高速车削中心的结构设计与性能测试分析

沈阳第一机床厂 肖泉洋

高速车削中心的结构设计与性能测试分析

沈阳第一机床厂 肖泉洋

本文分析了高速车削中心的市场需求，以及高速切削在机械加工中的重要性和必然趋势。研究和确定高速车削中心性能参数指标，研究实现高速车削中心的主要关键技术。重点研究应用了直线电机的进给机构的特点、相关零件的设计要求，装配技术；研究6000-8000r/min的主轴部件镶套灌胶的结构，主轴轴承结构的选择；进行了主轴的动态分析、刚性分析，主轴箱温度场及主轴热漂移测试分析。

一、产品的市场需求和开发的意义

随着机械制造业的竞争日趋激烈，产品生产周期日益缩短，提高生产效率已成为企业增加利润、占领市场的重要手段。因此，机械制造行业对高速切削机床的需求越来越大，这种需求在汽车、飞机、模具等制造行业表现的尤为明显。高速、高效、复合、智能、环保型机床才是未来机床行业发展大趋势。高速数控车削中心采用高速切削（HSC）和高速加工（HSM）技术，在大幅度提高切削速度的同时，其进给速度提高达5~10倍，单位时间内内材料切除率大大增加。而且，机床空程速度也大幅提高，减少了空行程时间，从而极大地提高了机床的生产效率。此外，当机床切削速度达到一定值后，其切削力降低许多，致使绝大多数的切削热来不及传递给工件即被切屑飞速带走，工件基本上保持冷态，因此高速车削有利于加工易受热变形影响的零件。同时，高速车削时激振频率特别高，可远离“机床-刀具-工件”工艺系统的固有频率，工作平稳且振动小，极大提高加工精度。高速切削(HSC)、硬切削和干切削被认为是当今切削加工中 3项最具发展前景的技术。特别是，有些有色金属及石墨材料的零件，只有应用高速切削才可以达到所要求的很高的表面质量，可以省去后面的磨削和抛光的工序，节约工时，提高效率。由于我国的高速车削中心开发较晚，对关键技术和高端技术掌握较少，产品性能、技术指标及可靠性均与国外知名品牌存在较大差距。我国每年都以昂贵的价格进口大量此类机床，而发达国家在数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策，严重地制约了我国经济的发展，不利于企业设备的升级改造。HTC2550hs高速车削中心的开发设计和制造，可使我们掌握高档数控装备的设计制造核心技术，可大大缩短我国机床制造业与国外竞争对手的差距，是提高我国机床制造业竞争力的有效手段，从而在整体上提高我国装备产品的国际竞争优势。

二、产品开发总体方案的概述

1.总体方案

本项目消化吸收沈阳机床股份有限公司现有的技术，与高校及科研院所联合设计攻关，研究高速数控车床及车削加工中心关键技术，其中包括高刚度主轴技术、高速驱动技术、结构优化设计技术、热变形及其补偿技术、动态性能研究及其轻量化设计技术等。并对国外公司的成熟产品进行深入研究，在此基础上高起点地研究和开发高速数控车床及车削中心。

2.主轴方案

确定主轴的驱动方式，拟采用高速电机通过同步带传动及高速内装电机的直接驱动两种方式，反馈光栅直联结构，保证车削主轴的优良动态特性；确定主轴系统的支撑结构与冷却方式，在保证主轴刚性的同时减少发热；确定独特的车削主轴镶套灌胶结构，保证车削主轴前后支撑轴承的同轴度，保证高速工作的可靠性。

3.床身方案

作为机床支撑件常用的铸铁材料虽然具有很多优点，但是在动态性能和热变形方面很难满足机床精度越来越高的要求。树脂混凝土床身具有很好的减振性能和热稳定性，目前国外已经有了广泛的应用。本项目设计床身采用树脂混凝土床身，与国内具有成熟经验的树脂公司合作研制，并研究具有环保特点的油水分离结构。

4．进给系统方案

采用独特结构的直线电机作为驱动方式，立式安装的直线电机消除了初极和次极之间作用力对导轨的附加载荷，保证了进给系统高的快移速度和加速度；改进和优化两轴防护的导向结构，提供稳定可靠的安装基准。

5．外观防护方案

外观防护设计造型美观大方，能有效防水防屑，便于操作维修，安全可靠，宜人性好。机床采用单拉门，内置向右拉；CRT箱旋转结构，便于操作。

6．系统及主电机方案

机床CNC数控系统标准配置采用德国西门子公司生产的西门子数控系统，该系统能适应高效率、高精度的机械加工；且具有操作方便、功能齐全、可靠性高等优点。同时，在相应的各部位增加安全措施，充分保障机床的可靠运行。

7．机床主要参数

三、关键技术分析

1．直线电机的安装设计与计算

直线电机即直线电动机，是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需任何中间转换机构的传动装置，实现所谓的“零传动”，能满足这种快速进给系统的要求，提高快速响应、定位精度、刚度和加工精度。

本课题产品采用独特结构的直线电机做为驱动方式，该电机消除了直线电机初极和次极之间作用力对导轨的附加载荷，保证了进给系统高的快移速度和加速度；在设计之初就进给系统的关键数据与电机制造厂家进行了联合设计与计算，并同时改进和优化两轴防护的导向结构，提供稳定可靠的安装基准。

图1 直线电机进给系统结构

2．高速主轴部件设计与镶套灌胶结构

根据高速主轴工作状态和精度要求，实现主轴转速6000r/min和8000r/min的技术指标，关键取决于主传动设计方案选择、温升的控制。为实现主轴最高转速目标，有效控制温升，我们采取了如下措施：

（1）采用高速主电机通过同步带实现直接驱动结构

该结构的主轴系统目标转速是6000r/min，采用反馈磁栅与主轴直联的结构保证车削主轴的高动态特性；主轴轴承采用日本NSK高速、高精陶瓷滚动体复合轴承，轴承直径、跨距、预紧等数据都与轴承制造厂家进行了联合设计与计算；采用前后主轴轴承镶套灌胶结构，提高轴承外环与轴承座的接触刚性，保证前后主轴轴承的同轴性能，保证高转速时较少的发热量和低速重切时主轴的高刚性。

图2 同步带传动主轴结构（镶套灌胶型）

（2）采用内装式主轴电机直接驱动结构

采用西门子1FE1系列高精度同步永磁内装式电主轴直接驱动，主轴启动快且效率高，无齿轮皮带故噪声低，无皮带的拉力从而使主轴的受力更合理，减少振动，提高工作精度。主轴轴承采用日本NSK高速、高精陶瓷滚动体复合轴承，轴承直径、跨距、预紧等数据都与轴承制造厂家进行了联合设计与计算；采用主轴箱前后轴承孔与轴承配镗，以提高轴承外环与轴承座的接触刚性，保证前后主轴轴承的同轴性能，保证高转速时较少的发热量和低速重切时主轴的高刚性。

另外由于该主轴结构的目标转速是8000r/min，在研发设计时采用了紧凑的前置式液压刹车阻尼装置，大大缩短了主轴的长度，在实现目标转速的同时保证了主轴系统较高的运动精度。

图3 内装电机主轴结构

（3）主轴箱镶套灌胶结构

数控车床的主轴箱镶套灌胶结构，是利用树脂将轴承套与箱体之间的空隙填满，保证调整好的精度不发生变化。

数控车床的主轴箱镶套灌胶结构的相关部分包括主轴箱内主轴两端前轴承组件3、后轴承组件9及后轴承套7支撑、后端由压盖8固定的常规结构，前、后轴承均采用超高速角接触球轴承组成，其特征在于箱体4用于安装后轴承套7的孔，在时钟3点、9点、12点部位都有注胶孔，这些注胶孔与箱体4与后轴承套7装配后产生的间隙X联通；后轴承套7端面上的两个注胶孔F、G通过其本体内部的通道I也同样与间隙X相连；压盖8端面上有孔J、K与后轴承套7端面上的两个注胶孔F、G对应相通；密封圈5安装在后轴承套7内端面的槽内，将后轴承套7与箱体4的端面间隙封闭，至此几个零件的注胶孔构成了注胶通道。将各个接头分别安装在各注胶孔上，从接头注入的填料胶将间隙填满，过量的胶从箱体的12点部位的E孔溢出，填料胶固化在间隙X内。

本实用新型的数控车床的主轴箱镶套灌胶结构，在不增加加工制造难度的基础上，通过调整主轴箱后轴承套来满足前后轴承组的同轴度要求，之后再利用树脂将轴承套与箱体之间的空隙填满，保证调整好的精度不发生变化。即让制造经济，也使设备在使用中更精准，节省维护时间和费用。

（4）主轴部件的分析

①主轴的动态分析、刚性分析

高速车削中心主轴部件的动态特性在很大程度上决定或者制约着机床价格、质量和切削能力。当切削过程出现较大的振动时，会使刀具出现剧烈磨损或破损，也会增加主轴轴承所承受动载荷，降低轴承精度和寿命，影响加工精度和表面质量。因此，主轴部件应具有较高的抗振性。因为这一部分涉及到很多专业的分析和实验，因此我们也得到了集团实验室的大力支持与帮助，在此将实验、分析结果总结如下：

利用ANSYS Workbench和Solidworks的无缝接口，将主轴部件的简化模型如图5直接导入Workbench中。根据实际高速车削中心主轴材料采用45号钢，将Workbench中的材料属性参数设置如下：弹性模量E=210000 MPa，泊松比μ=0.269，密度ρ=7890 kg/m3。

主轴部件网格划分方法，选择Hex Dominant，即软件采用四面体与六面体结合的方式自动进行网格划分，单元平均尺寸Element size设定为20mm，网格划分结果如图6所示，生成9959个单元和31381个结点。

分析过程中，要将主轴部件支撑轴承模拟成弹簧，弹簧刚度即为轴承刚度，经过公式计算，主轴部件轴承刚度分别为540 N/μm和735 N/μm。弹簧的布置方式，对主轴性能的分析影响很大，经过对不同弹簧数量、位置和对不同约束条件的组合，最后采用将每两个轴承简化为一组四根弹簧，一端连接主轴，一端连接虚拟的大地，布置在主轴四周，并对弹簧在主轴作用点处进行X轴（即轴向）的线位移约束，如图7所示。

图5 主轴部件简化结构

图6 主轴部件网格划分

图7 主轴部件上轴承及位移约束

主轴部件前四阶固有频率、相应振型及振型分析（去除了主轴部件刚体振动，即主轴部件只是整体绕X轴旋转振动，主轴部件作为一个刚性整体，没有发生变形情况）如表1所示，相应振型如图8～11所示。

从主轴部件振型图中可以看出，主轴部件在第三阶、第四阶固有频率的振动引起卡盘端在Y轴和Z轴方向摆动振动，这对加工工件质量和精度起主要影响，其固有频率约为660 Hz。

表1 主轴部件模态分析结果

图8 主轴部件第一阶模态振型

图9 主轴部件第二阶模态振型

图10 主轴部件第三阶模态振型

图11 主轴部件第四阶模态振型

从固有频率和振型的线性趋势线斜率，分析卡盘端和带轮端轴承刚度。说明要想获得主轴部件更好的动态性能，应该加大对卡盘端轴承刚度，具体方法可以为卡盘处适当加大轴承预紧力，但要避免过大的预紧力使得轴承发热。

②主轴箱温度场及主轴热漂移测试分析

机床主轴在运转过程中主轴轴承、电机等由于摩擦而生热，尤其是高速主轴，其温升更快、更高。主轴装配体部件在温度升高过程中会出现热变形现象，不对称热变形将导致主轴系统精度降低，具体表现为主轴沿轴向的伸长和主轴沿径向的弯曲变形。研究表明，影响高速机床加工精度的主要因素之一是热误差，在用现代机床加工零件的制造误差中，机床热变形所引起的制造误差可占总误差的50%，在精密加工中热误差约占机床总误差的40%～70%。而主轴系统的热变形误差又是引起机床热变形误差的重要因素。因此，主轴系统的热特性分析与设计对机床精度的保证至关重要，是高速高精度机床必须要考虑的关键技术之一。

利用FLIR热成像仪和米铱激光三角测量系统，可以采集到机床主轴系统的温度变化及分布数据及主轴系统的热变形数据，了解及掌握机床在运转过程中主轴系统的实际工况，如热平衡时间、主轴系统不同时刻在各方向的变形量等信息，对主轴系统的优化设计和动态补偿提供了基础数据支撑。

实验条件如下：室温（20~25摄氏度）；机床在冷态下开始试验，满足试验前12小时之内没有工作，试验时不准中途停车。

在安装检棒以后，为了保证试验机床在高速运行时的绝对安全，在进行主轴箱温升及主轴系统热变形试验时，采用3000r/min的转速进行温升及热变形试验，主轴连续运行3小时以上。

使用FLIR红外热像仪对测试部位进行测量时，需确定被测物体的发射率、反射温度、测量距离和环境的相对湿度，由于红外热像仪对被测物体表面的反射率等较敏感，因此需在关键点处贴上胶布，降低表面反射率，同时可以达到使表面反射率具有一致性，提高测试精度。

图12为测试系统连接示意图，图中1为红外热像仪，2为火线，3为运行数据采集及处理软件的PC机，4为电源模块。

图12 温度测试系统连接示意图

主轴跳动及热变形测试采用米铱公司出产的激光三角测量仪和IF2004数据采集卡，测试系统由五个激光三角反射式位移传感器（分别测量X、Y、Z三个方向，其中主轴轴向一个，其它两个方向各两个）、五个控制器和两个智能数据采集卡及一个电源模块组成。

测试时，机床主轴需安装Ф45mm×300mm（尺寸可适当调整）规格的检棒，主轴跳动检测的采样率为10kHz，热变形测试时每隔0.2秒采集一次数据。主轴跳动及热变形试验数据受检棒本身精度及检棒和机床主轴连接后的装配精度影响很大,检棒与主轴连接后，其随主轴旋转的跳动（包括径向跳动和端跳）越小，测试结果的精度越高；反之则会降低测试精度。

图13为主轴热漂移测量装置的安装示意图。

图13 主轴热变形测试装置布置图

在整个测量过程中主轴箱上靠近主轴轴承的位置为温度关键点，图14显示了主轴箱上关键点的分布情况。

图14 主轴箱上稳定关键点分布图

主轴温升热场

图15是主轴箱上关键点的温度时间曲线图，由图15可知主轴在连续运转2小时后温度值趋于稳定，主轴后轴承端跟皮带轮最近处的温度最高，达到32.054℃，主轴箱体最高温升值为5.9℃。

图15 主轴箱关键点温度—时间曲线

主轴热变形

热变形试验主要考核机床主轴在中速连续运转时综合热位移，即主轴旋转中心线在机床X方向与Y方向上的线位移和角位移以及主轴Z方向上的热伸长。机床主轴安装Ф45mm×300mm检棒进行检测，每隔1s记录一个数据。5个传感器分别装在机床X、Y和Z三个方向上。热变形测试结果见表2。

表2 主轴中速温升及热变形测试结果

机床中速连续运行240min达到稳定温升。由表2可知，在整个过程中，主轴在X方向最大线位移-0.006mm，最大角位移为0.005mm/150mm；在Y方向的最大线位移－0.013mm，最大角位移为0.003mm/150mm；主轴最大伸长0.009mm。

机床在升温与降温过程中的主轴变形曲线见图16~图18。

图16 主轴轴向热变形时间图

根据实验结果发现，本台机床在主轴运转120min左右时，主轴箱体趋于热稳定状态，此时主轴箱上点的温度基本保持恒定。整个主轴箱上最高温度达到32.054℃左右，最大温升不超过6℃。

机床主轴系统热变形较小，达到热平衡时间较短，具有较好的热特性。

图17 X方向主轴热变形时间图

图18 Y方向主轴热变形时间图

四、产品寿命、可靠性、效益分析

该系列产品策划及设计理念本着从市场和用户的角度出发，在产品质量、性能、精度、成本上下功夫，不但具有先进的水平，而且产品预期寿命长，可靠性高。

床身、床鞍导轨采用直线滚动导轨，预期寿命10年以上。

主轴轴承采用进口高速陶瓷球轴承，经精心装配，可确保主轴寿命10年以上。

机床数控系统采用德国西门子840D，能适应高效率、高精度的机械加工；且具有操作方便、功能齐全、可靠性高等优点；同时，在相应的各部位增加安全措施，充分保障机床的可靠运行。

目前我国各行业发展迅速，从2002年起我国就成为了世界机床消费大国，而且其中高档数控产品进口数量和金额在逐年提高，此外，随着我国民营企业的崛起，我国数控机床不能自给的状况还将加剧，因此，高速车削中心的设计与制造，不但可以提升我厂在机床行业的地位，更可以给终端用户带来更好的选择，应用前景十分广阔。 □