双主轴倒立车铣复合柔性制造单元的研制

周保牛 周 岳 叶 穗 王秋红 张永灿

(①常州机电职业技术学院，江苏 常州 213164；②南京新浙数控机床股份有限公司,江苏 南京 211511)

通常的立式车床、立式铣床等主轴顺立机床，孔加工排屑困难，对于盲孔工件的立式车削加工，排屑更难，甚至出现长屑搅断刀具或损伤工件等事故，需频繁停机人工干预，长时间稳定自动加工或智能制造变得异常复杂；轴套类工件经常需要车、铣等多机床多工序加工，分工序加工时间又短，装夹定位时间相对较长、劳作强度较大，产业工人不愿意长期坚守岗位安心工作，造成了用工荒的一种重要原因。针对巨量的中小轴套类工件，研制出能顺畅排屑、具有自动上下料功能、单机能有效柔性车铣复合加工的数控机床，同时还能成为柔性制造系统等成套生产线的核心设备已迫在眉睫，孕育而生了VLM20-FMC型双主轴倒立车铣复合柔性制造单元，不仅能派生出一类新型机床，也符合高档数控机床功能集成化方向发展趋势，无疑对推进中国制造、智能制造有具体意义。

1 总体方案研究设计

1.1 总体布局

VLM20-FMC型双主轴倒立车铣复合柔性制造单元各部件总体布局如图1所示。车削主轴4尾部朝上、头部朝下倒立，安装在主轴箱3内，吊空夹持工件旋转。铣削主轴5尾部朝下、头部朝上倒立，安装在动力刀架7之内夹持旋转刀具。车削主轴4在铣削主轴5上方，车、铣双主轴倒立，工件孔口朝下自行清理排屑加工，来解决通常的主轴顺立机床排屑不畅问题；容纳车铣类刀具的动力刀架7给铣削主轴5提供动力，分度旋转实现换刀功能；车削主轴4具有高速旋转和低速数控连续分度切换功能，其头部安装有非磁性卡爪卡盘，在主轴箱的带动下以机床快速移动速度往返于固定装卸站自动装卸工件；经过固定装卸站、穿越机床本体内部的封闭链式大容量工件储运系统18，为长时间连续加工提供源源不断的毛坯件。用强度高、热变形小、耐蚀性好的岩类非金属材料整体灌注的阶梯型床身立柱11，用塑料导轨板阻尼隔振支撑线性滚动导轨运动副，光栅尺全闭环伺服驱动系统，整机配备多种组线机电接口，整体防护罩1防溅、导流切削液和美化整机外观，主轴内外大流量冷却清理，室温跟踪控制系统14防止精密部件热变形。双主轴倒立车铣复合柔性制造单元具有了基本框架，有限元分析的整机动静刚度高，为提高综合性能奠定了基础。

1.2 坐标运动分配

坐标运动分配如图2所示。工件5比动力刀架7小得多、重量轻得多，工件5做坐标进给运动，动力刀架7固定在阶梯形床身底座8不动。阶梯形床身底座8由传统的床身和立柱铸造成整体，向高度方向分层支撑坐标运动部件，进一步紧凑占地面积，也为工件储输系统9和自动装卸工件的工作站3留足了摆放空间。阶梯形床身底座顶上布局直角滑鞍，直角滑鞍前后移动，实现X轴坐标运动。把车削主轴箱布局在直角滑鞍11的正前侧上下移动，完成Z轴坐标运动。考虑到主轴箱平衡油缸的速度响应性，Z轴最小快速移动速度为50 m/min以上、X轴可达60 m/min以上，用有色金属塑性材料刚性攻丝确定进给速度，按照液压三爪卡盘最大回转直径、确定最大加工零件尺寸、坐标轴行程等。用有限元运动仿真，模拟确定机床各坐标运动部件极限行程和运动范围，确定多工序车铣集成加工、自动换刀、工件装卸储运等空间大小，确保无任何干涉现象，并留足安全保护、维修、操控空间等。

2 关键部件研究设计

2.1 内藏式中空车削电主轴系统

内藏式中空车削电主轴系统如图3所示。中空车削主轴5尾部有松拉紧油缸10，液压三爪卡盘的推拉杆(图中未画)通过其中，实现自动松夹工件及中心冷却功能。车削主轴5的前支撑2、中支撑3用陶瓷球混合轴承高速、高刚度轴向固定支撑，后支撑8用短圆柱滚子轴承径向支撑、轴向浮动，轴承用干油定期润滑、主轴头用多重迷宫组1防漏防尘，主轴尾部有准停定位装置7，高速车削主轴5有低速C轴进给分度功能。前中主轴轴颈与轴承内圈过盈0.01～0.015 mm、180 ℃油温加热轴承套装到位；轴承外圈与主轴头套过盈-0.005～0.005 mm、120 ℃油温加热主轴头套套装到位。主轴与定子过盈0.015～0.02 mm、加压力油扩涨组装，边加压扩涨边推到位，不会损伤过盈精密配合件，装配质量高。

主轴组件无键连接、动平衡精度1.5 G，5 000 r/min加速时间仅1.8 s。主轴振型幅值不大，高阶频率的激励对主轴的振动影响也不大，而且整体变形比较均匀，说明主轴的整体动刚度和质量分布较为均匀，结构设计有利于主轴的动力学性能。谐响应分析曲线如图4所示，主轴在工作状态下能避免共振及其他受迫振动造成有害影响，有良好的动力学持续特性。

定子通冷却油用室温跟踪控制系统降低温度梯度。满负荷切削、75 000 r/min时的主轴温度场，最高温升28.578 ℃，如图5所示。

2.2 高性能动力刀架

高性能动力刀架如图6所示。12工位大容量动力刀架，换刀分度由一只电动机驱动，另一只内藏大功率铣削电主轴，最高转速达6 000 r/min，通过高性能离合器驱动标准铣削刀座，同时与车削电主轴匹配，满足多轴数控车铣复合加工的需要。内藏大功率铣削电主轴的定子用同源室温跟踪控制系统控制温度梯度，动力刀架换刀用三联端齿盘定位，转台轴承高精度、高刚度支撑。

分度换刀时，a口进油b口回油，防转销6导向，定位活塞5驱动定位齿盘3后移同时与动齿盘10和定齿盘2的端齿脱离啮合，主轴9连接回转动力，并与动齿盘10一起在转台轴承1和轴承8支撑下，带动刀盘(图中未画)旋转分度换刀。定位夹紧时，b口进油a口回油，防转销6导向，定位活塞5驱动定位齿盘3前移与定齿盘2和动齿盘10的端齿啮合，若动齿盘10有分度误差时也被迫修正误差后与定位齿盘2同时啮合定位。定齿盘2、动齿盘10和定位齿盘3这三联齿盘啮合到位后的同时完成了刀盘的锁紧动作。

刀盘旋转分度换刀和定位夹紧，均在同一平面进行。夹紧油缸突然失压，刀盘反弹幅度几乎为零。定位齿盘和固定齿盘始终在同一位置、相同的端齿间啮合定位，定位和重复定位精度有可能达到最佳状态。本机定位精度达3″、重复定位精度1″。

2.3 滚珠丝杠固定支撑牵拉机构

滚珠丝杠固定支撑牵拉机构如图7所示。双列(或单列)向心滚针轴承4的内圈、两只圆柱滚子推力轴承5的活动圈、通过传动键套连在丝杠上的两只轴承座套3上与丝杠1一起转动，双螺母7将支撑座12内的垫6和2、两个轴承座套3、两个短圆柱滚子轴承5和轴承套11轴向锁紧在滚珠丝杠1上，成固定支撑，按照计算尺寸C、分两半结构制造的调整垫9，消除△间隙后，即牵拉滚珠丝杠1，补偿热变形等，用户调整亦十分方便、精准。

2.4 自动上下料系统

该系统由工件储运系统和自动装卸系统组成，如图8所示。工件储运系统用套筒滚子链，柔性好、容易弯成多种环形等特点，尽力与机床主机贴近，减少占地面积；滚子链套筒中空作为存放、运载工件托盘或夹具部分的安装孔；链条容易加长，输送存储工件的数量可以足够多，为一人看管多台设备创造条件，由此确定工件储运系统托盘容量。又考虑到工件输送时间不能从加工时间当中分离出来需加快输送速度，为防止工件装卸误动作，工件托盘与套筒滚子链之间设有反转缓冲防护机械装置，确保不发生任何破坏性事故。

主轴箱带着车削主轴2、液压卡盘1在Z轴方向以G00快速移动速度上下高速运行往返于工件装卸站3，工件到工件自动装卸时间仅2 s。工件储运系统4源源不断地输送毛坯件、送工件于工件装卸站，工件到工件输送时间仅1 s。工件装卸前不仅有内外大流量冷却液、压缩空气清理，还把液压卡盘的三爪选用非磁性材料制作，杜绝了带磁切屑等吸附破坏装夹定位状态现象的发生，确保可靠加工。

3 结语

双主轴车铣复合柔性制造单元研制成功已通过省级鉴定，达到了国际先进水平。可作为先进制造系统的一种模式，已投入量产程序，显示出了鲜明特色。

(1)车、铣双主轴倒立，排屑效果好。

(2)非磁性材料卡盘卡爪，不吸附碎切屑，工件自动装夹准确，可靠定位有保障。

(3)三齿盘分度定位，没有上抬回转振摆、错齿隐患，不会产生倾覆力矩。夹紧油缸突然失压，刀盘反弹幅度几乎为零，不会引发突跳撞断刀尖等故障现象发生。定位齿盘和固定齿盘始终在同一位置、相同的端齿间啮合定位，定位和重复定位精度有可能做到最高。

(4)滚珠丝杠固定支撑牵拉机构支撑刚度高、现场施加预紧力方便、准确，装配、调试、维修性能好。

(5)内藏大功率电主轴的定子用室温跟踪控制系统控制温升，在空调车间内，杜绝了主轴头“冒汗”生锈等问题。

(6)岩类非金属材料整体灌注的阶梯型床身立柱，强度高、热变形小、耐蚀性好，支撑刚度高。

(7)用塑料导轨板阻尼隔振支撑线性滚动导轨运动副等震动源，接触刚度降低不多、减振效果明显。

(8)可单机高效高性能加工，也可组成多种柔性线等先进制造系统。

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