一种卧式五轴加工中心的研究与应用

张传思，侯延星，范春宏

（科德数控股份有限公司 沈阳分公司，沈阳 110041）

0 引言

航空发动机是飞机的心脏，为飞机提供飞行动力。而航空发动机的各种机匣、叶盘是发动机的重要组成部件，其加工质量决定着发动机的性能。目前，加工航空发动机机匣类的数控机床主要依赖于进口，不仅设备价格昂贵、货期长，而且售后周期长、费用高，且经常受到发达国家的技术限制和封锁。因此，研究一种用于加工机匣类等回转体、多面体复杂型面、难加工材料的卧式五轴加工中心机床具有重要的现实意义。

为此，以用户工艺为导向，充分分析国外该类产品的典型结构与特征，依托国内某航空零件制造企业，针对航空发动机机匣类、叶盘类等零件的工艺特征和工艺需求，设计了一种KHMC80 U型卧式五轴加工中心机床，并成功应用于该类零件的加工，达到部分替代进口。

1 整机结构

KHMC80 U卧式五轴加工中心的设计主要由床身组件、立柱组件、滑鞍组件、回转工作台组件，摆头组件等部分组成[1]，如图1所示。机床床身水平布置，L形立柱固定于床身之上，滑鞍通过滑块在立柱导轨上左右移动为X轴，摆头通过滑块在滑鞍导轨上上下移动为Y轴，回转工作台通过滑块在床身导轨上前后移动为Z轴，摆头绕X轴旋转形成A轴，工作台绕Y轴旋转形成B轴，机床X、Y、Z、A、B五轴五联动。机床侧面安装有自动换刀装置，进行刀具的自动交换，提高加工效率，同时刀库具备刀具的RFID读写功能，能够对刀具进行智能化管理。机床整机结构采用对称布局设计，受热均匀。采用重心驱动原理，运动平稳，无倾覆力矩。整机研发过程中，采用有限元分析软件，对单件、整机进行了静态分析和动态分析，通过分析，增加了支撑固定件的支撑刚度。在保证运动部件刚度的前提下尽量轻量化，增加动态特性。经过反复的结构优化，提升了整机的静态、动态特性，为整机高效、高精度的加工提供保证。

图1 KHMC80 U型卧式五轴加工中心结构示意图

2 主要结构及特点

2.1 床身组件

KHMC80 U型卧式五轴加工中心的床身为整机支撑件，立柱、滑鞍、摆头及回转工作台等都置于床身之上，因此，床身要有足够的刚度，以满足稳定地支撑其上的其他运动组件要求。特殊的床身结构设计，保证足够的排屑角度，实现整机中央后排屑，加工过程排屑顺畅；床身采用高强度的铸铁铸造而成，具有良好的吸振特性，采用时效处理消除铸件的残余内应力，采用有限元分析方法[2]，优化布置内部筋格型式及厚度，以保证床身和机床整机具有足够的刚度和精度稳定性。

2.2 立柱组件

立柱组件作为滑鞍组件及摆头组件的支撑部件，要保证足够的支撑刚度。立柱采用L形墙式结构，保证其上运动部件的重心在立柱内部。同时在其内部合理地布置纵向和横向的环形筋板，并经有限元动、静态特性分析优化设计，保证立柱具备足够的抗弯刚度。采用3根高刚度滚柱导轨支撑导向，保证其上运动部件的运行精度。

2.3 滑鞍组件

滑鞍组件用来支撑摆头组件，摆头组件在滑鞍组件上上下运动，同时滑鞍组件沿立柱横向运动。因此，滑鞍需具有足够的抗弯刚度和抗扭刚度。同时，滑鞍组件及其上的摆头组件整体高速运动时，在满足强度、刚度的情况下，要尽量较少其组件的质量，使其具有较高的动态特性。滑鞍采用对称的封闭式结构，经有限元动、静态特性分析优化设计，达到减轻运动部件质量的效果，提升动态特性的同时且保证足够的抗弯与抗扭刚度。

2.4 回转工作台组件

回转工作台组件由滑座、回转轴和工作台3部分组成[3]，如图2所示。滑座布置于床身之上，采用伺服电动机直联丝杠，双驱同步控制，使回转工作台具有高的动态特性。回转轴由安装在滑座内的B轴驱动力矩电动机直接驱动，绕B轴回转中心做360°范围的连续回转运动，采用力矩电动机直接驱动、无级传动，高效率、零间隙传动，满足高动态特性和高刚度加工需求。采用重心驱动设计原理，不受工件质量变化的影响。滑座设计成热对称的结构，受热均匀，采用重心驱动原理，使其在运动过程中更加平稳，提高零件的加工精度和表面质量。配有高承载能力、高倾覆刚度、高精度的YRT转台轴承，使转台承重大。工作台可联动加工，也可通过液压夹紧与松开刹车片，进行定位加工，液压锁紧力矩大。配置绝对式角度编码器，全闭环控制，保证高精度的定位精度与重复定位精度。

图2 回转工作台组件

2.5 摆头组件

摆头组件包括摆头箱体、旋转主轴箱和电主轴3部分。摆头箱体由安装在滑鞍上的Y轴双驱动伺服电动机通过滚珠丝杠副驱动，沿滑鞍导轨做垂直上下运动，双驱同步控制实现高速、平稳运动。旋转主轴箱由安装在摆头箱体内的A轴驱动力矩电动机直接驱动，绕A轴旋转中心连续摆动，摆角范围可达165°（以主轴呈水平状态为零点），向上可摆动60°，向下可摆动105°，如图3所示。旋转主轴箱驱动侧采用高刚度的转台轴承支撑，以提高旋转部分的支撑刚度。A轴采用增压式锁紧机构，锁紧力矩大，锁紧稳定可靠；采用高精度绝对式角度编码器，全闭环控制，定位精度高。旋转主轴箱内装有电主轴，其最高转速为12 000 r/min，最大转矩为312 N·m，能够满足多种材料的高效加工需求。

图3 A轴摆角示意图

2.6 直线伺服进给机构

X、Y、Z直线伺服轴均采用伺服电动机直联丝杠，各轴均双驱同步控制，增大了驱动力，提升了动态特性。采用高刚度的圆柱滚子直线导轨，导向精度高，摩擦因数小，有利于移动部件的高速平稳运行。

2.7 数控系统

采用科德自主研发的GNC62数控系统，如图4所示。具有高速信息交互——GLNK光纤运动控制现场总线技术、精密的位置/角度感知——传感细分技术、精准的高频控制调度——GRTK实时内核技术。

图4 科德GNC62数控系统

3 主要技术参数

在充分调研用户群体的前提下，分析了国外产品现有机型及技术指标的情况下，结合典型用户零件的工艺特征、加工工艺性，提出了主要适用于航空发动机典型零件加工机床的主要技术参数，如表1所示。

表1 KHMC80 U型卧式五轴加工中心主要技术参数

4 应用

KHMC80 U型卧式五轴加工中心已成功应用于某些航空发动机厂家，用来加工机匣[4]（如图5）、叶盘类（如图6）等零件，并得到了用户的充分认可与肯定，同时用户也提出了宝贵的优化升级建议，将促进产品的不断完善与提升，同时也请相关高校、科研机构共同参与了基础共性技术的研究，也将不断提升机床性能的稳定性与精度保持性，充分地发挥了产学研用的机制，有利地促进了产品的升级迭代。

图5 机匣

5 结语

随着航空发动机的不断发展，新一代的难变形材料、轻质合金、复合材料应用步伐加快，针对上述材料的大量应用，其高效加工必将成为航空制造业不断追求的目标。而针对航空发动机机匣类的设备，主要依赖进口，因此研制具有自主知识产权的卧式五轴加工中心，用于机匣类等多面体类零件的加工，有着广泛的市场需求和广阔的市场前景。研制的KHMC80 U型卧式五轴加工中心，能够部分满足航空发动机机匣类等多面体类零件的高效、高精度加工的要求，但较国外设备还有一定差距，希望通过国家政策的不断引领和企业用户的不断应用反馈，持续提升产品的性能和各项技术指标，使设备最终能替代进口产品，达到自主化、技术可控，免于国外的技术限制与封锁，最终促进我国航空航天工业的不断发展。