超精密復(fù)合加工機(jī)床的總體設(shè)計(jì)
現(xiàn)代飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)材料和機(jī)體結(jié)構(gòu)材料已發(fā)生了非常大的變化,如先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)用硬脆熱解石墨、單晶合金材料等,以及為了減重而采用的大量薄壁件等细咽,這些材料的機(jī)械加工,急需替代性新技術(shù)绍撇、新工藝尘忿。這些材料的物理和機(jī)械性能與常規(guī)金屬材料差別極大,加工過程中結(jié)構(gòu)易變形督垮,常規(guī)的工藝?yán)碚摵筒呗砸呀?jīng)無法完成這些先進(jìn)材料和結(jié)構(gòu)的加工工藝和工藝策略的研究屡拥,并且要求加工精度高。另外批痘,在高精度機(jī)床上進(jìn)行先進(jìn)航空材料加工工藝的研究钾抛,可以簡(jiǎn)化加工工藝性的研制難度漏炕,方便地把工藝策略舌恬、工藝參數(shù)、刀具參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響與機(jī)床的性能分開扭享,從而使得工藝性的研究方法更加科學(xué)坠行、有序,可以大大提高先進(jìn)航空材料加工工藝性的研究速度续膳。因此改艇,研制可用多種加工方法實(shí)現(xiàn)加工多種先進(jìn)材料的精密/超精密加工的模塊式復(fù)合精密/超精密加工機(jī)床對(duì)于加快我國航空制造業(yè)的跨越式發(fā)展、提高我國綜合國力具有重要的意義坟岔。
超精密加工機(jī)床的研究現(xiàn)狀
我國從20世紀(jì)60年代開始發(fā)展精密和超精密機(jī)床谒兄,1987年北京機(jī)床研究所研制成功空氣軸承主軸的加工球面的超精密車床∩绺叮“十五”期間我國超精密機(jī)床獲得了較大的發(fā)展承疲,但和工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比還有較大的差距。第二次世界大戰(zhàn)后的20世紀(jì)50年代后期鸥咖,美國首先開始進(jìn)行超精密加工機(jī)床方面的研究燕鸽,目前,美國比較有名的從事超精密加工制造的公司啼辣、企業(yè)至少有30家啊研,其中最具代表性并取得重大成果的是美國勞倫斯·里佛摩爾國家實(shí)驗(yàn)室(Lawrene Livermore National Laboratory,LLL國家實(shí)驗(yàn)室)鸥拧。超精密加工技術(shù)的發(fā)展使美國在航空党远、航天、核能等方面取得了重大的成就朝正,如LLL國家實(shí)驗(yàn)室的大型光學(xué)金剛石車床LODTM和大型金剛石車床DTM-3是現(xiàn)在世界公認(rèn)的水平最高蒸败、達(dá)到當(dāng)前技術(shù)最前沿的超精密車床执摆。由于美國超精密機(jī)床水平較高,商品生產(chǎn)不僅國內(nèi)使用平俩,還有相當(dāng)多的出口缅叔,比較著名的有Moore公司的M-18AG型超精密非球曲面車床和Pneumo公司的MSG-325型超精密非球面車床等。
日本研究超精密加工技術(shù)和超精密加工機(jī)床起步較晚泡缠,20世紀(jì)70年代中期才開始趟蛋,而且是根據(jù)電子和光學(xué)等民用需要開始研究的。但是鼎示,由于得到有關(guān)方面的重視同嚷,投入大量的人力、物力去開發(fā)虫店,有計(jì)劃地引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)并深入剖析甫知,從而使研制的產(chǎn)品很快達(dá)到甚至超過引進(jìn)產(chǎn)品的水平,因此在發(fā)展速度上追上美國愁霞,而且在技術(shù)上可以與美國抗衡诡蜓,并且民用工業(yè)上的應(yīng)用也向精密化發(fā)展。日本東芝公司1991年研制了一臺(tái)超精密CNC機(jī)床胰挑÷#可加工直徑650mm、軸向尺寸250mm的非球面鏡片瞻颂。主軸采用空氣軸承豺谈,轉(zhuǎn)速范圍3000~30000r/min,剛度達(dá)到200N/μm贡这。X茬末、Z向激光干涉反饋系統(tǒng)分辨率2.5nm。日本豐田工機(jī)研制的AHN60-3D是一臺(tái)CNC三維截形磨削和車削機(jī)床盖矫,它能在X丽惭、Y和Z三軸控制下磨削和車削軸向?qū)ΨQ形狀的光學(xué)零件,可以在X炼彪、Y和Z軸二個(gè)半軸控制下磨削和車削非軸對(duì)稱光學(xué)零件吐根,加工工件的面形精度為0.35μm,表面粗糙度Ra達(dá)0.016μm辐马。
英國Rank Pneumo公司于1980年向市場(chǎng)推出了利用激光反饋控制的兩軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床拷橘,該機(jī)床可加工直徑為350mm的非球面金屬反射鏡,加工工件形狀精度達(dá) 0.25~0.5μm蔚芥,表面粗糙度 Ra在0.01~0.025μm拨臂。隨后又推出了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機(jī)床基际,該公司又在上述機(jī)床的基礎(chǔ)上痛慷,于1990年開發(fā)出 Nanoform600,該機(jī)床能加工直徑為600mm的非球面反射鏡袍砚,加工工件的形狀精度優(yōu)于0.1μm樱炬,表面粗糙度優(yōu)于0.01μm。
英國Rank Pneumo公司1988年開發(fā)了改進(jìn)型的ASG2500槐伍、 ASG2500T择绘、Nanoform300機(jī)床,這些機(jī)床不僅能夠進(jìn)行切削加工凌红,而且也可以用金剛石砂輪進(jìn)行磨削混砸,能加工直徑為300mm的非球面金屬反射鏡,加工工件的形狀精度為0.3~0.16μm硬纤,表面粗糙度Ra達(dá)0.01μm解滓。
進(jìn)入新世紀(jì),世界各發(fā)達(dá)國家研制的具有代表性的超精密加工設(shè)備很少筝家,但是總的來說超精密加工設(shè)備將向著多軸聯(lián)動(dòng)和復(fù)合加工或模塊化方向發(fā)展洼裤。
超精密復(fù)合加工機(jī)床的設(shè)計(jì)
1總體設(shè)計(jì)
項(xiàng)目的研究目標(biāo)是研制一臺(tái)可以分別實(shí)現(xiàn)密封環(huán)、鼓筒肛鹏、作動(dòng)筒等發(fā)動(dòng)機(jī)零件的車逸邦、銑/磨加工的超精密加工樣機(jī)恩沛≡谌牛總體方案是主軸部件和導(dǎo)軌部件采用氣體靜壓小孔節(jié)流方式,絲杠螺母副采用德國零級(jí)精度的滾珠絲杠雷客;為縮短研制周期芒珠,確保質(zhì)量,集中精力進(jìn)行精密銑/磨削工藝的研究搅裙,故高速銑/磨頭采用英國進(jìn)口的氣動(dòng)和電動(dòng)2種高速主軸皱卓;控制系統(tǒng)采用目前國內(nèi)外廣為采用的性能可靠、功能齊全的日本FUNAC18i數(shù)控系統(tǒng)部逮;為保證樣機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定娜汁,床身下設(shè)置空氣彈簧及床身自動(dòng)調(diào)平裝置進(jìn)行減隔振。
考慮到加工精度及承載情況讲幌,床身采用T形布局油后,機(jī)床采用Z、X運(yùn)動(dòng)分離的結(jié)構(gòu)仙涡,Z容书、X向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌都放在機(jī)床的床身(采用花崗巖)上,形成T形布局,2條導(dǎo)軌在同一高度上藤棕。T形總體布局結(jié)構(gòu)有利于提高導(dǎo)軌的制造精度和運(yùn)動(dòng)精度自拖,并且用于檢測(cè)Z、X向運(yùn)動(dòng)位置的光柵尺測(cè)量系統(tǒng)可以裝在固定不動(dòng)的床身上朴树,僅將測(cè)量位置用的部分安在Z宏查、X方向的移動(dòng)部件上。這樣不僅使測(cè)量系統(tǒng)的安裝要簡(jiǎn)單得多榨惭,而且可大大提高測(cè)量精度证莺。安裝有刀架和銑/磨頭的B軸安裝在X軸上。
2 高精度堕义、高剛度流體靜壓主軸部件的設(shè)計(jì)
機(jī)床的主軸部件是超精密加工機(jī)床最為重要的部件猜旬,其精度指標(biāo)是機(jī)床精度的標(biāo)志。超精密機(jī)床的主軸要求達(dá)到很高的回轉(zhuǎn)精度倦卖,關(guān)鍵在于所用的軸承洒擦。目前,要想獲得高回轉(zhuǎn)精度的主軸部件均采用流體(液體或氣體)靜壓技術(shù)怕膛。根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整加工零件的精度要求和加工效率熟嫩,主軸徑向剛度在800N/μm左右,軸向剛度在500N/μm左右褐捻。為此掸茅,對(duì)小孔節(jié)流氣體靜壓軸承進(jìn)行了工程計(jì)算。在此柠逞,僅僅介紹徑向軸承的工程設(shè)計(jì)過程昧狮。在小孔節(jié)流徑向軸承結(jié)構(gòu)系數(shù)求解過程中,主要求解小孔節(jié)流徑向軸承與主軸之間的間隙板壮,以保證主軸系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能逗鸣。首先求出軸承的最佳間隙,然后求出在該間隙下的承載能力和靜態(tài)剛度僵卿。
3 小孔節(jié)流流體靜壓導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)
縱特与、橫導(dǎo)軌油腔的形狀都選定為矩形,并在油腔周圍開有卸荷槽正庙,以緩和從封油邊噴出液壓油的壓力注括,在此僅僅介紹橫導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)。矩形油腔的優(yōu)點(diǎn)是油壓的作用面積大而具有較大的初始推力蓄扳,缺點(diǎn)是無油時(shí)只靠周圍的封油邊承載蝴车,單位接觸面積上壓力大,易在突然事件中磨損踏拓。
在計(jì)算中赃剂,當(dāng)液體壓力選用1.5MPa時(shí)蜜雏,橫導(dǎo)軌的液體靜壓剛度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。因此是符合設(shè)計(jì)要求的淑停。同理孝摘,可以求得縱導(dǎo)軌的液體靜壓剛度。
4 高速靜壓銑/磨頭的研制
高速靜壓銑/磨頭主軸系統(tǒng)采用英國Loadpoint公司的B03196氣動(dòng)主軸锰抡,主軸最高轉(zhuǎn)速80000 r/min妻往,軸向負(fù)載能力155N,徑向負(fù)載能力60N试和。采用英國Loadpoint公司B01020-AC交流驅(qū)動(dòng)電主軸讯泣,主軸最高轉(zhuǎn)速90000r/min,軸向負(fù)載能力151N阅悍,徑向負(fù)載能力45N好渠,軸向剛度5.8N/μm,徑向剛度1.3N/μm节视。
應(yīng)用前景分析
現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)為了減重而大量使用薄壁結(jié)構(gòu)拳锚,如高性能轉(zhuǎn)子零件廣泛采用復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu),其精度要求越來越高寻行。航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心零件如尾噴管作動(dòng)筒霍掺、鼓筒、整體葉盤拌蜘、壓氣機(jī)風(fēng)扇葉片等是典型的復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)零件且廣泛采用高強(qiáng)比材料杆烁,以達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)效率的目的简卧。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中各類葉片所占比重約30%兔魂,從切削加工角度看,此類薄壁零件具有外形復(fù)雜佳跃、葉型厚度薄怠义、剛性差,加工刀具切削力較大的特點(diǎn)啦别。這意味著強(qiáng)切削力作用下工件變形是影響加工精度的主要原因。此外贷营,工件表層殘余應(yīng)力可能引起相當(dāng)大的扭曲變形怯录,對(duì)加工精度具有不容忽視的影響作用,特別對(duì)航空薄壁結(jié)構(gòu)件的影響更大诬粗。加工的復(fù)雜薄壁零件達(dá)不到設(shè)計(jì)要求牡呀,加工的零件就不是合格零件。如果用這種零件做試驗(yàn)扯凫,試驗(yàn)結(jié)果就不能反映設(shè)計(jì)性能要求轧黑。同樣如果將這種零件安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上,工作性能也無法滿足設(shè)計(jì)要求。如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)且昭、控制工件表層的殘余應(yīng)力和扭曲變形邦马,改善加工表面的完整性,提高數(shù)控加工精度宴卖,一直是精密滋将、超精密切削領(lǐng)域重要的研究課題。國外運(yùn)用超精密無殘余應(yīng)力加工實(shí)現(xiàn)這些薄壁零件的加工症昏,而我國為了加工出合格復(fù)雜薄壁零件必須對(duì)復(fù)雜薄壁零件的受力變形量進(jìn)行精確計(jì)算和預(yù)先補(bǔ)償消除随闽。
實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)表明,在高精度機(jī)床上進(jìn)行先進(jìn)航空材料加工工藝的研究肝谭,可以簡(jiǎn)化加工工藝性的研制難度掘宪,方便地把工藝策略、工藝參數(shù)攘烛、刀具參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響與機(jī)床的性能分開添诉,從而使得工藝性的研究方法更加科學(xué)、有序医寿,可以大大提高先進(jìn)航空材料加工工藝性的研究速度栏赴,縮短整機(jī)研制周期,提高發(fā)動(dòng)的質(zhì)量和性能靖秩。
結(jié)束語
超精密復(fù)合加工機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)車卢操、銑、磨削加工件父,可在保證一定效率的前提下企奔,大大提高加工精度,并減小薄壁件的變形夹它。該機(jī)床的研制成功妖奕,將很好地滿足我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)等研制對(duì)加工設(shè)備的要求,對(duì)于推動(dòng)航空工業(yè)的發(fā)展具有重要意義恢儡。
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