国产功能部件在高档数控机床的应用研究

沈会，黄宝启，蔡冰

（沈阳航空产业集团有限公司，沈阳 110000）

0 引言

随着航空工业的高速发展，对高档数控机床要求越来越专业化、定制化。依据航空典型零部件种类例如框、梁、壁板、接头、肋板等不同加工需求，要求数控机床相应定制化设计以满足使用需求。数控机床是由各类功能部件集成的高端装备，功能部件的特性（如可靠性、精度保持性）是整机性能的决定因素。目前，在航空制造领域，高档数控机床功能部件还是存在大量进口的问题，但是在国家04专项的实施带动下，国产功能部件行业取得了长足的进步。本文就某示范工厂内53台高档数控机床国产功能部件应用情况进行研究。

1 功能部件配套

1.1 机床形式及功能部件分类

53台设备包含卧式精密加工中心和龙门加工中心共计7大类、12种规格，加工范围包括400、600、800、2000 mm等,机床100%采用国产系统。本文不讨论国产数控系统应用，主要研究其他主要功能部件。功能部件种类很多，本文结合实际工作经验，从卧式加工中心和龙门加工中心功能部件种类考虑，按六大类统计，分别是主轴、摆头、转台、刀库、导轨及丝杆。

表1 设备简介

1.2 配套比例

六大国产功能部件数量合计174个，国内、外功能部件总数量合计288个，按照总数统计得出国产功能部件配套比例为60%。具体如下：800 mm加工范围以下的卧加国产功能部件配套比例较高，800 mm加工范围以上的卧加国产功能部件配套比例不高，龙门加工中心国产功能部件配套比例较高。

2 应用分析

2.1 电主轴

由北京工研精机生产的钛合金接头类卧式精密加工中心，电主轴选用国产品牌（工研），主轴电动机功率（S1）为60 kW，主轴额定转矩（S1）为345 N·m，主轴转速范围为80～5000 r/min。目前，该类机床主要加工钛合金接头等航空零部件，主轴性能稳定，图1是国家机床质量监督检验中心出具的第三方检测报告中对于主轴检测的情况，检测结果满足设计指标。

图1 国检中心对机床主轴加载检测情况

电主轴是机床的核心功能部件之一，其转速、转矩等参数直接体现在机床的加工效率和加工能力方面。电主轴主要技术一方面体现在零件的加工制造上，例如内装式电动机、精密轴承、拉刀杆，另一方面体现在控制上，例如温升控制、热补偿及结构上对支撑刚度的处理[1]。

表2 国产功能部件配套比例数据统计

当前，由于主轴研制成本较高，另外在精度保持性上跟进口还是有差距，所以进口主轴的情况就很普遍。面向未来，电主轴领域应该还是要从核心技术的推广应用及产业化、降低国内生产厂家的高昂成本等方面努力。

2.2 摆头

示范基地中7大类机床，其中6类有摆头结构，均选用了国产自主摆头，如济南二机床的机械AC摆头、沈阳机床中捷航空航天机床的机械AB摆头、上海拓璞数控科技有限公司的AC摆头及北京工研精机的AC摆头等（如图2）、沈阳机床中捷航空航天中铝线铝合金肋板类卧式加工中心A摆、沈阳精锐小铝线铝合金接头类卧式精密加工中心A摆。这些摆头配套主机都在示范工厂正常使用，应用状况良好。

图2 国产自主摆头

摆头是机床的核心功能部件之一，摆头和直线轴在数控系统的控制下，实现了机床的五轴联动功能。其联动特性决定了机床的动态特性。摆头从结构上大体上可以分成3种类型，机械摆头、电主轴摆头及直驱摆头。机械摆头比较典型的是沈阳机床的AB摆和济南二机床的AC摆，特点是大转矩。电主轴摆头比较典型的上海拓璞大铝线卧加，特点是高转速,最高转速达到24 000 r/min。直驱摆头在示范工厂内没有应用。

2.3 转台

由沈阳中捷航空航天机床制造的铝合金肋板类卧式加工中心，摇篮转台[2]选用国产品牌（北京伊贝格），旋转轴B轴工作转矩为500 N·m（夹紧时1000 N·m），快速进给速度为10 r/min，定位精度为8″，重复定位精度为5″。由沈阳机床股份公司制造的铣车复合加工中心，配置了摇篮旋转工作台。表3是国家机床质量监督检验中心出具的第三方检测报告中对于摇篮转台的检测的情况，检测结果为：定位精度为6.32″，重复定位精度为2.9″，优于设计指标。

表3 国检中心对机床B轴参数检测数据

摇篮转台应用到卧式加工中心属于一种技术应用上的创新，实现了卧式加工中心立式加工航空零部件的形式。这种加工形式具有排屑好、精度高等特点。

摇篮旋转工作台应用到卧加，旋转工作台最高转速为400 r/min，附加车主轴定位功能，实现了钛合金接头等典型航空零件的车铣复合加工。

2.4 刀库

由沈阳中捷航空航天机床生产的刀库墙加六自由度机器人组成的自制刀库，提供了加工中心每天2班16 h工作，每小时换刀4次，共计1 194 480次的全工况运转实验换刀数据，刀库各项技术参数达到使用要求，刀库性能可靠。

由江苏德速数控科技有限公司生产的圆盘式刀库应用在上海拓璞数控科技股份有限公司制造的铝合金大型框梁类加工中心，刀库完成了全工况实验换刀1 128 960次，每天工作16 h，每小时换刀36次，共计运行了196个工作日，期间未出现故障，刀库运行稳定。

随着国内机床的可靠性和精度保持性越来越高，国内应该加强刀库产品零部件的配套及刀库产品的可靠性。

2.5 导轨

由广州高新凯特生产制造的导轨应用在沈阳精锐数控机床铝合金接头类卧式精密加工中心，直线导轨用于支撑和引导运动部件做直线往复运动，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动，直线导轨的精度主要影响机床的直线度[3]。

国家机床质量监督检验中心（沈阳）出具的报告（表4）显示，X、Y、Z轴线运动直线度共计6项指标，其中5项优于设计指标，1项满足技术指标。

图3 沈阳机床自制刀库

图4 江苏德速数控科技公司刀库

表4 国家机床质量监督检验中心（沈阳）检验报告

2.6 丝杆

由南京工艺研制的丝杆应用于两类设备，一类是沈阳机床生产的钛合金大型框梁类强力加工中心（AB摆），另一类是由上海拓璞数控科技股份公司生产的铝合金长桁类加工单元。丝杆的精度主要影响机床的定位精度和重复定位精度[4]。

国家机床质量监督检验中心出具的对AB机床（表5）、长桁加工单元（表6）的直线轴检测数据，表明各项指标均满足设计指标要求。

表5 国检中心对AB机床直线轴检测数据 mm

表6 国检中心对长桁机床直线轴检测数据 mm

目前，国内丝杆材料选择GCr轴承钢。设计上主要从结构、运行流畅性、加载场合、钢球的选择等方面考虑。产品制造工艺对产品特性和质量影响较大，常用加工设备为螺纹磨床。有一部分精密制造加工设备还需要从国外进口，这是下一阶段重要发展方向。

3 结语

本文通过示范基地53台高档数控机床中六大类功能部件的配套使用情况，结合国家机床质量监督检验中心提供的第三方报告相关数据及用户使用情况，可以看出：1）六大类功能部件国内均有厂家在生产，这里既有主机厂，也有专业化功能部件厂家，并且每一类都配套到主机。2）在性能指标方面国产功能部件完全能够满足设计指标。3）国产功能部件在精度保持性、核心零件的制造配套及打造世界知名品牌方面将会是未来的发展方向。