溫華棟

摘要：近些年來，一些大型零部件在生產加工當中經常存在著加工難的問題，而且一些零件很難實現(xiàn)有效車銑復合加工融合，而本文則針對曲軸加工的相關工藝展開分析，同時提出HTM125系列車床的相關結構介紹。希望本文的論述，能夠為國產機床實現(xiàn)進一步良好發(fā)展，提升國內自主品牌效應，提供一些幫助和借鑒。

關鍵詞：曲軸;加工;重型五軸車銑復合機床

中圖分類號：TG502.31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0085-03

0? 引言

近些年來，伴隨著我國大型工程項目不斷發(fā)展，我國許多大型工程項目的零部件急需要進行生產和加工[1]。這些大型工程項目包含水利工程、船舶建造、礦山機電工程等等。而且一部分大型零部件，存在著國內加工難的問題。由此就導致在某種程度上，需要完全依賴進口或者進口設備加工的不良情況。由此就需要國內的相關機床廠家，不斷地針對此類零部件設計出更加適宜的加工設備。這些大型零部件的特點主要表現(xiàn)為尺寸較大、重量較大、加工工序繁多、加工過程漫長。而且在加工過程當中，需要采用多臺設備、多道工序才能加工完成。在加工過程當中，還需要應用多種類的刀具，并配合粗加工精加工車床和銑床才能夠完成[2]。由此不難看出，此類加工零件明顯存在著加工效率低、依賴進口設備的不良情況，國外相對于車銑復合中心的研發(fā)、使用時間較早，在此方面擁有著十分成熟的開發(fā)技術和加工工藝。譬如奧地利的WFL公司德國的尼爾森公司，在車系復合加工中心的研發(fā)設計、裝配和加工等方面都是處于國際的領先地位[3]。車銑復合加工中心通常配偶單一的旋轉刀架、旋轉刀具和車削刀具，并且全身動力軸較長、剛性相對不高。而本文則針對此類零件的加工問題進行了探究，同時提出由我廠所自主研發(fā)、生產的重型五軸車銑復合機床，并圍繞此機床展開全面的探究。

1? 大型零件加工工藝分析

1.1 典型零件

本文首先結合船舶零部件的曲軸和軋輥為例（見圖1和圖2），此類原材料零件多數(shù)是鑄鐵或者鍛鋼。毛坯余量一般在20毫米到30毫米之間，并且毛坯不夠均勻、存在著相對較高的硬度、外形的表現(xiàn)多數(shù)是長軸，表現(xiàn)多處有曲柄。曲柄的回轉軸明顯存在著和主軸徑不同心的情況，并且曲柄圍繞主軸徑存在著較大的回轉直徑，曲柄輪廓在多個部位表現(xiàn)為不同心的圓弧。曲軸兩端其有孔相對較深，曲柄上其斜油孔相對角度不夠規(guī)則，因此需要使用重型五軸車銑復合機床，來完成此類零部件的相關加工。

1.2 未采用重型五軸車銑復合機床前曲軸加工工藝

我國國內某零件加工企業(yè)加工上述曲軸類零部件，所使用的加工工藝是由多道工序、多種設備協(xié)同配合來完成的。首先，使用鏜床將中心孔進行打出，并對兩端的斷面進行找平。然后將此零件轉移到雙頭主軸車床上，進行出粗車和精車，主要車削部位為主軸徑和曲柄外側。之后對兩主軸箱上，專用夾具來進行相關調整，讓連桿頸轉移到主軸的回轉直徑方向上。之后開展工件定位、工件找正夾緊工件，并對連桿徑和曲柄內側進行粗加工，以及精加工;之后將零部件移至銑床上。對于零件進行粗銑和精銑;最后，再將工件放置于鉆床之上，對于斜油孔、兩端深孔，進行鉆削加工。

此種工藝加工方案是建立在普通機床架構之上，來加工完成的。其最大的缺點是工作效率十分低下、消耗掉大量的工時，以及大量的人力。而且在加工過程當中，對于夾具的精度要求相對較高，如果多道工序之中存在某一道工序的偏差，那么就會對工件的整體加工精度產生不良影響。

1.3 采用進口臥式車銑復合加工中心曲軸加工工藝

近些年來，伴隨著我國船舶行業(yè)的良好發(fā)展，曲軸在全部行業(yè)當中得到了有效的應用。所以，曲軸的加工精度，以及需求量也在呈現(xiàn)出逐年上升的態(tài)勢。而在曲軸加工領域之中，奧地利的WFL公司，德國的尼爾森公司都是處于國際領先地位。而為了實現(xiàn)避免對進口過度的依賴，必須要不斷的鉆研國產化的曲軸重型五軸復合車銑加工機床的相關研究。此類機床，其要實現(xiàn)對曲軸的半加工和靜加工，要盡量實現(xiàn)一次性的裝卡。而伴隨著曲軸的應用需求不斷增多，國內的相關機床制造商也在不斷的鉆研探索，并且推出了更加優(yōu)質的、具有自主知識產權的大型五軸車銑復合機床，而本文則針對HTM 125系列重型五軸車銑復合機床，進行了探究。

2? 重型五軸車銑復合機床技術

2.1 總體布局

HTM125系列重型五軸車銑復合機床的總體布局，詳見圖3所示，整體上其結構分為以下幾個方面，分別是其床身為斜床身、兩側裝配由左側主軸箱和右側主軸箱、立柱為側掛式單立柱、在兩側的掛箱上分別設有雙刀架的機構、刀架的進刀方向為重力方向，并配有刀具檢測刀庫管理、水冷裝置、恒溫冷卻裝置、排屑裝置、電氣保護裝置和防護裝置，所使用的系統(tǒng)是西門子840D系統(tǒng)。

設備的控制軸為（X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2、 B1、 B2、Cf1、Cf2）軸，可以實現(xiàn)五軸任意方向聯(lián)動，兩側有雙主軸，主要是實現(xiàn)雙主軸CF f軸同步功能，并配有中心架和第二主軸，可以沿著Z軸方向進行自主控制的移動[4]。車銑復合其加工功能，主要是實現(xiàn)重載刀具鏜削和深孔加工，并配有高壓內冷卻、檢測機構，檢測方面可以實現(xiàn)在線的刀具檢測管理。

2.2 與國外同規(guī)格機床技術參數(shù)對比

對比奧地利WFL的M120機床，本系列HTM125機床相對于功率扭矩承載能力等方面，存在著十分突出的優(yōu)點。而且此機床的生產突破了國外對于曲軸相關加工的技術封鎖，實現(xiàn)了有效的技術突破。車銑復合加工中心其有刀架大直徑刀盤的配置，可以在一臺機床上連續(xù)實現(xiàn)粗、精加工的有效完成，進一步收獲了高效率、高精度的加工情況。左側刀架可以與車床C軸實現(xiàn)五軸聯(lián)合插補移動。而具體的與國外同規(guī)格機床參數(shù)對比，詳見表1所示。

3? 設備的技術創(chuàng)新

3.1 各軸導軌、絲杠、齒條布置結構

在導軌、絲杠、齒條布置結構的技術創(chuàng)新方面，導軌實現(xiàn)了與水平面從低角度的結構，具體傾斜角度為30度。床身平面采用磨削加工，進一步保證不會出現(xiàn)屑死角。床身后里面裝配斜齒齒條，主要作用是用于幫助立柱實現(xiàn)縱向的移動，齒條下部裝配有光柵尺，光柵尺生產廠家為德國海德漢，進一步實現(xiàn)立柱在縱向移動，形成了閉環(huán)的控制。床身全長支撐在多個可調墊鐵上，保證其擁有更加理想的高剛性，更加適合曲軸的重載加工。立柱所采用的結構是側掛式，上面配有輔助導軌。Z軸使用的驅動機構為主從驅動機構，可以通過減速器對于齒輪軸進行直接的傳動。幫助其在齒條上形成良好的運動。立柱左右兩側配有雙驅動機構，雙驅動機構主要作用。可以保證進給機構在X軸上良好的位移 移動。立柱左刀架裝配有雙光柵尺，生產廠家也為德國海德漢。光柵尺的作用主要是對X1軸方向移動位移進行檢測，對于運動實現(xiàn)有效的差補，具體導軌、絲杠、齒條布置結構，詳見圖4所示。

3.2 左右主軸箱

主軸箱潤滑采用恒溫油潤滑，主軸前支撐外部配有油冷卻循環(huán)裝置，可靠的控制了主軸的溫升。機床主軸軸承選用進口的高精度軸承，兩支承結構，不僅使其具有足夠的剛度，加工、裝配工藝性也好。主軸前端裝有液壓剎車裝置，將主軸與箱體之間實現(xiàn)近于剛性連接，提供必要的銑削制動扭矩。左右主軸箱如圖5所示。

C軸進給采用1FT6交流伺服電機驅動，經無間隙減速箱降速后，在油缸的擺動下，帶動安裝在減速箱上的小齒輪與此大直齒輪嚙合，使主軸獲得合理的銑削扭矩。主軸后端安裝有海德漢角度編碼器，實現(xiàn)與其它軸的聯(lián)動。右主軸箱可沿床身上的齒條移動，液壓鎖緊，配有液壓驅動的可伸縮頂尖。左主軸箱有Z向固定和可移動兩種。

3.3 左側進給機構

左側進給機構配備旋轉刀具和車削刀具的安裝位置，其中旋轉刀具可以進行銑削、鉆削和攻絲;車削刀具可以進行外圓和內孔等部位的車削加工，可選配通過轉位油缸實現(xiàn)刀具180°轉位，無需換刀即可對工件的另一側面進行加工的模塊;B軸可在-90～+90°范圍內旋轉，并配有2.5°位置齒盤鎖緊和任意位置液壓鎖緊機構。同時在該進給機構上可以選配加長刀桿，用于特殊部位加工。

左側進給機構采用內置式技術，西門子電主軸配雙速減速機，向刀具主軸提供了2400Nm的動力、3150rpm轉速。用于安裝電主軸和減速機的箱體孔為多階梯深孔形式，機加難度大，采用灌膠工藝有效的解決了這一難題。

3.4 右側進給機構

右側進給機構為滑枕結構，78kW的主軸電機經齒型帶及自制雙速減速箱的減速后，可提供12000Nm的輸出扭矩。滑枕在Y2軸方向的運動通過安裝在右側滑板上的伺服電機、減速機帶動滾珠絲杠實現(xiàn)的;定點銑削時，采用多個油缸鎖緊Y2軸，避免絲杠受力，保證機床的精度;刀具可沿Y2軸進行旋轉，兩個工作位置可保證一次裝卡下對曲軸兩端的連桿頸的加工時，不與兩端的卡盤發(fā)生干涉。右側進給機構詳見圖6所示。

3.5 刀庫結構介紹

本機床配有換刀機械手、刀庫。刀庫位于立柱左側面，由立柱帶動，落于床身導軌上。為左側進給機構提供刀具。另可選配第二刀庫，該刀庫位于左主軸箱上方，五個刀位，自制V型定位塊，彈簧片鎖緊，配有巴魯夫檢測開關。該刀庫的配置，對大型設備尤為重要，可有效的實現(xiàn)自動換刀，避免手動換刀安全性能低，效率低。刀具長度超過500mm的，安裝在第二刀庫內（如深孔鉆）。

3.6 拖動機構

HTM125系列第二主軸和中心架的移動采用了專用的拖動機構。該機構動力固定在床身右端，它驅動長達10m的燕尾導軌在Z向上運動，配合中心架上的插銷機構、第二主軸上的齒條機構，實現(xiàn)對任意部件單元的Z向位置的改變。該機構較采用多個伺服電機分別驅動的結構形式，性價比高。

3.7 與雄克聯(lián)合開發(fā)的專用中心架

卡盤多種配置形式：采用增力機構自制的手動四爪卡盤，德國雄克手動四爪卡盤，德國雄克自定心氣動卡盤，用戶可根據(jù)主軸需要的轉速選配。

4? 發(fā)展狀況

近些年來，我國國內生產廠家針對于重型五軸車銑復合機床，進行了相關的設計和研究。但是加工直徑通常是被設定在1250mm，其配有的外銑刀盤為1400mm，承重為30噸左右。所采用的結構是斜床身、單立柱、全防護和半防護。而相對于中速機曲軸大型五軸重載機床來說，在國內相關機床生產廠家的實際設計和生產過程當中。并沒有實現(xiàn)有效的裝配和設計。因此是，與國際上的五軸車銑加工中心很難有效的匹敵，國際的知名企業(yè)主要有奧地利公司WFL公司、德國的尼爾森公司[6]。這兩家企業(yè)所生產的產品，所用的床身結構為斜床身、上刀方向為斜后方，但是中心架承載能力不夠理想，并不能夠實現(xiàn)重載的大規(guī)格外銑加工[5]。而同比起國際機床來說，HTM125系列機床，其在精度上和重載加工方面表現(xiàn)的十分優(yōu)秀，而且最主要體現(xiàn)是價格優(yōu)勢十分巨大。此機床在生產之后，國內相關加工企業(yè)紛紛采購，如此不難看出，我國的整體裝備水平、設計水平和加工水平，同比起國際先進技術來說，都實現(xiàn)了有效的追趕，甚至是在某一方面明顯超越對方，進一步也為我國數(shù)控機床的發(fā)展，奠定下濃厚的技術基礎和實力體現(xiàn)。

5? 經濟及社會效益

近些年來伴隨著我國經濟不斷飛速發(fā)展，數(shù)控機床呈現(xiàn)出精度、質量不斷向上飛躍的良好發(fā)展態(tài)勢。但是同比起大型重載五軸車銑復合機床的生產研發(fā)來說，依舊與國際發(fā)達國家存在著一定的差距，但是HTM125系列車床的誕生，突破了國際生產廠家的技術壟斷，也逐漸縮短了同國外機床廠家所產生的距離，為我國國際數(shù)控機床的核心競爭力提升，提供了極大的幫助，進一步也降低了國內相關生產廠家采購成本，減少了設備維護方面所需要投入的費用。HTM125系列機床為我國船舶領域、礦山領域、大型工程的相關零件加工，提供了巨大的幫助和偉大的貢獻，為相關行業(yè)提供了十分理想的技術支持和設備幫助，其最關鍵的體現(xiàn)還是在產品的加工效率方面，以及技術知識方面，并且為相關領域的快速發(fā)展提供了極大的保障。

參考文獻：

[1]鄭兵.車銑復合加工過程阻尼與切削穩(wěn)定性研究，2018.

[2]李健.淺談車銑復合加工的關鍵技術與應用前景，2019.

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[4]鄒小堤，胡純.五軸聯(lián)動車銑復合制造工藝技術應用[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2018，36（04）：487-490.

[5]第十三屆中國國際機床展覽會（CIMT2013·北京）展品預覽（三）[J].世界制造技術與裝備市場，2017（02）：63-99.

[6]于思遠.中國數(shù)控機床展覽會CCMT 2008參觀導引和重點展品介紹[J].制造技術與機床，2018（04）：13-28.