車(chē)銑復(fù)合機(jī)床是復(fù)合加工機(jī)床中發(fā)展最快、使用最廣泛的數(shù)控設(shè)備。對(duì)高速精密車(chē)銑復(fù)合數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，其主軸系統(tǒng)是電主軸結(jié)構(gòu)，機(jī)床的加工精度很大程度上取決于機(jī)床的電主軸系統(tǒng)的精度，并受刀架位置精度和機(jī)床整機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響。因此在車(chē)銑復(fù)合機(jī)床制造與裝配過(guò)程中如何提高電主軸系統(tǒng)的精度、提高刀架的位置精度、改善機(jī)床的整機(jī)動(dòng)態(tài)性能是機(jī)床設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文從以下幾方面來(lái)分析影響車(chē)銑復(fù)合機(jī)床加工精度的因素，并提出相應(yīng)的解決方法。
一、車(chē)銑復(fù)合機(jī)床電主軸系統(tǒng)的精度
1.電主軸系統(tǒng)的分度精度和準(zhǔn)停精度
車(chē)銑復(fù)合機(jī)床電主軸系統(tǒng)的分度精度和準(zhǔn)停精度是考核機(jī)床主軸精度的一個(gè)重要指標(biāo)，是影響機(jī)床加工精度的重要因素。為了實(shí)現(xiàn)電主軸系統(tǒng)高的分度精度和準(zhǔn)停精度，國(guó)際上數(shù)控車(chē)銑復(fù)合加工中心均采用內(nèi)藏主軸式電機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)電主軸)，主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配成一體，減少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)對(duì)主軸精度的影響。工作時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)即帶動(dòng)主軸回轉(zhuǎn)。主軸回轉(zhuǎn)的速度環(huán)和位置環(huán)采用高精度的反饋元件，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，反饋元件采集到的位置信號(hào)經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)分頻處理，使主軸分度的分辨率達(dá)到0.001°(主軸最小分度單位為3.6”)或更小，從而使機(jī)床主軸系統(tǒng)具有很高的分度精度和準(zhǔn)停精度。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，采取如下解決方法：
a.電機(jī)轉(zhuǎn)子與機(jī)床主軸采取特殊的裝配工藝，保證機(jī)床主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)孔的連接剛度，能傳遞大的切削扭矩。
b.電主軸組裝配時(shí)采用較高等級(jí)的高速動(dòng)平衡，降低主軸組的剩余不平衡量，保證主軸在高速回轉(zhuǎn)時(shí)的平穩(wěn)性。
c.電主軸系統(tǒng)采用主軸制動(dòng)和阻尼裝置，在需要主軸準(zhǔn)停銑削或鉆削時(shí)，主軸處制動(dòng)狀態(tài)，以保證銑削時(shí)主軸不晃動(dòng)。在連續(xù)分度銑削時(shí)，主軸處于阻尼狀態(tài)，以保證銑削時(shí)主軸回轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。制動(dòng)狀態(tài)和阻尼狀態(tài)可以自動(dòng)切換，由編程設(shè)定。通過(guò)以上措施，電主軸系統(tǒng)主軸的分度定位精度≤24”，主軸分度的重復(fù)定位精度≤12”。
2.電主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度
數(shù)控車(chē)銑復(fù)合加工中心為高精度加工機(jī)床，主軸組是關(guān)鍵部件，主軸組的回轉(zhuǎn)精度直接影響加工工件的精度。
為保證主軸組具有高的回轉(zhuǎn)精度，在電主軸系統(tǒng)中，主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子的連接、定子外套與主軸箱體的配合、主軸兩端與軸承組的配合等采取了以下一系列的工藝措施：
a.在電主軸裝配前先保證主軸箱體孔的精度，孔的圓度、尺寸公差、前后軸承孔的同軸度都在要求的范圍內(nèi);主軸軸頸的徑向跳動(dòng)、前后軸頸的同軸度以及主軸端部的徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)公差均控制在0.002mm之內(nèi)。
b.裝配時(shí)根據(jù)軸承外圈的尺寸，研磨主軸箱體孔，并使其與軸承外圓的配合公差嚴(yán)格控制在規(guī)定的范圍;電主軸的電機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸采取特殊的裝配技術(shù)等。
采取以上措施后，電主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度得到了保證，主軸的徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)都在0.002mm之內(nèi)，為保證工件的加工精度奠定了基礎(chǔ)。
二、電主軸系統(tǒng)的熱平衡
1.電主軸系統(tǒng)的熱平衡
電主軸系統(tǒng)中電機(jī)是個(gè)發(fā)熱體，高速回轉(zhuǎn)的前后軸承也是發(fā)熱體，這會(huì)使電主軸的溫度上升，影響電主軸系統(tǒng)的加工精度。如何消除熱源對(duì)機(jī)床主軸精度的影響，實(shí)現(xiàn)電主軸系統(tǒng)的熱平衡是車(chē)銑復(fù)合機(jī)床設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。為此采取以下幾項(xiàng)措施：
a.主軸箱體采取熱對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，箱體外的散熱筋兩邊對(duì)稱(chēng)分布，讓主軸箱產(chǎn)生的熱量盡快通過(guò)散熱筋散發(fā)掉，同時(shí)由于散熱筋是對(duì)稱(chēng)分布的，主軸發(fā)熱時(shí)主軸軸線不會(huì)產(chǎn)生偏移。
b.對(duì)主軸軸承的預(yù)加載荷和潤(rùn)滑條件按設(shè)計(jì)要求予以控制，既保證主軸的剛度，又保證主軸在高速回轉(zhuǎn)時(shí)軸承發(fā)熱量最小。
c.對(duì)電機(jī)這個(gè)主要發(fā)熱源采用外循環(huán)冷卻措施。在電主軸的定子外套外面裝有循環(huán)冷卻水套，冷卻水由獨(dú)立的溫控裝置進(jìn)行控制，溫度控制在22±1℃，電機(jī)產(chǎn)生的熱量通過(guò)定子外面的冷卻水套的循環(huán)冷卻水迅速帶走。
通過(guò)以上技術(shù)措施，保證了主軸在高速回轉(zhuǎn)時(shí)前軸承溫升不超過(guò)25℃，后軸承溫升不超過(guò)20℃，實(shí)現(xiàn)了電主軸系統(tǒng)的熱平衡。
2.車(chē)銑復(fù)合機(jī)床動(dòng)態(tài)性能
a.機(jī)床電主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。機(jī)床加工精度不僅受到前面各項(xiàng)因素的影響，還要受到電主軸一軸承系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的影響，而機(jī)床的振動(dòng)就取決電主軸一軸承系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。由于電主軸一軸承系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性不僅與系統(tǒng)的阻尼和靜剛度有關(guān)，還與由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
所決定的振型有關(guān)。因此在進(jìn)行機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算出主軸箱體的一階、二階固有頻率，使其一階固有頻率要避開(kāi)主軸的最低轉(zhuǎn)速，二階固有頻率要避開(kāi)電主軸的最高轉(zhuǎn)速，以避免電主軸系統(tǒng)產(chǎn)生共振，消除由于振動(dòng)造成的對(duì)機(jī)床加工精度的影響。
b.機(jī)床床身整體剛度對(duì)車(chē)銑復(fù)合機(jī)床的加工精度影響很大，在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)還要對(duì)機(jī)床的床，身進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化機(jī)床床身結(jié)構(gòu)，提高機(jī)床的床身剛度，改善機(jī)床的整機(jī)動(dòng)態(tài)性能，避免機(jī)床局部剛度不足引起機(jī)床結(jié)構(gòu)的變形，造成對(duì)機(jī)床加工精度的影響。
3.刀架分度定位精度及位置精度
車(chē)銑復(fù)合加工中心刀架的每個(gè)工位既可安裝車(chē)削刀具，又可安裝徑向和軸向動(dòng)力刀具，并根據(jù)被加工工件的需要配置刀具的種類(lèi)和數(shù)量。電動(dòng)刀架的位置精度是影響車(chē)銑復(fù)合機(jī)床加工精度的重要因素，在機(jī)床設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中要加以重視。為提高刀架的分度定位精度和位置精度，可采取如下解決方法：
a.刀架分度定位一致性的高低，對(duì)加工工件的尺寸一致性影響很大。為此選擇高分度精度的電動(dòng)刀架，并對(duì)刀架采用專(zhuān)門(mén)的裝配工藝，保證刀架分度定位精度≤0.005mm。
b.實(shí)現(xiàn)刀架X紀(jì)向伺服運(yùn)動(dòng)的X/Z軸的位置精度也是_項(xiàng)重要的精度指標(biāo)，該項(xiàng)精度與加工工件的尺寸分散度及一致性直接有關(guān)。這是一項(xiàng)綜合精度，涉及到滾珠絲杠和軸承的精度、刀架拖板的伺服靈敏度、拖板的伺服慣量與負(fù)載慣量的匹配等多方面。在設(shè)計(jì)時(shí)，選擇高精度的滾珠幺幺杠和軸承配套件，進(jìn)行合理的伺服慣量與負(fù)載慣量匹配;在裝配時(shí)對(duì)軸承進(jìn)行負(fù)荷預(yù)緊并對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，消除由于熱變形對(duì)軸承和滾珠絲杠精度的影響，以保證刀架具有良好的伺服靈敏度以及刀架在X/Z向高的定位精度和重復(fù)定位精度。
一、車(chē)銑復(fù)合機(jī)床電主軸系統(tǒng)的精度
1.電主軸系統(tǒng)的分度精度和準(zhǔn)停精度
車(chē)銑復(fù)合機(jī)床電主軸系統(tǒng)的分度精度和準(zhǔn)停精度是考核機(jī)床主軸精度的一個(gè)重要指標(biāo)，是影響機(jī)床加工精度的重要因素。為了實(shí)現(xiàn)電主軸系統(tǒng)高的分度精度和準(zhǔn)停精度，國(guó)際上數(shù)控車(chē)銑復(fù)合加工中心均采用內(nèi)藏主軸式電機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)電主軸)，主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配成一體，減少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)對(duì)主軸精度的影響。工作時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)即帶動(dòng)主軸回轉(zhuǎn)。主軸回轉(zhuǎn)的速度環(huán)和位置環(huán)采用高精度的反饋元件，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，反饋元件采集到的位置信號(hào)經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)分頻處理，使主軸分度的分辨率達(dá)到0.001°(主軸最小分度單位為3.6”)或更小，從而使機(jī)床主軸系統(tǒng)具有很高的分度精度和準(zhǔn)停精度。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，采取如下解決方法：
a.電機(jī)轉(zhuǎn)子與機(jī)床主軸采取特殊的裝配工藝，保證機(jī)床主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)孔的連接剛度，能傳遞大的切削扭矩。
b.電主軸組裝配時(shí)采用較高等級(jí)的高速動(dòng)平衡，降低主軸組的剩余不平衡量，保證主軸在高速回轉(zhuǎn)時(shí)的平穩(wěn)性。
c.電主軸系統(tǒng)采用主軸制動(dòng)和阻尼裝置，在需要主軸準(zhǔn)停銑削或鉆削時(shí)，主軸處制動(dòng)狀態(tài)，以保證銑削時(shí)主軸不晃動(dòng)。在連續(xù)分度銑削時(shí)，主軸處于阻尼狀態(tài)，以保證銑削時(shí)主軸回轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。制動(dòng)狀態(tài)和阻尼狀態(tài)可以自動(dòng)切換，由編程設(shè)定。通過(guò)以上措施，電主軸系統(tǒng)主軸的分度定位精度≤24”，主軸分度的重復(fù)定位精度≤12”。
2.電主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度
數(shù)控車(chē)銑復(fù)合加工中心為高精度加工機(jī)床，主軸組是關(guān)鍵部件，主軸組的回轉(zhuǎn)精度直接影響加工工件的精度。
為保證主軸組具有高的回轉(zhuǎn)精度，在電主軸系統(tǒng)中，主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子的連接、定子外套與主軸箱體的配合、主軸兩端與軸承組的配合等采取了以下一系列的工藝措施：
a.在電主軸裝配前先保證主軸箱體孔的精度，孔的圓度、尺寸公差、前后軸承孔的同軸度都在要求的范圍內(nèi);主軸軸頸的徑向跳動(dòng)、前后軸頸的同軸度以及主軸端部的徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)公差均控制在0.002mm之內(nèi)。
b.裝配時(shí)根據(jù)軸承外圈的尺寸，研磨主軸箱體孔，并使其與軸承外圓的配合公差嚴(yán)格控制在規(guī)定的范圍;電主軸的電機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸采取特殊的裝配技術(shù)等。
采取以上措施后，電主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度得到了保證，主軸的徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)都在0.002mm之內(nèi)，為保證工件的加工精度奠定了基礎(chǔ)。
二、電主軸系統(tǒng)的熱平衡
1.電主軸系統(tǒng)的熱平衡
電主軸系統(tǒng)中電機(jī)是個(gè)發(fā)熱體，高速回轉(zhuǎn)的前后軸承也是發(fā)熱體，這會(huì)使電主軸的溫度上升，影響電主軸系統(tǒng)的加工精度。如何消除熱源對(duì)機(jī)床主軸精度的影響，實(shí)現(xiàn)電主軸系統(tǒng)的熱平衡是車(chē)銑復(fù)合機(jī)床設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。為此采取以下幾項(xiàng)措施：
a.主軸箱體采取熱對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，箱體外的散熱筋兩邊對(duì)稱(chēng)分布，讓主軸箱產(chǎn)生的熱量盡快通過(guò)散熱筋散發(fā)掉，同時(shí)由于散熱筋是對(duì)稱(chēng)分布的，主軸發(fā)熱時(shí)主軸軸線不會(huì)產(chǎn)生偏移。
b.對(duì)主軸軸承的預(yù)加載荷和潤(rùn)滑條件按設(shè)計(jì)要求予以控制，既保證主軸的剛度，又保證主軸在高速回轉(zhuǎn)時(shí)軸承發(fā)熱量最小。
c.對(duì)電機(jī)這個(gè)主要發(fā)熱源采用外循環(huán)冷卻措施。在電主軸的定子外套外面裝有循環(huán)冷卻水套，冷卻水由獨(dú)立的溫控裝置進(jìn)行控制，溫度控制在22±1℃，電機(jī)產(chǎn)生的熱量通過(guò)定子外面的冷卻水套的循環(huán)冷卻水迅速帶走。
通過(guò)以上技術(shù)措施，保證了主軸在高速回轉(zhuǎn)時(shí)前軸承溫升不超過(guò)25℃，后軸承溫升不超過(guò)20℃，實(shí)現(xiàn)了電主軸系統(tǒng)的熱平衡。
2.車(chē)銑復(fù)合機(jī)床動(dòng)態(tài)性能
a.機(jī)床電主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。機(jī)床加工精度不僅受到前面各項(xiàng)因素的影響，還要受到電主軸一軸承系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的影響，而機(jī)床的振動(dòng)就取決電主軸一軸承系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。由于電主軸一軸承系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性不僅與系統(tǒng)的阻尼和靜剛度有關(guān)，還與由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
所決定的振型有關(guān)。因此在進(jìn)行機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算出主軸箱體的一階、二階固有頻率，使其一階固有頻率要避開(kāi)主軸的最低轉(zhuǎn)速，二階固有頻率要避開(kāi)電主軸的最高轉(zhuǎn)速，以避免電主軸系統(tǒng)產(chǎn)生共振，消除由于振動(dòng)造成的對(duì)機(jī)床加工精度的影響。
b.機(jī)床床身整體剛度對(duì)車(chē)銑復(fù)合機(jī)床的加工精度影響很大，在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)還要對(duì)機(jī)床的床，身進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化機(jī)床床身結(jié)構(gòu)，提高機(jī)床的床身剛度，改善機(jī)床的整機(jī)動(dòng)態(tài)性能，避免機(jī)床局部剛度不足引起機(jī)床結(jié)構(gòu)的變形，造成對(duì)機(jī)床加工精度的影響。
3.刀架分度定位精度及位置精度
車(chē)銑復(fù)合加工中心刀架的每個(gè)工位既可安裝車(chē)削刀具，又可安裝徑向和軸向動(dòng)力刀具，并根據(jù)被加工工件的需要配置刀具的種類(lèi)和數(shù)量。電動(dòng)刀架的位置精度是影響車(chē)銑復(fù)合機(jī)床加工精度的重要因素，在機(jī)床設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中要加以重視。為提高刀架的分度定位精度和位置精度，可采取如下解決方法：
a.刀架分度定位一致性的高低，對(duì)加工工件的尺寸一致性影響很大。為此選擇高分度精度的電動(dòng)刀架，并對(duì)刀架采用專(zhuān)門(mén)的裝配工藝，保證刀架分度定位精度≤0.005mm。
b.實(shí)現(xiàn)刀架X紀(jì)向伺服運(yùn)動(dòng)的X/Z軸的位置精度也是_項(xiàng)重要的精度指標(biāo)，該項(xiàng)精度與加工工件的尺寸分散度及一致性直接有關(guān)。這是一項(xiàng)綜合精度，涉及到滾珠絲杠和軸承的精度、刀架拖板的伺服靈敏度、拖板的伺服慣量與負(fù)載慣量的匹配等多方面。在設(shè)計(jì)時(shí)，選擇高精度的滾珠幺幺杠和軸承配套件，進(jìn)行合理的伺服慣量與負(fù)載慣量匹配;在裝配時(shí)對(duì)軸承進(jìn)行負(fù)荷預(yù)緊并對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，消除由于熱變形對(duì)軸承和滾珠絲杠精度的影響，以保證刀架具有良好的伺服靈敏度以及刀架在X/Z向高的定位精度和重復(fù)定位精度。
