復(fù)雜箱體精密復(fù)合鏜銑加工中心國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀世界機(jī)床技術(shù)的發(fā)展可概括為三個(gè)階段：（1) 1769?1930年小批量制造用 的普通機(jī)床；（2) 1930?1952年大批量制造用的自動(dòng)化機(jī)床；（3)自1952年至 今的多品種、大批量、柔性制造用的精工機(jī)床，機(jī)床已經(jīng)成為人類發(fā)展需要的不 可缺少的重要生產(chǎn)工具。自二十世紀(jì)五十年代末，機(jī)械制造的生產(chǎn)過(guò)程發(fā)生了巨大變化，由傳統(tǒng)的普 通機(jī)床以及組合機(jī)床所構(gòu)成的加工生產(chǎn)線，慢慢的發(fā)展到以加工中心和精工機(jī)床（CNC)所構(gòu)成的柔性制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多品種、大批量的柔性自動(dòng) 化生產(chǎn)，機(jī)床技術(shù)在經(jīng)歷三十多年的發(fā)展和應(yīng)用以后，部分工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的精工 機(jī)床使用率占整個(gè)機(jī)床的80%左右。然而，加工中心已經(jīng)成為現(xiàn)代化車間的基本 制造單元，其使得自動(dòng)換刀、空行程等速度加快，也提高了生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性， 高性能的加工中心不但成倍的提高機(jī)床的加工效率，而且進(jìn)一步的改善了加工零 件的表面質(zhì)量和精度[3_5]。因此，這一先進(jìn)制造技術(shù)的出現(xiàn)，使得各國(guó)的工業(yè)制造 界和學(xué)術(shù)研究界對(duì)此高度重視，綜合分析機(jī)床技術(shù)的發(fā)展歷史，可以得到現(xiàn)今高性能加工中心所包括的技術(shù)框架如圖對(duì)于鏜銑床的研發(fā)與應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)生產(chǎn)出多款高中檔的鏜銑加工中心，例如我國(guó)沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)在2003年首批生產(chǎn)出具有國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先技術(shù)的鏜銑加工中心HMC50h如圖1.2所示，HMC50h加工中心是國(guó)內(nèi)高檔加工中心的典型代表，HMC50h的主軸特性、換刀系統(tǒng)、刀具管理、系統(tǒng)控制等技術(shù)均達(dá)到國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平。國(guó)內(nèi)江蘇新瑞機(jī)床廠也陸續(xù)開(kāi)發(fā)出了大型落地鏜銑床TH6916如圖1.3所示，TH6916是面向大型、重型的箱體類零件的鏜銑加工，以及對(duì)復(fù)雜曲面和深孔螺紋的加工[6]。除此之外，大連機(jī)床廠所生產(chǎn)的IA5F12UE鏜銑機(jī)床，IA5F12UE是單立柱單工作臺(tái)臥式的加工中心，IA5F12UE的X軸行程為3200mm，Y、Z軸的行程均為1200mm，IA5F12UE加工中心解決了大型零件長(zhǎng)表面特征鏜銑加工難題。國(guó)外典型的鏜銑加工中心中，例如德國(guó)德瑪吉（DMG)公司所生產(chǎn)的臥式銑鏜中心DMC75HCdh，DMC75HCdh的主體結(jié)構(gòu)是單立柱單工作臺(tái)的臥式結(jié)構(gòu)，主要的特點(diǎn)是擁有高的進(jìn)給速度，如圖1.4所示。馬扎克公司（MAZAK)在中國(guó)的 獨(dú)資小巨人所開(kāi)發(fā)出的VTC160AN镋銑加工中心是一款小型镋銑加工中心， VTC160AN主體結(jié)構(gòu)是單立柱雙工作臺(tái)的立式加工中心，如圖1.5所示。圖1.4德瑪吉DMC75HCdh圖1.5小巨人VTC160ANFig. 1.4 DMG DMC75HCdhFig. 1.5 Xiaojuren machine TH6916上述所介紹的鏜銑加工中心多數(shù)是鏜銑的功能性復(fù)合與工藝的復(fù)合性相結(jié) 合，這些加工中心集結(jié)了先進(jìn)的機(jī)床技術(shù)，表1.1為幾款國(guó)內(nèi)外典型鏜銑加工中心 產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)與結(jié)構(gòu)形式。1.2.1加工中心整體布局與主要功能部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜述新世紀(jì)以來(lái)，隨著世界機(jī)床技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)床的切削加工水平已經(jīng)提升 到了一個(gè)全新的高度，所以高性能的加工中心不但要向著高速、高精密、高穩(wěn)定 性的方向發(fā)展，更要向復(fù)合化的大方向發(fā)展與應(yīng)用，這樣可以大大的提高機(jī)床的 工作效率。在傳統(tǒng)的零件加工過(guò)程中，為了盡可能的降低由于機(jī)床換刀、上下料、 重新?lián)Q位裝夾、找正等輔助動(dòng)作所浪費(fèi)的時(shí)間，把不同的工序安排在同一個(gè)機(jī)床 上來(lái)完成是機(jī)床發(fā)展的需要，因此復(fù)合化的機(jī)床已經(jīng)成為近年來(lái)機(jī)床技術(shù)的發(fā)展 方向。NT系列車銑復(fù)合加工中心復(fù)合結(jié)構(gòu)是將車削部分選用水平的床身方式布置， 為了降低由床身的受熱變形所導(dǎo)致的誤差，把副主軸和刀具設(shè)計(jì)在同一平面上。 口本的森精機(jī)NT系列車銑復(fù)合加工中心的基本構(gòu)造如圖1.6所示。圖1.6森精機(jī)NT系列高精高效車銑復(fù)合加工中心的基本構(gòu)造Fig. 1.6 The basic structure of the Mori Seiki NT-series high precision and efficient turning millingmachining center由圖1.6可知，口本的森精機(jī)NT系列高精、高效車銑復(fù)合加工中心是一款典 型的復(fù)合式加工中心，其是將NL系列車床和NH系列加工中心有機(jī)的結(jié)合成為 NT系列車銑復(fù)合加工中心，復(fù)合式加工中心集結(jié)了兩種系列機(jī)床的重要優(yōu)點(diǎn)。其 中NL系列車床具有較高的靜剛度床身，又因?yàn)榇采淼钠筋^特殊構(gòu)造，使得床身在 受到較大沖擊時(shí)仍然能具有很好的穩(wěn)定性；NH系列加工中心主軸箱是采用對(duì)稱驅(qū) 動(dòng)的形式，具有較好的整體剛性，最為核心技術(shù)是基于重心驅(qū)動(dòng)原理的雙絲杠進(jìn) 給系統(tǒng)大大的提高了進(jìn)給特性。精密復(fù)合化加工中心的產(chǎn)生，使得工件的小批量、變批量、多品種制造生產(chǎn) 變得相對(duì)容易和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，不用為了實(shí)現(xiàn)零件復(fù)雜特征的制造而特需專用機(jī)床， 因此復(fù)合化機(jī)床的通用性是極高的。復(fù)合化機(jī)床在加工過(guò)程中降低了工件裝夾次 數(shù)，降低了由于重復(fù)定位所帶來(lái)的誤差，縮減了工件生產(chǎn)周期。國(guó)外對(duì)復(fù)合機(jī)床的開(kāi)發(fā)主要有車銑復(fù)合加工中心、鏜銑復(fù)合加工中心、多主 軸復(fù)合加工中心等；國(guó)內(nèi)的復(fù)合式機(jī)床主要是以功能復(fù)合為主的車和銑相結(jié)合， 然而其在機(jī)床的結(jié)構(gòu)方面，多主軸、多刀架的結(jié)構(gòu)很少見(jiàn)。精工鏜銑加工中心是 建立在精工銑床和精工鏜床的發(fā)展之上逐步形成的多工藝同步加工技術(shù)機(jī)床，復(fù) 合化的加工中心與傳統(tǒng)的普通機(jī)床相比較具有如下優(yōu)點(diǎn)[7]:(1)工件只需一次定位夾緊，充分保障了工件高精度、高質(zhì)量的加工要求。(2)復(fù)合式機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)多工序同步加工，有效的降低加工成本，提高終端產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。(3)復(fù)合式機(jī)床的加工技術(shù)提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率。1.2.2加工中心主軸滑枕?yè)隙日`差補(bǔ)償綜述鏜銑機(jī)床的主軸滑枕?yè)隙日`差補(bǔ)償分析是鏜銑機(jī)床在研發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵難 點(diǎn)，因此，在精密復(fù)合式鏜銑加工中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主軸滑枕?yè)隙茸冃畏治黾?補(bǔ)償方法是一個(gè)急需重點(diǎn)研究的方向。隨著機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于主軸滑枕?yè)隙?補(bǔ)償?shù)难芯浚溲a(bǔ)償方法及補(bǔ)償結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了有效的驗(yàn)證。基于滑枕?yè)隙妊a(bǔ)償這一問(wèn)題研究可知，國(guó)內(nèi)的很多研究人員一直在從事大型 鏜銑床主軸滑枕變形分析與誤差補(bǔ)償技術(shù)的研究，例如XK7721型精工臥式銑床， 其是國(guó)內(nèi)最具代表性的鏜銑機(jī)床，是由齊齊哈爾第二機(jī)床廠所生產(chǎn)的，XK7721 主軸總成及滑枕的外觀如圖1.7所示。圖1.7XK7721型精工臥式銑床主軸滑枕外觀Fig. 1.7 XK7721 type horizontal CNC milling machine spindle ram appearance除此之外，綜合分析國(guó)內(nèi)外對(duì)主軸滑枕的變形補(bǔ)償研究得出，目前國(guó)內(nèi)外對(duì) 滑枕?yè)锨冃蔚难a(bǔ)償措施主要采用機(jī)械式修正法和精工軟件修正法補(bǔ)償，但這些 措施對(duì)滑枕的非線性變形改善效果卻不理想。文獻(xiàn)[8]提出一種采用預(yù)應(yīng)力撓曲變 形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將滑枕因自重變形超出理想形狀的那部分材料去除掉，從而使滑 枕在行程中處于平直狀態(tài)，該方法能夠得到一定的補(bǔ)償效果，但沒(méi)有考慮到因更 換刀具時(shí)由裝刀部件重量變化引起的變形量改變，以及對(duì)滑枕本身的加工與裝配 要求較高。文獻(xiàn)[9, 10]提出一種通過(guò)機(jī)床的精工系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)滑枕的撓曲變形補(bǔ)償方 法，該方法利用精工系統(tǒng)通過(guò)控制Y軸上升相應(yīng)的位移來(lái)實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償，但它僅 補(bǔ)償因重力引起的撓度，并未補(bǔ)償滑枕的彎曲變形。文獻(xiàn)[11]提出一種電液比例控 制法對(duì)滑枕?yè)锨冃芜M(jìn)行補(bǔ)償，取得了一定的補(bǔ)償效果，但該法需要準(zhǔn)確的把握 滑枕的各個(gè)階段的變形函數(shù)，對(duì)于快速移動(dòng)的滑枕會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)滯后的現(xiàn)象。文獻(xiàn) [12-15]提出一種滑枕分段補(bǔ)償法，該法在滑枕的前半部安裝推桿，在滑枕的后半 部安裝拉桿，雖然能夠很好地補(bǔ)償主軸滑枕的角度擺動(dòng)誤差，但補(bǔ)償?shù)目刂七^(guò)程 是很難實(shí)現(xiàn)的。1.2.3加工中心大型床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析綜述隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)的有限元設(shè)計(jì)、優(yōu)化等方法得 到了逐漸的完善，商用大型分析軟件的進(jìn)一步成熟及其應(yīng)用的增多，使得機(jī)械設(shè) 計(jì)逐漸擺脫了傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)和靜態(tài)設(shè)計(jì)，開(kāi)始向現(xiàn)代設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。這就 使得在應(yīng)用不同分析軟件的同時(shí)，各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)、優(yōu)化方法不斷涌現(xiàn)。對(duì)于機(jī)床 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)而言，國(guó)內(nèi)也正在逐步由傳統(tǒng)設(shè)計(jì)向現(xiàn)代設(shè)計(jì)過(guò)渡。過(guò)渡過(guò)程中，在 一些機(jī)床龍頭企業(yè)逐漸形成了一套使用范圍較廣的適合于我國(guó)現(xiàn)狀的設(shè)計(jì)分析流 程方法[16，17]，其步驟為：根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和任務(wù)進(jìn)行半經(jīng)驗(yàn)半理論傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，在 此基礎(chǔ)上完成三維CAD繪圖，然后對(duì)初步設(shè)計(jì)進(jìn)行基于大型商用軟件的CAE分析，進(jìn)而根據(jù)分析得出的靜動(dòng)態(tài)特性結(jié)果進(jìn)行再設(shè)計(jì)、再優(yōu)化；如此反復(fù)，直至 性能達(dá)到要求，最后進(jìn)行制造，設(shè)計(jì)流程如圖1.8所示。床身是機(jī)床的基礎(chǔ)大件之一，是機(jī)床其他附件的主要支承體，且為機(jī)床的主 要基準(zhǔn)，因此，床身的特性將直接影響到機(jī)床的加工精度。為了能滿足機(jī)床的高 性能技術(shù)要求，對(duì)床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化分析是相a重要的。在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方 面，需要設(shè)計(jì)出具有良好的靜剛度及動(dòng)態(tài)性能床身結(jié)構(gòu)，從而使機(jī)床具備高的抗 振性和穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外對(duì)于床身的設(shè)計(jì)研究使得本課題在研究其床身方面得到了 很多借鑒，例如文獻(xiàn)[18，19]對(duì)TH5663型精工加工中心的床身借助有限元軟件對(duì) 結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，得出床身內(nèi)部筋板的分布型式對(duì)該床身的動(dòng)、靜態(tài)特性的 影響方式；文獻(xiàn)[20]主要是對(duì)床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，首先對(duì)原有的床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行 有限元的靜剛度分析，得到床身的靜剛度的薄弱之處，然后針對(duì)床身的結(jié)構(gòu)提出 了幾種改良方案，針對(duì)幾種改良后的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行有限元的動(dòng)態(tài)靈敏度分析，最 后選出改良后的結(jié)構(gòu)方案；文獻(xiàn)[21]提出一種先進(jìn)的優(yōu)化理念一 “ESO方法”，首 先是對(duì)床身進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)分析，其次再運(yùn)用漸進(jìn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法對(duì)床身進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu) 化；文獻(xiàn)[22]提出一種邊建模邊分析的設(shè)計(jì)理念，是針對(duì)某一磨床進(jìn)行研究設(shè)計(jì)， 深入的分析了變化床身內(nèi)部筋板的分布方式對(duì)床身的靜動(dòng)態(tài)特性的影響，并得出 了靜動(dòng)態(tài)特性的改變方式。