了一系列的研究工作。

1 机床结构的总体设计

1.1 整体布局

五轴机床有双摆头、单摆头、单回转台和双回转台等构型[2]，本文研究的五轴加工中心为龙门式双回转台结构，且主要针对叶轮的加工，将刀库置于龙门两立柱之间，如图1所示。该结构占用空间较小，结构紧凑，主要由电主轴、双回转台、机床箱体、刀库等结构组成。电主轴功率15kW，最高转速40 000r/min,适合铝合金的高速加工。双回转台实现旋转轴A、C轴的联动，均采用力矩电机直接驱动，减少传动间隙。安装在龙门立柱上方的十字滑台带动刀具箱体及刀具实现x、y方向的运动，同时，刀具可以直线上下移动，即为z轴，形成3个直线轴。

1—龙门立柱；2—刀库；3—十字滑板；4—主轴箱滑板； 5—电主轴箱体；6—双回转台；7—机床底座图1 机床整体结构图

设计时将机床的刀库、双回转台等结构组件全部置于机床箱体上，机床箱体采用多筋板中空结构，在满足机床刚度的前提下，尽量减轻质量。3个直线轴的运动分别由3个伺服电机通过滚珠丝杆完成，2个回转运动由力矩电机完成。采用自动供油方式，定时润滑机床的摩擦面。进给机构均有限位控制装置，机床工作安全可靠。

1.2 机床刀库的设计

机床采用内藏式刀库(图2)，根据加工情况任意选择刀具[3]。刀库置于龙门立柱之间，以减小机床的整体尺寸，节省空间距离。在电机驱动下，刀库本身具有旋转运动，将待使用的刀具转送至前端，同时，因气缸的作用，刀库整体在置于机床底座的线轨上沿y轴来回移动，将待换刀具移动至主轴下方合适的位置，实现送刀的动作，且换刀速度较快，无需机械手。刀库为推出式，配置自动门。

图2 机床刀库示意图

机床刀库最多可配置8把刀具，钢制刀爪，使用精密分割器做刀具分隔，换刀精度高，结构简单，容易实现换刀动作，换刀时间8s，最大刀重3kg，满刀时最大刀径90mm，临空时最大刀径160mm，最大刀长150mm。

1.3 旋转运动结构的设计

机床的双回转台结构如图3所示。

1—摇篮固定座；2—中心轴；3—转台底座； 4—回转工作台；5—圆光栅；6—力矩电机 图3 双回转台结构示意图

机床的2个回转运动均在工件上实现，使刀具始终垂直于工件加工表面，实现复杂曲面的高精度加工，两摇篮座之间的跨距较大，以增大加工空间。回转工作台使用全力矩电机驱动，实现两部分动作，即由绕z轴的回转运动，形成C轴，以及绕x轴的摆动，形成A轴，且没有中间传动环节，转动精度较高[4]。

在转台内部，使用高精度编码器，同时，配置P2级的专用转台轴承，保证回转精度和重复定位精度。工作台尺寸210mm，最大承重30kg，主轴端面至工作台中心的最小距离85mm。A轴采用双驱动方式，最大速度50m/min，最大转矩710N·m，定位精度6″，重复定位精度4″。C轴最大速度100m/min，最大转矩251N·m，定位精度6″，重复定位精度4″。A、C轴的角加速度均为210rad/s2，轴径向跳动均达到0.005mm。

1.4 机床床身结构的设计

在龙门立柱上(图4)，十字滑台的移动为x轴移动，主轴箱滑板的前后运动为y轴运动，在x轴的线轨上，使用3个滑块以承受主轴箱(图5)和十字滑板等较大质量的部件。同时，使用双螺母丝杆，脱片式联轴器，保证结构件可以高速运动，同时还能够保证移动精度和速度。在设计主轴箱滑板方面，设计多筋板以减小机床在运动过程中的变形，在满足强度的情况下，尽量减小工件的质量，从而减小惯量，提高机床的响应速度。

图4 龙门立柱示意图

图5 主轴箱滑板示意图

图6 十字滑板示意图

本文设计的五轴加工中心，是自主研发的高速五轴加工中心，x、y、z轴快速移动速度为60m/min，为了达到较小的间隙，设计双螺母结构，同时为了提高其刚性，使用脱片式联轴器。直线轴的运动均采用交流伺服电动机，配置光栅尺进行实时反馈调节，保证较高的精度。

在机床整体设计过程中，主轴箱体、龙门立柱和十字滑板结构中通过使用加强筋，有效地增加了各结构件的刚度，并应用ANSYS有限元软件对其进行了受力分析，了解其受力变形状况。

十字滑板通过线轨与横梁接触，前后分别有3个滑块，立柱承受的总质量约为600kg。当机床的主轴箱滑板运动至y轴正向极限位置时，机床的主轴箱滑板、主轴箱和电主轴等构件总质心位于龙门立柱前端，以十字滑板的支反力计算，并将主轴箱等部件的惯性力考虑在内。

以龙门立柱的计算为例，受力如图7所示。

图7 机床立柱受力图

其中，L1=400mm，L2=167mm，G=6 000N，F3为惯性力，F3=2 250N

带入数据计算得：

F2：后面3个滑块的支撑力

立柱和十字滑板之间通过导轨滑块接触(面接触)，接触面积为3 960mm2。

前面3个滑块受力：12 519N；均布载荷计算：1 053 787Pa(有限元分析输入条件)；

前面3个滑块受力：4 269N；均布载荷计算：359 343Pa(有限元分析输入条件)。

使用ANSYS有限元软件对立轴箱、龙门立柱和十字滑板进行受力分析，受力图及变形图如图8-图10所示。

通过变形图可以看出，主轴箱的后端几乎没有变形，而前端和电机连接部分呈弧形向机床y轴正方向倾斜，最大变形位于主轴箱上端与电机座连接部分，变形量0.001 3mm，可以满足使用要求。机床的十字滑板受到主轴箱滑板给予的压力以及横梁给予的支力，使十字滑板的前端位置受剪，此处的变形也最大，变形值为0.003 2mm，也在允许变形范围内，可以使用。机床的龙门立柱变形较大位置位于横梁中间前部位置，向下弯曲，变形量0.010 5mm，变形量较大，容易造成加工零件的直线度不符合要求，需对龙门立柱进行改进。

图8 主轴箱变形图

图9 龙门立柱变形图

图10 十字滑板变形图

改进方案为：在变形较大位置沿x向以及底面各增加一块钢板，如图11、图12所示。

图11 立柱截面图(改进前)

图12 立柱截面图(改进后)

对改进后的立柱进行受力分析，变形图如图13所示，应力图如图14所示。

图13 立柱变形图

图14 立柱应力图

从图13中可以看出最大变形处在立柱前端中间的位置，变形量为0.002 41mm，变形较小在允许值范围内，可以使用。

机床整机如图15所示，所加工的零件如图16。

图15 机床实物图

图16 已加工叶轮图

通过对加工过程的观察，发现刚度较好，直径为50 mm的铝合金叶轮叶片加工时间约为3 min，对已加工好的叶片进行精度及表面粗糙度检测，叶缘加工精度0.05 mm，五轴叶片和倒角表面粗糙度Ra0.8，叶片加工精度0.1 mm，中心孔与轮背垂直度0.005 mm，形位精度很高，机床的动平衡为0.039 g，工具系统跳动量0.002 mm，均达到预期目标，证明本文设计的五轴机床能够满足高精高速的质量要求。

2 结语

为了达到高速高精度加工叶轮的目的，设计了新型五轴联动加工中心，经装配调试达到预期的加工效果，且加工可靠，运行平稳。

参考文献:

[1] 张惠敏. 五轴联动数控机床的设计[J]. 机床与液压，2010，38(8)：8-10.

[2] 崔建昆，范灏，奚伟辰，等. 五轴联动数控工具磨床工作台运动方案与结构设计[J]. 机械工程与自动化，2011(4)：209-211.

[3] 周建东. 加工中心盘式刀库的设计[J]. 工艺与装备，2007(8)：83-85.

[4] 刘新宇. 五轴数控机床回转工作台的设计[J]. 工艺与装备，2009(6)：99-101.