多主軸五軸加工中心設計

隨著新能源汽車的發(fā)展，汽車車身采用整體式構件成為主流趨勢。繼特斯拉將車身后地板集成為整體式構件并采用一體化壓鑄技術進行制造后，國內各主機廠相繼在汽車車身上采用整體式構件。車身后地板主要集成了后縱梁、輪罩、地板及座椅安裝橫梁，其零件及裝配示意如圖1所示。因車身后地板加工特征多、加工工序復雜，亟需研發(fā)適用于大型整體式復雜構件加工的高精度、高效率加工中心。

[圖1 車身后地板零件及裝配示意圖]

優(yōu)化加工中心加工效率的方法眾多，以多主軸為主的結構設計在整體式復雜零件加工工程中得到廣泛應用。相比于單主軸加工中心，多主軸加工中心具備多個銑削主軸頭同時進行零件加工的功能，在一次裝夾條件下能夠以較少次數(shù)的角度轉換完成絕大部分加工內容，從而提高加工效率與定位精度。國外多主軸聯(lián)動加工中心(如GROB臥式機床)已實現(xiàn)工程應用，但難以適用于車身后地板等整體構件的加工，且價格昂貴、售后周期長。國內巨岡在多主軸加工中心研發(fā)中積極推動國產高端機床在汽車制造領域的進口替代，進行了多個版本的多主軸加工中心研發(fā)迭代，如圖2所示。

[圖2 多主軸加工中心迭代方案]

圖2中第一代雙主軸加工中心采用雙主軸對側布置，即兩個主軸沿工件兩側相對布置，其主軸軸線對向射出。當工件左右對稱且加工余量均勻分布于兩側時，對向布置可以實現(xiàn)較高的并行切削同步率。但當工件加工特征分布對稱性較低時，將造成一側主軸長時間處于空閑狀態(tài)，主軸加工同步率降低。第二代設計方案將雙主軸并排布置于工件同側，使兩個主軸在進行加工任務的同時，對工件同一側的加工余量進行切除；此外，在主軸頭部采用偏心擺頭設計，使得兩個主軸在工件同一側具有重疊的刀具可達區(qū)域，從而縮小兩個主軸箱貼緊時產生的刀具不可達死區(qū)。然而這種方案需要人工對加工工序進行精確的調整才能夠提高雙主軸的同步率，對加工工序編程與人力時間成本提出了更高要求，與提高生產效率的目標相悖。

本文結合前兩代雙主軸加工中心的結構特性，提出三主軸五軸聯(lián)動加工中心設計方案：以三主軸作為該加工中心的設計重心，優(yōu)化多主軸加工中心在車身后地板加工中的主軸加工效率與同步率。本文主要研究內容包括：三主軸加工中心整機設計、三主軸協(xié)同加工控制規(guī)劃及基于三主軸虛擬加工的模擬仿真與驗證。

1 三主軸加工中心整機設計

1.1 三主軸加工中心整體布局

第一代雙主軸加工中心的雙主軸對側布置設計，具備刀具可達區(qū)域幾乎覆蓋整個工件、一次裝夾可完成絕大部分工序的優(yōu)點，但在加工非對稱工件時同步率差、加工效率低。第二代雙主軸加工中心的主軸并排布置設計能夠高效加工非對稱工件，但刀具可達范圍較小且存在加工死區(qū)。由于前兩代雙主軸加工中心均采用臥式結構，在加工中表現(xiàn)出良好的整體剛性和穩(wěn)定性；因此，本文設計的三主軸加工中心仍采用臥式結構，如圖3所示。本文設計的加工中心結合前兩代雙主軸加工中心的設計經驗，將其中兩個主軸并排布置于工件同側，將第三主軸布置于對側，從而形成兩并排+一對置的三主軸分布特點，如圖3a)所示。圖3a)中主軸箱的左右移動方向為X軸，滑座的上下移動方向為Y軸，主軸的進給移動方向為Z軸，配合承載工件的搖籃式雙轉軸工作臺，從而通過線性與回轉運動實現(xiàn)五軸聯(lián)動。

兩并排+一對置的設計相較于前兩代方案具有多方面優(yōu)勢。在加工可達性上，并排雙主軸繼承了第二代方案在同側加工的靈活性，避免了對向布置時因工件特征不對稱而造成的主軸空閑問題，增加的對側主軸進一步拓展了刀具的空間覆蓋范圍，能夠有效處理主軸箱貼合區(qū)域產生的加工死區(qū)；因此，兩并排+一對置布局使得工件對稱與非對稱特征均能得到合理分配，雙主軸可在同側實現(xiàn)協(xié)同切削，而第三主軸則可承擔對側的加工，從而提高主軸的切削同步率。在工藝柔性上，兩并排+一對置布局為整體式復雜構件提供了更多組合加工方案，如通過并排雙主軸對同一面高效去除余量，同時對側主軸完成異向孔系、深腔或大角度面的加工，減少工件的重復裝夾。

三主軸加工中心主軸箱采用箱體分級嵌套設計，其原理示意如圖3b)所示。分級嵌套的箱體中，主軸、電機及其支承放置于內層箱體中，內層箱體再被一層或多層外箱包覆。通過多箱體嵌套結構實現(xiàn)熱量傳遞路徑的分級調控，從而抑制瞬態(tài)溫升和減小空間溫度梯度。

[圖3 三主軸加工中心整體布局及主軸箱分級嵌套設計]

圖3b)中內箱作為主軸、電機與外部結構之間的第一級熱阻，局部吸收和均化熱量以增大等溫體積；外箱則作為第二級熱屏蔽，減弱外界對流換熱的干擾，從結構上一定程度抑制內箱產生的熱變形。通過將原本單一的熱傳遞路徑分解為多級熱阻與熱容網絡，從而減小空間溫度梯度，由此減少銑削過程中帶來的主軸前端與刀具中心的熱位移，結構穩(wěn)定性得到可靠保證，從而實質性提升機床的熱幾何穩(wěn)定性與加工重復定位精度。

由于傳統(tǒng)的大尺寸鑄件存在凝固速度慢、表面容易出現(xiàn)渣孔等缺陷，所以加工中心床身采用更適配單件、小批量生產的焊接結構，這種結構可保證整機輕量化同時具有極高的剛性，不僅提高了加工中心整體的抗振性能和動態(tài)響應速度，還降低了能耗與驅動負荷，為三主軸五軸聯(lián)動加工中心對大尺寸復雜零件的高精度、高效率加工提供了堅實的基礎。

1.2 主軸雙擺頭偏心設計及主軸箱變形分析

雙主軸并排布置使兩個主軸箱在同一滑軌上協(xié)同工作。兩個主軸箱距離過近時會出現(xiàn)加工死區(qū)，刀具無法抵達并切削死區(qū)內的加工余量。為此，本文將主軸擺頭設計成偏心結構，如圖4所示。

主軸雙擺頭通過軸線偏移使刀頭可進入原本存在的死區(qū)進行加工，使刀具在加工整體式復雜構件時獲得更大的可達空間，從而大幅度縮小主軸箱距離過近導致的加工死區(qū)，提高加工效率及加工同步率。相較于非偏心擺頭主軸，采用偏心擺頭的主軸在擺頭旋轉90°并沿X軸方向進行切削時，僅需更少的主軸懸伸量即可到達相同工位。圖4中主軸軸線偏離C軸軸線125mm，相比于非偏心擺頭主軸可縮短125mm的懸伸量，大幅提升加工剛性與表面質量。

主軸雙擺頭偏心設計在偏心擺頭保持高剛性的前提下，兼顧了擺動靈活性與五軸聯(lián)動的刀位可調性，使加工中心在車身后地板等多曲面、多角度特征加工中具備更高的效率與穩(wěn)定性，可為整體式復雜構件的一次裝夾全覆蓋加工提供保障。

[圖4 偏心結構主軸雙擺頭設計]

此外，本文加工中心采用自主研發(fā)的內藏式電主軸(轉速為20000r/min，功率為22.4kW)，在恒溫恒濕車間組裝，保證電主軸工作可靠性和穩(wěn)定性；同時為了改善高速加工機床的熱特性，主軸采用強力高壓、高效的冷卻系統(tǒng)，使用溫控循環(huán)水來冷卻高速主軸。經過對主軸轉速測試，主軸轉速達到10000r/min時主軸加速時間為0.362s，減速時間為0.376s，搭配HSK-A63刀柄，可滿足高速精密加工需求。

基于ANSYS Workbench軟件對三主軸五軸聯(lián)動加工中心的主軸箱進行靜力學分析，軟件設置如下：箱體鑄件材料密度為7300kg/m3，彈性模量為1.43GPa，泊松比為0.27；其余零/部件的材料密度為7850kg/m3，彈性模量為2.00GPa，泊松比為0.29。鑒于主軸箱結構的對稱性，僅考慮主軸箱體在Y軸中部與頂部、Z軸最大伸出狀態(tài)下的變形。X、Y、Z三軸采用的直線電機細微結構在仿真中不利于網格的劃分；因此，基于直線電機驅動原理，將靜止狀態(tài)下的直線電機簡化為布置于主軸箱結構上的永磁體，對主軸產生固定數(shù)值的磁吸力。在上述結構條件配置下僅考慮電機永磁體的磁吸力與主軸箱結構重力的影響，主軸箱整體變形和等效應力云圖如圖5所示，主軸頭完全懸伸時，其重量使主軸箱體產生微小彎曲變形，并帶動主軸頭向下傾斜，從而對加工精度產生一定影響。由于低頭現(xiàn)象引起的誤差變化，會使刀具切削深度不穩(wěn)定，進而導致加工表面出現(xiàn)波痕或刀痕。為縮小主軸頭完全懸伸時主軸箱滑座的彎曲變形，在采用高剛性材料制造主軸箱的同時，還需增加主軸箱壁厚，以提高其抗撓曲能力，抑制主軸箱滑座的彎曲變形，減少內箱下傾量。根據(jù)圖5中主軸箱的變形，對主軸箱安裝位置局部加固，使主軸箱在長時間高負載加工中保持良好剛度。

1.3 其他關鍵部件設計

1)搖籃軸設計。

為消除傳統(tǒng)傳動鏈中減速機構與齒隙帶來的不利影響，實現(xiàn)高響應、高動態(tài)精度的五軸聯(lián)動控制，搖籃軸采用力矩電機直接驅動，配合高精度光柵尺全閉環(huán)反饋系統(tǒng)，可以監(jiān)測并修正擺動與回轉軸的位置誤差，確保刀具在復雜空間曲面加工中的軌跡精度。

2)驅動系統(tǒng)設計。

為實現(xiàn)大型整體式復雜構件的高效率、高精度加工，主軸需要快速移動、快速精確定位；因此，主軸采用直線電機直接驅動。該直驅進給系統(tǒng)具有傳動誤差小、定位精度高以及動態(tài)響應性能好等優(yōu)點，可實現(xiàn)無背隙、高響應運動控制，移動速度可達120m/min。

2 三主軸協(xié)同加工控制規(guī)劃

三主軸加工中心各主軸均能獨立完成相應工序，車身后地板的加工工序數(shù)量在正反面存在顯著差異，兩并排+一對置的主軸設計完全契合一體式車身后地板加工的分區(qū)特點，因此將整個零件加工工藝分成3個獨立加工區(qū)，分別由3個主軸執(zhí)行。主軸偏心擺頭設計通過改變主軸中心與擺動中心的相對位置，使刀尖在擺動時覆蓋更大的空間，從而擴大加工范圍，減少干涉，提高加工節(jié)拍；并通過運動學算法優(yōu)化，確保三主軸聯(lián)動時刀具路徑無碰撞。

加工過程中，刀具系統(tǒng)一旦發(fā)生過載，機床搭載的西門子自適應與檢測系統(tǒng)(Adaptive Control & Monitoring，ACM)會自動將進給率降低到可接受水平。該水平結合ACM的內部專家系統(tǒng)、切削力理論和實踐經驗預先確定，以保持刀具和工件材料的最大可行切削載荷。在條件允許的情況下，ACM再次提高進給率以獲得最佳加工效率。ACM還會在加工過程中實時檢測刀具破損和非正常切削狀態(tài)，以減少報廢，最大限度減少生產中斷。

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