局部可重配置微小型车铣复合加工机床结构设计*＊

李忠新 张之敬 金 鑫

(北京理工大学，北京 100081)

随着微小型系统在航天航空、汽车、兵器、医疗器械等领域中越来越广泛地应用，如航空航天惯性部件、微小发动机、微小武器部件以及精密医疗器械等的微小型化、轻量化要求越来越高，对精密微小零件的制造技术提出了更高的要求。利用切削加工在结构成形加工和可加工材料多样性等方面的优势，结合微型工厂概念，通过机床微小型化以大规模并行方式搭建集成微型制造系统，将是一种经济可行的加工技术方法。

微细加工技术属于精密加工范畴，是指制造微小尺寸零件或者大尺寸零件微功能结构的加工技术［1-2］。精密微小型车铣复合加工技术则是定位于复合加工的微细加工技术，是针对日益增多的精密微小复杂结构件加工难题而发展起来的先进加工技术。在精密微小型车铣复合加工机床设计中引入局部可重配置概念［3］，在实现微小型零件完整加工的同时，使微小型机床同时具备加工零件变化快速响应的能力。

1 精密微小型车铣复合加工机床总体技术

精密微小型车铣复合加工机床总体技术包括机械结构总体技术、控制系统总体技术、可重配置模块技术、精度控制技术、工艺数据管理技术等，如图1 所示。

精密微小型车铣复合加工机床的机械结构总体技术主要包括功能设计与实现、机床行程及加工范围设计与实现等方面。其中，功能设计与实现主要指体现机床加工能力的伺服驱动轴与进给轴、控制轴与联动轴、关键功能模块以及支撑辅助结构等的设计技术;机床行程及加工范围设计与实现主要指机床整体结构及各机械子结构的空间布局技术。

精密微小型车铣复合加工机床的控制系统总体技术包括控制系统功能设计、控制系统参数设计、软定位与系统互锁、控制系统精度控制与补偿等技术。

精密微小型车铣复合加工机床的精度控制技术具体包括误差建模技术、精度补偿技术、机床与加工过程动态测试技术等。

2 局部可重配置精密微小型车铣复合加工机床总体结构设计

为了实现精密微小型车铣复合加工机床的各项功能和技术指标，从以下方面考虑机械结构总体方案:

2.1 功能的实现

机床本体包括X、Z、C 三个坐标轴，车削主轴沿Z轴布置，同时车削主轴具有绕Z 轴旋转的功能，即C轴功能，且可实现无级分度定位。

采用模块化设计，在机床纵横溜板上设计Y 轴组件与数控转台(双工位、B 轴)，且Y 轴组件能够与机床其他轴联动，Y 轴组件可配备铣削电主轴、磨削电主轴等动力主轴，使机床具备车、铣、车铣、车磨、镗、钻、铰、攻丝等多种工艺手段的加工能力，从而实现对精密微小复杂结构件的完整性加工。图2 为配置铣削总成与自动换刀刀库的微小型车铣复合加工中心布局。

2.2 机床行程和加工范围

机床行程和加工范围主要通过机床整体结构与各功能模块的设计和合理布局实现。图3 所示为4 轴精密微小型车铣复合加工机床的机床行程与加工范围布局。

4 轴精密微小型车铣复合加工机床主要用于加工以下结构或工件:

(1)直径为φ0.1～25 mm 的轴类工件。

(2)典型微细结构，如截面尺寸为0.1 mm ×0.1 mm、长度L≥1 mm 的方轴。

(3)几何尺寸为0.1 mm×0.1 mm ×0.1 mm～50 mm×30 mm×50 mm 工件的铣削加工。

3 局部可重配置精密微小型车铣复合加工机床主要功能组件设计

3.1 复合加工机床本体

考虑现有机床的技术成熟性、精密微小型车铣复合加工机床的技术指标要求和设计加工成本，局部可重配置精密微小型车铣复合加工机床的机床本体选用小型精密CNC 刀塔式车床KNC -50FS 本体结构，具有以下设计特征或要求:

(1)具有X、Z 向移动滑台，X 向行程320 mm，Z向行程270 mm。

(2)可加工工件直径范围:φ0.1～25 mm;最大加工长度100 mm。

(2)具有车削功能(数控刀架)，同时车削主轴具有绕Z 轴旋转的功能，即C 轴功能，可无级分度。

(3)X、Z 轴的重复定位精度在±0.003 mm 范围内。

(4)复合加工机床主体导轨具备大的承重能力，以便在主体结构上安装其他功能模块。

3.2 铣削总成

铣削总成(Y 轴总成)，作为一个完整功能模块，与其他功能模块共同组合构成局部可重配置精密微小型车铣复合加工机床，可实现径向铣圆、铣平面、连续轮廓铣削、钻孔、端面铣槽等加工操作。

铣削总成采用机械Y 轴结构实现，主要有以下考虑:一是机械Y 轴方式的铣削总成，靠机械保证y 坐标与x、z 坐标垂直关系，可达到较高精度;二是机械Y 轴结构，可以将动力刀架总成安装在Y 轴立柱上，使切削时的负荷由基准导轨面来承受，能够进行高刚性的切削，相对独立的刀架总成可以使用高转速的电主轴，易于实现高转速切削;三是考虑到机械Y 轴结构机床所需要的结构尺寸较其他类型Y 轴结构相比更为庞大，因此根据微小型车铣复合机床的本体结构与空间布局以及铣削总成自身结构特点，铣削总成Y 轴行程设计为±30 mm，能够满足微小型车铣复合机床的微小型零件加工需求。

铣削总成工作原理如图4 所示。立柱通过转台固定在机床X 轴滑板上，伺服电动机通过同步带传动驱动滚珠丝杠旋转，带动溜板向上(Y 轴正向)或向下(Y轴负向)运动实现Y 轴的进给运动，铣削电主轴通过电主轴座固定在Y 轴溜板上，电主轴的高速旋转为切削的主运动，与X、Y 轴的进给运动合成实现对工件的铣削加工。

铣削总成采用洛阳轴承所研制的Φ80 mm 动力电主轴，其最高转速达45 000 r/min，最大装夹铣刀直径φ7 mm;进给系统动力源为FANUC β4/4000is 伺服电动机，通过同步带传动将动力传输至THK 公司的DIK1605 -6RRG0 +245LC1 滚珠丝杠副，驱动燕尾滑轨结构完成Y 轴进给;经检测，铣削总成全行程(±30 mm)内定位精度＜0.003 mm，重复定位精度不超过±0.001 5 mm，满足设计要求。

3.3 双工位数控转台

为实现曲面的加工以及在外圆上的铣槽、镗、铰和钻孔等加工，设计了双工位数控转台，如图5 所示。该数控转台可在0°～90°之间选择，并保证0°与90°两个工位的精确定位与锁紧。数控转台安装在铣削总成的下方，使铣削总成能够实现0°与90°两个位置的定位与加工。双工位数控转台采用齿轮齿条传动方法，气缸推动齿条与齿轮啮合带动旋转轴转动，实现转台台面转动;同时为保证旋转定位精度、重复定位精度采用了在转台的0°与90°两工位上设计挡块机构，配合气动执行机构实现旋转台的定位和夹紧。受到精密微小型车铣复合加工机床空间尺寸和铣削总成的行程设计要求限制，双工位数控转台小型化要求较高，其整体高度(转台安装底面至转台工作台面距离)仅为80 mm，属于超薄型数控转台，端面跳动±0.003 mm，定位精度±10 〞。

3.4 YB 轴组件

铣削总成、双工位数控转台均作为具备可重配置微小型车铣复合加工机床的独立功能模块，同时将两个独立功能模块进一步改进设计与集成，又形成了新的完整功能模块YB 轴组件，如图6 所示。

YB 轴组件相比于铣削总成、双工位数控转台，技术水平得到了进一步的提高，功能也更加集成和完善。与铣削总成、双工位数控转台相比，YB 轴组件在设计上进行了如下改进:

(1)YB 轴组件使用直线导轨代替原铣削总成中的燕尾导轨，从机械结构角度提高了YB 轴组件的整体传动精度。

(2)将机床本体的数控车刀架功能集成到YB 轴组件中，丰富和加强了YB 轴组件的功能与加工能力。

(3)数控转台功能升级，具备了B 轴功能，可实现任意角度的无级分度、转动和定位;新型转台的锁紧机构采用气动钳夹技术，选用了产于德国的气动钳夹机构，其锁紧力矩达140 N·m，可以满足定位与YB 轴组件加工状态对数控转台的锁紧要求。

4 精密微小型复合加工机床的局部可重配置性

表1 可重配置机床相关几何精度检测表

复合加工机床本体、铣削总成、双工位数控转台、YB 轴组件、自动换刀刀库等功能模块共同组成了局部可重配置微小型车铣复合加工机床的可重配置功能模块库，通过不同功能模块的有机配置，结合控制系统等技术可构建不同的精密微小型车铣复合加工机床，以适应不同的工件加工要求和复合加工机床功能要求。

图7 为由机床本体、铣削总成、双工位数控转台等主要机械功能模块构建的4 轴微小型车铣复合加工机床，其主要几何精度检测项目和检测结果如表1 所示。

由机床本体、YB 轴组件等主要机械功能模块则可构建5 轴精密微小型车铣复合加工机床。精密微小型车铣复合加工机床均留有自动换刀刀库的机械与控制接口，配置自动换刀刀库功能模块后，即可升级为4 轴精密微小型车铣复合加工中心或5 轴精密微小型车铣复合加工中心，如表2 所示。

表2 局部可重配置复合加工机床主要机械功能模块配置表

局部可重配置车铣复合加工机床配置不同的功能模块或电主轴，将具备不同的加工工艺能力，如表3所示。

表3 局部可重配置微小型车铣复合加工机床工艺能力分析

5 结语

为了进一步验证精密微小型车铣复合加工机床的加工能力，利用研制的4 轴与5 轴精密微小型车铣复合加工机床进行了微细轴、球头轴、微小涡轮、微小乒乓球拍、微小神七模型、挠性接头等典型微小工件的加工实验。局部可重配置微小型车铣复合加工机床不仅具备了精密微小复杂结构件的完整加工能力，同时能够保证精密微小复杂结构件的加工精度，是精密微小复杂结构件加工的可靠工艺手段之一。

［1］袁哲俊，王先逵.精密和超精密加工技术［M］.北京:机械工业出版社，1999.

［2］王先逵.精密复合加工技术［J］.现代制造工程，2012(2):1 -6.

［3］Zhang Zhijing，Zhou Min，Yuan Wei，et al.Modeling of local -scale RMT for mesoscale turn -milling technology［M］.Wuxi:IEEE，2010:312 -315.