航空發(fā)動(dòng)機(jī)在我國(guó)國(guó)防工業(yè)中占據(jù)極其重要地位，國(guó)家已將其列為重大專項(xiàng)工程并提升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要承力部件，其內(nèi)部安裝有主軸、葉片以及各種連接附件，是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的基座[1]。機(jī)匣具有外形復(fù)雜、壁薄、材料難加工和加工精度高等特征[2]，國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)匣一般采用立式車床、三軸加工中心、五軸加工中心三類機(jī)床進(jìn)行加工，該機(jī)匣加工工藝復(fù)雜，需在多臺(tái)設(shè)備上反復(fù)裝夾，導(dǎo)致其加工時(shí)間較長(zhǎng)、易產(chǎn)生安裝誤差等問(wèn)題。

　　針對(duì)我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工技術(shù)的不足和對(duì)專用加工設(shè)備的現(xiàn)實(shí)需求，我們研制了高剛性、大功率雙主軸銑削加工中心，旨在提高我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣專用設(shè)備的技術(shù)與應(yīng)用水平，滿足國(guó)家航空戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃的迫切要求。

　　1 、加工中心的總體布局與技術(shù)參數(shù)

　　1.1 加工中心的總體布局

　　如圖 1 所示，雙主軸銑削加工中心采用立柱龍門式框架結(jié)構(gòu)，設(shè)置有立式、臥式兩個(gè)切削主軸，立式主軸位于橫梁滑鞍上，臥式主軸位于右側(cè)立柱滑鞍上，形成兩個(gè)獨(dú)立的十字滑臺(tái)。機(jī)床工作臺(tái)上安裝有搖籃式旋轉(zhuǎn)臺(tái)，該旋轉(zhuǎn)臺(tái)可帶動(dòng)工件進(jìn)行擺動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與切削主軸完成法向切削[3] 。該加工中心具有5個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸、2個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸，即立式與臥式主軸各具備兩個(gè)直線軸Y1、Z1、Y2、Z2，工作臺(tái)的X軸，以及工作臺(tái)上搖籃擺動(dòng)軸A、工件旋轉(zhuǎn)軸C。當(dāng)進(jìn)行銑削加工時(shí)，全部直線軸與兩個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái)均有可能參與聯(lián)動(dòng)，完成特定的法向或特定姿態(tài)加工。

　　1-橫梁;2-臥軸;3-龍門立柱;4-工作臺(tái);5-搖籃式旋轉(zhuǎn)臺(tái);6-機(jī)匣零件;7-立軸

　　圖1 龍門式雙主軸銑削加工中心

　　該加工中心是根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的幾何結(jié)構(gòu)特性以及70%以上的材料去除率、難加工的鎳基高溫合金材料等工藝特點(diǎn)而研制的專用機(jī)床。龍門式框架結(jié)構(gòu)具有良好的剛度，能夠滿足大功率切削需求，立式、臥式雙主軸既可實(shí)現(xiàn)機(jī)匣的對(duì)稱加工，也可分別對(duì)機(jī)匣同一部位的內(nèi)壁與外型進(jìn)行同步加工，不僅極大地提高加工效率，而且還能夠有效地減少加工變形。加工中心立式和臥式主軸的滑鞍與導(dǎo)軌連接均采用滾動(dòng)、滑動(dòng)復(fù)合導(dǎo)軌，在保證低速進(jìn)給特性前提下增強(qiáng)導(dǎo)軌的承載能力;各直線驅(qū)動(dòng)軸均采用重載高剛度滾珠絲杠，提高機(jī)床各軸的定位精度;兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸均選用具有軸向、徑向雙向支撐的專用軸承，增加轉(zhuǎn)臺(tái)的穩(wěn)定性，C軸轉(zhuǎn)臺(tái)采用力矩電機(jī)直驅(qū)式設(shè)計(jì);立臥雙主軸均采用液壓重力平衡裝置，提高機(jī)床穩(wěn)定性。

　　1.2 加工中心的主要技術(shù)參數(shù)

　　雙主軸銑削加工中心的主要技術(shù)參數(shù)包括：

　　(1)聯(lián)動(dòng)軸數(shù)：雙通道七軸聯(lián)動(dòng)。

　　(2)行程與定位精度：

　　工作臺(tái)行程(X)：2200mm;

　　立式主軸行程(Y1*Z1)：2650mm*1000mm;

　　臥式主軸行程(Y2*Z2)：450mm*700mm;

　　X/Y/Z定位精度：≤0.01/0.01/0.01mm。

　　(3)搖籃式旋轉(zhuǎn)臺(tái)：

　　擺動(dòng)行程(A軸)：±115o;

　　回轉(zhuǎn)行程(C軸)：360o;

　　轉(zhuǎn)臺(tái)最高轉(zhuǎn)速：11.1r/min;

　　轉(zhuǎn)臺(tái)連續(xù)回轉(zhuǎn)扭矩：3800Nm;

　　轉(zhuǎn)臺(tái)鎖緊扭矩：6500Nm。

　　(4)立式、臥式主軸功率和扭矩：

　　立式主軸最高轉(zhuǎn)速：2500rpm(無(wú)級(jí));

　　臥式主軸最高轉(zhuǎn)速：4500rpm(無(wú)級(jí));

　　立式主軸最大功率/扭矩：75kw/2000Nm;

　　臥式主軸最大功率/扭矩：37kw/500Nm。

　　(5)刀庫(kù)形式：

　　雙鏈?zhǔn)姜?dú)立刀庫(kù)，分置于龍門兩側(cè)，立式主軸刀庫(kù)為立臥式換刀刀庫(kù)，臥式主軸刀庫(kù)為滑軌換刀式刀庫(kù)。

　　2 、數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　2.1 硬件體系結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)選用的是華中8型全數(shù)字高檔數(shù)控系統(tǒng)，是一種基于多處理器的開放式、總線式(NCUC)數(shù)控系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示，它主要由IPC單元、HMI單元、HIO單元、HSV單元等構(gòu)成。

　　IPC 單元為嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)模塊，可運(yùn)行 Windows 和Linux操作系統(tǒng)，兩個(gè)IPC單元構(gòu)成主、從雙處理器結(jié)構(gòu)，分別實(shí)現(xiàn)立軸、臥軸兩通道的控制功能;人機(jī)交互單元HMI包括顯示、鍵盤和操作面板;HIO單元是外部輸入/輸出接口，通過(guò)總線方式實(shí)現(xiàn)與外部開關(guān)量、傳感器的連接;HSV-180U交流伺服驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)與數(shù)控裝置的高速數(shù)據(jù)交換。該數(shù)控系統(tǒng)采用分布式處理，支持多主結(jié)構(gòu)，運(yùn)用FPGA+DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制，提升了系統(tǒng)的性能[4]?！?

　　圖2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)

　　2.2 雙通道并行控制技術(shù)

　　多通道并行控制技術(shù)可使用戶同時(shí)執(zhí)行幾個(gè)程序，通過(guò)在幾個(gè)程序間的信息交換來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的復(fù)雜控制。該系統(tǒng)中兩通道間機(jī)床軸(如通道2中Y2、Z2軸與通道1中的A、C軸)的同步并行實(shí)施方案采用的是主從通道方式，即以通道1為主動(dòng)通道，通道2為跟隨通道，根據(jù)工件的初始值絕對(duì)量和主動(dòng)通道1的運(yùn)動(dòng)值，實(shí)時(shí)地計(jì)算出從動(dòng)通道2的機(jī)床軸的運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行控制，通過(guò)共享插補(bǔ)數(shù)據(jù)緩存區(qū)，實(shí)現(xiàn)不同機(jī)床軸數(shù)據(jù)間的同步存取，達(dá)到通道的重疊控制。

　　在雙通道G代碼文件中，每個(gè)加工文件必須與相關(guān)通道是一一對(duì)應(yīng)的，并保證編程中所指定的受控通道編號(hào)必須與所選擇的通道號(hào)相一致。在華中8型數(shù)控系統(tǒng)中常用的通道控制指令有[5]：通道啟動(dòng)：G103 P p Q q，表示啟動(dòng)通道 p 的指定程序 q，通道p采用二進(jìn)制組合碼方式，通道1、2、3對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值分別為1、2、4;等待標(biāo)記：G104 P p L l，表示通道p進(jìn)入標(biāo)記號(hào)為l的等待狀態(tài);等待標(biāo)記：G105 P p，表示通道p的等待結(jié)束;雙通道程序示例如表1所示。

　　表1 雙通道程序示例　

　　該代碼的具體執(zhí)行時(shí)序過(guò)程如圖3所示?！?

　　圖3 雙通道程序的執(zhí)行時(shí)序圖

　　3、 實(shí)際切削應(yīng)用情況

　　龍門式雙主軸銑削加工中心于2015年在湖北萬(wàn)盟數(shù)控機(jī)床集團(tuán)有限公司加工、組裝、調(diào)試完成，為了檢驗(yàn)加工中心的性能，以 機(jī) 床 應(yīng) 用 單 位 西 安 某 航 空 制 造 技 術(shù) 有 限 公 司 生 產(chǎn) 的1784M71P01型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣進(jìn)行實(shí)際加工，其材料為鎳基合金，如圖4所示?！　?

　　圖4 雙主軸銑削加工中心實(shí)切圖

　　使用德國(guó)YEKL生產(chǎn)的D12R1圓角刀具，采用外冷+吹氣的冷卻方式，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣外型上的梅花區(qū)域加工。通過(guò)單因素加工法對(duì)不同切削方式、不同切削參數(shù)進(jìn)行試切對(duì)比后，獲得了最佳的切削參數(shù)，該切削參數(shù)與西航用戶原切削參數(shù)的對(duì)比結(jié)果如表2所示。

　　表2 切削參數(shù)對(duì)比　

　　通過(guò)實(shí)際切削效果和加工數(shù)據(jù)可看出：

　　(1)用相同型號(hào)的刀具對(duì)鎳基高溫合金機(jī)匣加工，該加工中心最佳的切削深度達(dá)到了西航公司目前現(xiàn)場(chǎng)使用的切削深度的2倍;

　　(2)在相同的刀具轉(zhuǎn)速下，切削進(jìn)給速度為西航公司現(xiàn)場(chǎng)使用的1.6倍;

　　(3)在最佳的切削參數(shù)條件下，刀具能夠連續(xù)加工90分鐘以上，刀具耐用度較高;

　　(4)機(jī)匣的銑削時(shí)間較西航公司目前現(xiàn)場(chǎng)用時(shí)減少了 2/3左右。

　　這主要是由于該加工中心采用了雙立柱龍門式結(jié)構(gòu)，機(jī)床的剛性好、功率大，適合寬行強(qiáng)力切削，而且大的切削深度減小刀具對(duì)難加工合金材料的擠壓變形;同時(shí)正交布置的雙主軸加工中心只需兩道銑削工序即可完成機(jī)匣的全部加工，有效地簡(jiǎn)化了加工工藝，減少機(jī)匣裝夾次數(shù)，還具有雙主軸同步加工功能。

　　4 、結(jié)束語(yǔ)

　　針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金、鈦合金機(jī)匣類零件難加工的現(xiàn)實(shí)需求，在深入調(diào)查、分析機(jī)匣類零件的幾何特性和薄壁件加工工藝基礎(chǔ)上，應(yīng)用多通道多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)，研發(fā)的雙主軸高剛性七聯(lián)動(dòng)加工中心，實(shí)現(xiàn)了機(jī)匣的大扭矩強(qiáng)力銑削、立式/臥式雙主軸同步加工，為國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類零件的加工提供了從工藝到裝備的整體解決方案，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造行業(yè)起到示范作用，提升我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的自主制造水平。

（轉(zhuǎn)載）