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秦川机床:HMC1200/5S五轴卧式加工中心
Jan 18, 2021  来源:秦川机床工具集团股份公司  作者:-

 
       随着制造业水平的不断提高,各制造领域对五轴高精度加工设备的需求日益突出,在航空航天领域尤为明显,而国产五轴卧式加工中心机床与国外相比,其精度、可靠性等方面还存在一定的差距,整体停留在中低端水平,高端设备基本依赖进口。 
 
       高精度五轴卧式加工中心设备可提高加工零件质量,缩短制造周期,尤其在航空航天领域一些形状复杂的异形零件的加工中更具优势。航空航天类零件多为高温合金、钛合金、不锈钢、铝镁合金等,零件外形结构复杂,具有加工难度大、加工周期长等特点。钛金属在加工过程中会产生较高和较集中的切削力,容易产生振动而导致切削时出现震颤,并且在切削时还容易与切削刀具材料发生反应,此外它的导热性差,切削过程会产生大量的热,而在制造这类零件时,恰恰需要通过铣削来去除大量材料,因此机床的热稳定性及精度是此类零件成功的关键所在。
  
       高精度五轴卧式加工中心的成功研制可实现我国五轴卧式加工中心设备从低端到高端,从中低产品到高精尖产品制造的转变,可解决航空发动机类零件加工难度大、加工效率低、加工质量不稳定等问题,实现国产五轴卧式加工中心设备在航空发动机各类零件单批次、生产线批量化生产加工应用,替代部分进口设备。此设备也可用于军工、船舶、医疗、汽车等工业领域,对提高我国机床设计制造水平和先进机械加工工艺水平具有重要意义。
  
       秦川机床引进瑞典SAJO技术,结合公司的“三精”制造优势,研制的HMC1200/5S五轴卧式加工中心机床(见图1),非常适合航空、航天、军工、能源等复杂、难加工零件的加工需要。
  
  
图1:机床外形图
  
       一、HMC1200/5S五轴卧式加工中心简介
  
       机床采用T型结构形式,强度高、稳定性好。床身后部支撑立柱,立柱左右移动为X轴,最大行程2000mm。摆动头结合在立柱上,摆动头上下方向移动为Y轴,最大行程1750mm。前床身上方装有转台,转台前后方向移动为Z轴,最大行程1800mm。摆动头偏摆采用机械式双齿轮消隙结构,主轴在Y、Z平面内摆动为A轴,摆角范围-100°~+60°。台面绕中心作回转运动为B轴,可实现±360°回转,工作台面采用T型槽型式。机床配有液压系统,实现液压动作的自动控制执行。机床采用全封闭罩壳形式,以防冷却液和铁屑飞溅。配有自动排屑系统以及切削液自动循环系统,冷却循环系统用于工件冷却以及将工件和夹具上的铁屑冲走。每一轴承组件和滚珠丝杆螺母均有注脂孔,由中央润滑系统自动润滑。导轨、滚珠丝杆配有可伸缩式钢防护罩保护不受铁屑和冷却液侵蚀。机床各进给轴电机全部采用交流伺服电机,可实现5轴联动插补、刀具补偿、丝杆螺距误差补偿和测量系统误差补偿等功能。机床X、Y、Z、A、B采用全闭环控制,提高机床加工精度。机床总体结构如图2所示:
  
  
图2:机床总体结构图
  
       二、主要技术指标(见图表)
  
  
       三、主要结构特点
  
       (1)主机部分
  
       ▲ 采用机械式摆动头,切削主轴有电主轴和机械式两种类型,可满足不同用户的加工需求。偏摆轴采用双齿轮消隙结构,利用秦川最擅长的齿轮加工技术,此驱动结构刚性好、扭矩大、精度高。采用气动钳夹系统,响应速度快,夹紧扭矩大,提高可靠性及使用安全性。切削主轴有电主轴和机械式主轴两种类型可选,电主轴最高转速7000r/min,最大扭矩700N·m;机械式主轴最高转速可达6000r/min,最大扭矩可达1250N·m。主轴刚性好,精度高,适合钛合金、高温合金等材料的加工。
  
       ▲ 转台采用秦川传统的高精度蜗轮副制造技术,传动比大,结构紧凑,传动平稳,刚性好,精度高,回转精度8"以内。
  
       ▲ 刀库采用桁架式伺服换刀小车单元,可以随最终的主轴加工位置进行任意位置换刀,换刀速度快,效率高。
  
       ▲ 机床采用T型结构形式,提高刚度及稳定性,可以很方便提供工作托盘交换方式及相关配置,组成柔性制造单元和自动化生产线。
  
       ▲ 可配置大型刀库管理系统(200把刀)。
  
       ▲ 进给轴采用高精度滚动直线导轨,采用伺服电机驱动,可实现无间隙、高灵敏度直线运动。
  
       ▲ 采用高精度滚珠丝杠,传动精度高,寿命长。
  
       ▲ 机床主要支撑部分采用高精密轴承,精度高,使用寿命长。
  
       ▲ 具备工件自动测量(选配)。
  
       ▲ 具备激光机内对刀仪,兼具断刀检测(选配)。
  
       ▲ 具备刀库管理,集成RFID读写装置,能够将刀具数据写入数控系统刀具内存(选配)。
  
       ▲ 具备自适应加工(选配)。
  
       ▲ 具备主轴防碰撞功能(选配)。
  
       (2)数控系统
 
       ▲ 采用华中HNC-848D数控系统,或西门子840DSL数控系统(选配)。
  
       ▲ 配置符合人机工程学设计的操作控制面板。
  
       ▲ 可实现插补、数控系统故障自动检测、故障报警等功能。
  
       ▲ 配带可移动存储设备,用于程序的导入、导出,操作面板部位设有与计算机通讯的接口,并配有通讯软件。
  
       ▲ 配备手持单元,手持式脉冲编码器带轴、倍率选择开关。
  
       ▲ 支持多种编程方式,可访问外部存储设备进行在线加工。
  
       ▲ 主轴和进给轴系统采用成套的数字交流伺服驱动系统。
  
       ▲ 伺服系统为全闭环控制方式。
  
       ▲ 伺服电机防护等级:IP64。
  
       ▲ 支持通过以太网进行机床状态数据以及报警数据的读取。
  
       ▲ 支持通过以太网进行NC程序在数控机床和服务器之间的传送以及NC程序在服务器端的集中管理的功能。
  
       ▲ 五轴全闭环测量装置,光栅尺作用在轴上直接测量位置。
  
       (3)电气系统
  
       ▲ 电箱密闭并设有冷却空调,采用环保介质。
  
       ▲ 总电源开关自带安全锁,安装在电控柜侧面。
  
       ▲ 电箱门设置安全保护连锁装置,并在机床维护时能够解除互锁。
  
       ▲ 电箱内电气元件布局、走线规范、合理。设备外围管线整齐美观,安装牢固。机床电源部位、分线盒部位等位置设有带电警告永久性标志。所有的标识、标志清楚、醒目。
  
       ▲ 低压电气元器件选用知名品牌产品,在防护罩内的电器元器件防护等级为IP54。
  
       ▲ 电控柜配置安全电压照明灯。
  
       ▲ 配备三色报警灯。
  
       (4)液压系统 
 
       ▲ 液压油箱设低液位报警及液温报警。
  
       ▲ 配置系统压力使用范围标牌,各压力表标明要求的压力使用范围。 
 
       (5)润滑系统 
  
       ▲ 所有机床导轨和丝杠副都采用自动集中润滑系统,注脂时间间隔及注脂量可调。
  
       ▲ 机床的每个润滑点均可得到充分的润滑。若有异常屏幕可显示润滑故障,并停机警报。
  
       (6) 冷却系统
  
      ▲ 机床冷却系统包括工件冷却、主轴中心冷却、机床及工件冲洗、排屑及过滤系统等。
  
       ▲ 水箱有效容量1650L,机床冷却系统采用二级过滤系统。
  
       ▲ 机床排屑系统包括工作台两侧的螺杆排屑器及机床前端的起升式排屑器。
  
       ▲ 机床上用于工件冷却的喷嘴方向均可调节。
  
       ▲ 电主轴冷却由恒温控制的水冷机通过循环水冷却。
  
       四、技术创新点
  
       (1)摆动头偏摆结构采用机械式双齿轮消隙驱动结构,利用秦川最擅长的齿轮加工技术,驱动结构刚性好,扭矩大,精度高。与其他常见驱动结构形式相比具有明显优势,常见结构形式有:
  
       ①、蜗轮蜗杆驱动结构:此结构刚性好、扭矩大,但应用在摆动头中由于蜗轮只有局部接触,使用过程中局部易发生磨损,精度容易走失。
  
       ②、力矩电机驱动结构:此结构传动精度高,但扭矩偏小,电器元器件发热易损坏,影响使用寿命。
  
       秦川自主创新设计的摆动头采用双齿轮消隙驱动结构,兼具高刚性,大扭矩,同时保证了加工过程中的高精度、高可靠性和长使用寿命。摆动头驱动结构如图3所示。
  
  
图3
  
       摆动头切削主轴分为电主轴和机械式主轴两种类型,可满足不同用户的加工需求。电主轴最高转速7000r/min,最大扭矩700N·m;机械式主轴最高转速可达6000r/min,最大扭矩可达1250N·m。主轴刚性好,精度高,适合钛合金、高温合金等材料的加工。
  
       (2)刀库采用桁架式伺服换刀小车单元,可以随最终的主轴加工位置进行任意位置换刀,速度快,效率高。可配置大型刀库管理系统(最大200把刀),集成RFID读写装置,能够将刀具数据写入数控系统刀具内存。
  
       五、技术水平
  
       五轴卧式加工中心精度分为普通级、精密级和高精度三个等级,国产五轴卧式加工中心设备多为普通级,精密级、大规格的高精度五轴卧式加工中心设备较为稀少。秦川机床引进瑞典SAJO技术,结合公司的“三精”制造优势,研制的高精度五轴卧式加工中心在国内处于领先水平,达到国外同类产品先进水平,可替代部分进口加工设备。此产品核心部件大扭矩、高精度摆动头、转台均为自主研发,回转轴定位精度8",重复定位精度4"以内。采用国产数控系统,产品国产化率高,具有高精、高效、高可靠性的特点,可满足钛合金、高温合金等材料的重切削和铝镁合金等材料的高速切削加工,非常适合航空、航天、军工、能源等领域的加工需要。
  
       六、市场定位及产业化前景 
 
       秦川自主研制开发的高精度五轴卧式加工中心可用于航空、航天、轮船等行业各类箱体、盘环类零件的复杂型面加工,以及端面、径向及斜孔的半精加工和精加工;能一次装夹完成钻、扩、铰、镗、攻丝、铣型面等多种加工;特别是精密孔加工,充分发挥其加工中心的高效、高精及高可靠性,解决复杂异形零件加工难度大、加工效率低、加工质量不稳定等问题,实现国产五轴卧式加工中心设备在各类零件单批次、生产线批量化生产的加工应用。此机床可加工材料包括高温合金、钛合金、不锈钢、铝镁合金等,可针对外形结构复杂、加工难度大、加工周期长的零件提供最佳解决方案。
  
       本产品精度高、刚性好、稳定性好,可为航空航天类零件提供整套的解决方案,也可应用于航海、医疗、汽车等工业领域,跟国内同类机床设备相比具有明显优势,可替代部分进口加工设备,市场前景较好,可形成良好的经济效益和社会效益。
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