通過(guò)對(duì)大扭矩?cái)[角銑頭的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，結(jié)合用戶實(shí)際需求和典型加工對(duì)象的工藝特點(diǎn)，對(duì)AB銑頭擺角結(jié)構(gòu)、主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，研制出高性能的AB擺角銑頭，經(jīng)過(guò)測(cè)試和實(shí)際加工驗(yàn)證，滿足典型零件的加工需求。
1 序言
擺角銑頭部件是五坐標(biāo)機(jī)床的核心部件，應(yīng)用比較廣泛的AC擺角頭加工范圍大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，但擺角扭矩相對(duì)AB擺角頭嚴(yán)重不足，對(duì)于鈦合金、合金鋼等難加工材料加工，尤其是大余量粗加工適用性不強(qiáng)，效率較低。所以目前大扭矩高剛性的擺角銑頭在強(qiáng)力加工中優(yōu)勢(shì)明顯。
2 國(guó)內(nèi)外擺角銑頭研究現(xiàn)狀
AB擺角頭部件在國(guó)外并沒(méi)有專業(yè)廠家生產(chǎn)銷售，現(xiàn)階段國(guó)外也只有意大利的PARPAS和RAMNAUD（見(jiàn)圖1）公司、美國(guó)的CINCINNATI公司生產(chǎn)AB擺角機(jī)床，而且只有CINCINNATI公司生產(chǎn)的是高性能的AB擺角機(jī)床，法國(guó)的FOREST-LINE（見(jiàn)圖2）有著多年生產(chǎn)大型AB擺角銑頭五軸機(jī)床的經(jīng)驗(yàn)，其產(chǎn)品在航空工廠也有較多的應(yīng)用，但由于種種原因，該公司已經(jīng)停止AB擺角銑頭及其配套機(jī)床的生產(chǎn)。
圖1 意大利RAMNAUD-RAMMATIC1000
圖2 法國(guó)FOREST-LINE-V1 2000 2T
意大利的RAMNAUD和PARPAS生產(chǎn)的設(shè)備體積、功率和扭矩等相對(duì)較小，在鈦合金結(jié)構(gòu)件加工尤其是粗加工時(shí)顯得能力不足，主要配套立式加工中心進(jìn)行小型零件的加工。法國(guó)FOREST-LINE生產(chǎn)的AB擺角銑頭剛性足、扭矩大，主軸具有多擋變速，最大轉(zhuǎn)速可以達(dá)到6000r/min，不僅可以進(jìn)行鈦合金的粗、精加工，而且能兼顧鋁合金結(jié)構(gòu)件的加工。但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所有傳動(dòng)環(huán)節(jié)都在箱體內(nèi)部，雖然顯得很緊湊，但是加工和裝配難度非常大，對(duì)加工設(shè)備、加工工藝、人員素質(zhì)及工裝夾具等要求都很高，一定程度上影響了加工可靠性和品質(zhì)一致性，高昂的生產(chǎn)成本也降低了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。表1為國(guó)外幾款A(yù)B擺角頭技術(shù)參數(shù)對(duì)比。
表1 國(guó)外幾款A(yù)B擺角頭技術(shù)參數(shù)對(duì)比
國(guó)內(nèi)一些機(jī)床企業(yè)也開(kāi)發(fā)出了AB擺角頭機(jī)床產(chǎn)品，但是技術(shù)成熟度、可靠性以及特定種類飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工的針對(duì)性和適應(yīng)性不夠，基本處于能用，距離適用、好用還有一定差距。此外很多用戶也對(duì)國(guó)產(chǎn)AB擺角銑頭的性能水平不夠信任，不愿承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，首選還是國(guó)外AB擺角機(jī)床，即便是出于自主可控等政策要求采購(gòu)國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，價(jià)格也是低得可憐，導(dǎo)致很多機(jī)床廠不愿意投入資源對(duì)AB擺角頭進(jìn)行深入研究。
本文研究的AB擺角銑頭是在國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題“數(shù)控機(jī)床雙擺角銑頭關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用示范”的支持下，深入挖掘用戶使用需求，細(xì)分加工對(duì)象的結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)，分析現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外AB擺角銑頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用情況，開(kāi)發(fā)出適用、可靠及高效的AB擺角頭產(chǎn)品，并配套數(shù)控機(jī)床在典型航空結(jié)構(gòu)件批量加工中示范應(yīng)用。
3 加工對(duì)象分析
現(xiàn)代飛機(jī)構(gòu)造中，結(jié)構(gòu)件構(gòu)成了飛機(jī)的骨架， 是飛機(jī)的主要承力件，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高和比強(qiáng)度大，絕大部分飛機(jī)結(jié)構(gòu)件需要數(shù)控加工而成。肋、框和梁類零件是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的典型代表（見(jiàn)圖3），雙面薄壁槽腔類結(jié)構(gòu)材料去除率大（90%以上），腹板、緣條、筋條高度不等成臺(tái)階狀且?guī)в袣鈩?dòng)外形，具有開(kāi)閉角結(jié)構(gòu)，需五軸聯(lián)動(dòng)加工，加工精度和表面質(zhì)量要求高。這些結(jié)構(gòu)件主要由鈦合金、不銹鋼和鋁合金材料制成，其中以鈦合金結(jié)構(gòu)件最難加工，加工工時(shí)最長(zhǎng)。鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，但是鈦合金的高溫強(qiáng)度特性意味著在切削溫度下具有高的硬度和剛度，加工時(shí)需要更大的切削力，這就決定了加工設(shè)備要具有足夠的剛性和驅(qū)動(dòng)扭矩。
圖3 典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件
AB擺角銑頭具備主軸功率和扭矩大、擺角剛性和扭矩足的特點(diǎn)，可以滿足鈦合金、不銹鋼類難加工材料大余量強(qiáng)力粗切削的要求。同時(shí)，由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件多具有開(kāi)閉角結(jié)構(gòu)，最大開(kāi)角和最大閉角一般在15°以內(nèi)，而AB擺角結(jié)構(gòu)較為直觀、布局開(kāi)敞，且易于獲得大扭矩，銑頭擺動(dòng)范圍可以覆蓋絕大部分框、梁類等典型結(jié)構(gòu)件的加工。所以未來(lái)航空工廠及其配套工廠對(duì)配置AB擺角銑頭的機(jī)床有較大的需求。
4 AB擺角銑頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化
4.1 高剛性、大扭矩的AB擺角機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于AB擺角銑頭主要加工對(duì)象為鈦合金等難加工材料制成的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，切削抗力大，這就要求擺角頭具有非常高的擺角驅(qū)動(dòng)扭矩和傳動(dòng)剛性。要獲得充足的擺角扭矩，主要有兩種方式，一種是大型力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，無(wú)傳動(dòng)間隙，精度高、速度快，但這種方式由于沒(méi)有變速，很難獲得特別高的輸出扭矩，最大一般只能做到三四千牛米，更大規(guī)格的力矩電動(dòng)機(jī)基本屬于非標(biāo)定制產(chǎn)品，不僅成本陡增，其較大的結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量導(dǎo)致很難在AB擺角上布置，所以一般AB擺角銑頭基本不采用力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)擺角運(yùn)動(dòng)。另一種方式是用普通的伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)多級(jí)變速來(lái)實(shí)現(xiàn)大扭矩輸出，這種方式性價(jià)比高，通過(guò)合理的傳動(dòng)和速比設(shè)計(jì)很容易實(shí)現(xiàn)非常高的扭矩驅(qū)動(dòng)，可以達(dá)到幾萬(wàn)牛米，滿足鈦合金強(qiáng)力切削對(duì)擺角扭矩的需求。
目前，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)形式最常見(jiàn)的是齒輪傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)可傳遞空間任意軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，有開(kāi)式、閉式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，適應(yīng)范圍廣（傳遞速度、功率范圍都大），壽命長(zhǎng)，效率高。但是單級(jí)傳動(dòng)速比較小，一般＜8，如果要獲得大速比需采用多級(jí)傳動(dòng)或行星傳動(dòng)的齒輪箱，結(jié)構(gòu)尺寸大，齒輪齒圈結(jié)構(gòu)單級(jí)雖然也能獲得較大速比，受齒圈直徑過(guò)大的影響，一般在大規(guī)格轉(zhuǎn)臺(tái)上用于回轉(zhuǎn)傳動(dòng)，而在擺角機(jī)構(gòu)上基本采用齒輪配對(duì)弧形齒條實(shí)現(xiàn)小范圍擺動(dòng)。蝸輪蝸桿傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)是單級(jí)速比較大，動(dòng)力傳動(dòng)中傳動(dòng)比一般為8～80 ，結(jié)構(gòu)緊湊，為多齒嚙合傳動(dòng)，故傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲很小。兩輪嚙合齒面間為線接觸，具有很高的承載能力，具備自鎖功能，但傳動(dòng)效率相對(duì)較低。
國(guó)際上也有一些機(jī)床廠商在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)中采用一種凸輪式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。凸輪式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由凸輪、凸輪滾子和回轉(zhuǎn)從動(dòng)件組成，凸輪滾子在回轉(zhuǎn)從動(dòng)件圓周方向徑向均勻排列，凸輪為螺旋狀，作 為主動(dòng)輪并與凸輪滾子相嚙合，從而帶動(dòng)回轉(zhuǎn)從動(dòng) 件做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。凸輪式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)避免了一般蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)因磨損而造成的精度降低，并且在嚙合過(guò)程中，凸輪滾子和凸輪兩側(cè)面曲面存在預(yù)載，消除了反向間隙，提高了整個(gè)機(jī)構(gòu)的精度和剛度。同時(shí)，凸輪滾子采用了滾針支撐，由滾動(dòng)代替普通嚙合時(shí)的滑動(dòng)摩擦，有效避免了磨損對(duì)運(yùn)行精度的影響，使整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更可靠，效率更高。但是，由于凸輪型面復(fù)雜，加工工藝難度較大，所以目前我國(guó)凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)水平與國(guó)外的差距較大，凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要靠進(jìn)口，受到出口限制和價(jià)格因素的嚴(yán)重制約，因此，該傳動(dòng)方式不在考慮范圍內(nèi)。
3種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)體如圖4所示。
a ）齒輪傳動(dòng)
b）蝸輪蝸桿傳動(dòng)
c ）凸輪式傳動(dòng)
圖4 3種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)體
通過(guò)以上對(duì)比，任何一種單獨(dú)的傳動(dòng)方式都很難滿足AB擺角銑頭大扭矩驅(qū)動(dòng)所需要的大速比要求，需采用集中的組合方式，同時(shí)要兼顧結(jié)構(gòu)緊湊，大負(fù)載傳動(dòng)平穩(wěn)，便于安裝調(diào)整及維護(hù)，高性價(jià)比。經(jīng)綜合分析，最終確定了AB擺角銑頭的驅(qū)動(dòng)方案，總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 AB擺角銑頭結(jié)構(gòu)
AB擺角銑頭驅(qū)動(dòng)采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿箱變速増扭，并通過(guò)其輸出齒輪與大直徑弧形齒條嚙合進(jìn)一步放大扭矩，來(lái)實(shí)現(xiàn)AB擺角機(jī)構(gòu)的大扭矩驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)鏈速比＞1000，驅(qū)動(dòng)扭矩27000N·m以上。擺角頭結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)， AB擺角驅(qū)動(dòng)箱為通用獨(dú)立部件，降低加工、檢驗(yàn)、裝配和維護(hù)難度和成本，提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，便于產(chǎn)品系列化。
AB擺角銑頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)環(huán)節(jié)由蝸輪蝸桿和齒輪弧形齒條兩級(jí)構(gòu)成。為了補(bǔ)償因加工、裝配和溫度變化引起的尺寸變化，以防卡死，并為潤(rùn)滑油膜留出空間，齒輪和蝸輪蝸桿嚙合傳動(dòng)時(shí)均留有側(cè)隙，但側(cè)隙的存在會(huì)導(dǎo)致反向運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生空程，影響傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，需要對(duì)傳動(dòng)環(huán)節(jié)進(jìn)行消隙設(shè)計(jì)，盡量減小或消除傳動(dòng)鏈的反向間隙。對(duì)于蝸輪蝸桿傳動(dòng)而言，雙段式蝸輪蝸桿和雙導(dǎo)程蝸輪蝸桿（見(jiàn)圖6）消隙效果比較好，但承載能力和傳動(dòng)剛性相對(duì)普通單導(dǎo)程蝸桿較差，而且加工難度和價(jià)格也相對(duì)較高。
a ）雙段式蝸輪蝸桿原理
b）雙導(dǎo)程蝸輪蝸桿原理
圖6 雙段式蝸輪蝸桿和雙導(dǎo)程蝸輪蝸桿原理
經(jīng)綜合考慮分析，為了滿足AB擺角銑頭驅(qū)動(dòng)大扭矩、高剛性、高承載和高可靠性的要求，兼顧性價(jià)比，確定采用傳統(tǒng)的普通單導(dǎo)程蝸桿設(shè)計(jì)，通過(guò)配磨蝸桿箱和蝸輪箱體之間的隔墊來(lái)調(diào)整中心距，減小側(cè)隙。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖7 AB擺角銑頭驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)
1-調(diào)整機(jī)構(gòu) 2-蝸輪 3-蝸桿 4-調(diào)整墊 5-外齒輪軸 6-內(nèi)齒輪軸
AB擺角銑頭驅(qū)動(dòng)的第二級(jí)為齒輪弧形齒條傳動(dòng)，也是側(cè)隙較大的一環(huán)，所以也需要做消隙設(shè)計(jì)。通過(guò)彈簧形式的柔性調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償，但會(huì)影響傳動(dòng)平穩(wěn)性，且這種調(diào)整方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)剛性低，不滿足AB擺角銑頭要求的高剛性驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)采用內(nèi)外雙齒輪軸，通過(guò)機(jī)構(gòu)剛性調(diào)整兩輸出齒輪周向相對(duì)扭轉(zhuǎn)錯(cuò)位，嚙合時(shí)，雙齒輪中的一個(gè)輪齒與相鄰弧形齒條輪齒的受力面嚙合，而雙齒輪的另外一個(gè)輪齒與相鄰輪齒的背面嚙合，從而達(dá)到消除齒側(cè)間隙的目的。
4.2 高剛性、大扭矩、高轉(zhuǎn)速的齒輪傳動(dòng)機(jī)械主軸箱設(shè)計(jì)
主軸是直接參與加工的重要部件，目前數(shù)控機(jī)床廣泛采用的主軸主要有電主軸和機(jī)械主軸兩類。電主軸的優(yōu)點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大，直驅(qū)零傳動(dòng)、無(wú)極調(diào)速、轉(zhuǎn)速高及動(dòng)態(tài)性能好，隨著高速、高效加工的理念深入人心，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，缺點(diǎn)是維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜、耐沖擊性差及輸出扭矩小，雖然國(guó)外一些機(jī)床廠如MCM 、DMG MORI 、Starrag等也采用了1000N·m以上的大規(guī)格電主軸配置在臥式加工中心上進(jìn)行高溫合金、鈦合金等材料的加工，但也僅限于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、葉盤(pán)等這些加工余量很少的發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)環(huán)件，對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件這種大余量切除的粗加工適用性不強(qiáng)，且成本昂貴。而齒輪傳動(dòng)的機(jī)械主軸通過(guò)合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)比，可以將扭矩做得很大，而且箱體式結(jié)構(gòu)尺寸大，剛性更足，適合與結(jié)構(gòu)開(kāi)敞的AB擺角箱進(jìn)行配套，機(jī)械主軸受切削振動(dòng)和沖擊影響相對(duì)電主軸不敏感，可靠性高。針對(duì)鈦合金等難加工材料制成的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工尤其是大余量去除的粗加工，機(jī)械主軸的優(yōu)勢(shì)明顯。所以本文研究的AB擺角銑頭配置齒輪傳動(dòng)機(jī)械主軸。
鈦合金等難加工材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工，需要主軸箱具備足夠的剛性和承載能力，這就要求主軸直徑較大，主軸軸承尺寸也隨之增大。為了增強(qiáng)加工適應(yīng)性，還要兼顧鋁合金結(jié)構(gòu)件的加工，同時(shí)要求主軸具備高轉(zhuǎn)速，大直徑主軸在高轉(zhuǎn)速下軸承發(fā)熱會(huì)顯著增加，需要通過(guò)合理的潤(rùn)滑、冷卻和預(yù)緊設(shè)計(jì)來(lái)保證軸承高速運(yùn)行時(shí)達(dá)到熱平衡，軸承溫度不能高于60℃，否則軸承壽命會(huì)大大降低，甚至有燒毀風(fēng)險(xiǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件高速、高效加工，需要兼顧高剛性、大扭矩與高轉(zhuǎn)速的雙重特性。為了滿足以上要求，設(shè)計(jì)時(shí)，需采用高性能、高功率電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，但電動(dòng)機(jī)直驅(qū)主軸無(wú)法獲得較大扭矩，需要通過(guò)載荷傳遞能力較強(qiáng)的齒輪傳動(dòng)進(jìn)行減速増扭來(lái)實(shí)現(xiàn)大扭矩驅(qū)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)主軸的高轉(zhuǎn)速，需要將主軸傳動(dòng)設(shè)計(jì)為兩個(gè)擋位，高速擋通過(guò)齒輪增速來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，低速擋通過(guò)齒輪減速來(lái)實(shí)現(xiàn)大扭矩。通過(guò)滑移換擋實(shí)現(xiàn)兩組齒輪的分別傳動(dòng)。
根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，經(jīng)過(guò)詳細(xì)計(jì)算分析，機(jī)械主軸箱（見(jiàn)圖8）最終設(shè)計(jì)如下：采用西門(mén)子高性能、高功率主軸電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，經(jīng)過(guò)一級(jí)精密齒輪傳動(dòng)變速，帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。齒輪變速機(jī)構(gòu)由兩組圓柱斜齒輪副組成，其中，主動(dòng)齒輪作為滑移齒輪，通過(guò)滑移換擋實(shí)現(xiàn)兩組齒輪的分別傳動(dòng)。主軸箱在低速擋工作時(shí)，具備大扭矩輸出，適合鈦合金等難加工材料的強(qiáng)力切削。高速擋傳動(dòng)時(shí)主軸扭矩隨轉(zhuǎn)速的升高略有下降，適合鋁合金零件的高速輕載切削。
圖8 機(jī)械主軸箱
1-主軸箱體 2-主軸電動(dòng)機(jī) 3-冷卻水套 4-齒輪 5-主軸 6-旋轉(zhuǎn)編碼器 7-傳動(dòng)軸 8-換擋液壓缸
5 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)AB擺角銑頭部件相關(guān)技術(shù)研究，完成了銑頭部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，研制出了性能穩(wěn)定的AB擺角銑頭產(chǎn)品并配套五軸機(jī)床（見(jiàn)圖9），對(duì)其各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，包括AB擺角銑頭的精度、靜態(tài)剛度，主軸動(dòng)平衡、振動(dòng)、溫度、噪聲、拉刀力、功率、熱膨脹以及S試件及其他典型零件的加工驗(yàn)證等（見(jiàn)圖10、圖11）。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)配套機(jī)床在用戶處進(jìn)行的實(shí)際加工驗(yàn)證，滿足飛機(jī)鈦合金零件加工需求，如圖12所示。
圖9 AB擺角銑頭配套機(jī)床實(shí)體
圖10 AB擺角銑頭運(yùn)行測(cè)試
圖11 AB擺角銑頭加工測(cè)試
圖12 典型飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件加工驗(yàn)證
（轉(zhuǎn)載）
