水室封头专用控龙门移动式双柱立式铣车加工中心设计

水室封头专用控龙门移动式双柱立式铣车加工中心设计

王彦明 蔺景嵩

齐重数控装备股份有限公司 黑龙江 齐齐哈尔 161005

摘要：水室封头专用控龙门移动式双柱立式铣车加工中心是一种超大型、高精度、复合型金属切削机床，是关系到国计民生、国家安全的重要装备。适用于核电、军工、航天、造船、发电、石油化工等行业复杂零件的高效率、高精度加工，有迫切的市场需求。

目标：完成最大加工直径6.3米，共有X、U、Y、Z、W、C、C’和B轴等八个数控轴，可实现五轴联动，工件一次装卡即可完成车、铣、钻、镗、攻丝等多种工序复合加工的超重型、高精度立式铣车复合加工机床的研究与开发，形成相关技术规范、标准、专利及专有技术。

技术方案：首先进行初步方案设计，经专家论证后，转入结构设计分析、静动态特性分析、干涉检查、精度分析、关键部件可靠性和精度稳定性研究阶段，期间针对技术难点，进行联合攻关，确定最终的实施方案，后续阶段分为关键部件加工、装配工艺方法研究、装配调试和鉴定验收等主要阶段。

目标是水室封头专用DMVTM630数控龙门移动式双柱立式铣车加工中心的研究与开发，该机床可达到的主要技术指标如下所示:

◆ 最大加工直径 Φ6300mm

◆ 工作台直径 ≥Φ5700mm

◆ 最大加工高度 4000mm

◆ 最大工件重量 200t

◆ 最大车削力 100KN

◆ 回转工作台转速范围 0.2～20r/min

◆ 回转工作台分度、进给转速范围 0.001～1r/min

◆ 龙门架移动行程 13000mm

◆ 铣削主轴转速范围 2～800r/min

◆ 铣削主轴额定扭矩 8000N.m

◆ C轴分度精度 ≤4″

◆ 铣削主轴端面、径向跳动 ≤0.005mm

◆ 工作台端径跳 ≤0.03mm

◆ 万能铣头转角角度范围（B轴） ±105°

要使所研发的水室封头专用DMVTM630数控龙门移动式双柱立式铣车加工中心达到上述技术指标，就必须针对该机床的工艺特点和难点，包括机床的整体布局、零部件相关设计、机床可靠性及精度保持性、动态监测、状态预警及热变形补偿等进行攻关，解决如下几方面的重大问题：

1、机床整机结构及其合理布局问题

整机结构分析尤其是大型数控机床整机结构分析和合理布局，对机床设计是至关重要的一环。因此，在本课题中，要充分收集国内外同类机床的相关资料，对比、消化和吸收不同厂家产品在整机结构上各自的特点和长处，优化机床整机方案，并完成关键部件的合理布局。

2、机床部件设计过程中所涉及的关键问题

要达到上述设计技术指标，还要在部件设计过程中解决以下几方面的关键问题：

● 8000Nm超大扭矩主轴结构的设计

为达到强力铣削的要求，铣削刀架配置8000Nm超大扭矩主轴，这种超大扭矩主轴结构的研究及设计及如何保证主轴端、径向跳动为0.005mm的精度指标成为预期要解决的关键问题。

● 高精度数控回转工作台的设计及制造技术

为满足机床的高速、重载切削需要及高精度的分度、进给功能,数控回转工作台应具有高的回转精度及精度保持性。其回转精度主要决定于静压导轨、主轴轴承、齿圈等关键件的制造、加工及装配调整等。本项目数控回转工作台采用短主轴结构配有高精度双列圆柱子轴承,工作台导轨采用恒流静压导轨,轴承定位孔及定位面采用高精度磨削加工工艺,使工作台端径跳达到0.03mm。

● 高精度伺服静压导轨技术

静压导轨是大型加工设备的关键部件，通常采用定量多头泵的方法来进行液压系统设计，本课题提出了伺服静压导轨技术，可以很好的保证静压导轨的精度，通过建立静压导轨理论模型进行结构动力学仿真，研究液压系统的静、动态特性，通过研究液压系统控制策略，整定控制参数进行动态补偿，提高高精度伺服静压导轨的动、静态性能。

● 提高机床可靠性和精度保持性的方法

进行方案及工作图设计时，通过有限元分析、经验对比及理论论证等手段，确保项目实施的重要性。各移动部件做单项超负荷试验，找出影响精度保持性及刚度薄弱环节加以改进。出厂前做模拟工件加工试验，要求连续做48小时指标正常方可出厂。为机床运行的稳定性和安全性，整机关键环节增加了在线监测和状态预警系统。

● 大型机床结合面的研究及误差的动态补偿

通过对机床结合面特性参数的研究对机床整机结构进行优化，同时应用误差补偿技术大幅度地提高设备的加工精度。

3、解决长期困扰国产数控机床可靠性的技术难题

在研发数控龙门移动式双柱立式铣车加工中心产品的同时，提出提高产品可靠性和精度保持性的具体方法，建立基本的可靠性试验手段，消除产品早期故障。

4、在整机建模、结构优化及误差的动态补偿方面需解决的问题

1）大型机床结合面特性参数研究

目前制约有限元方法对机床整机结构进行动静态特性分析及结构优化的瓶颈问题之一是机床结合面特性参数的准确给定，研究并准确给出结合面特性参数是进行机床整机动力学建模的关键，是后续进行整机动静态特性分析的基础。

2）大型机床整机建模、特性分析和结构优化

利用准确的结合面特性参数和成熟的有限元软件结合起来，可以建立机床整机的动力学模型，计算分析机床整机的静动态特性。在此基础上，利用空间矢量算法，寻找整机的薄弱环节，并针对薄弱环节的薄弱特性进行结构优化设计。以进一步提高机床的整体静动态特性。

3）大型机床误差的动态补偿

应用误差补偿技术，可在投入较小的情况下，较大幅度地提高设备的加工精度。误差补偿技术只针对机床最终出现的误差值给予自动修正，而不需要对机床的结构和制造精度做重大改变，因而是大幅度提高机床加工精度的有效方法。有以下问题需要解决：

● 误差参数的确定及测量

分析机床的结构特点及影响加工精度的主要因素，确定需要动态补偿的几何误差、空间误差和热误差，给出误差测量方法并实现其测量。

● 误差计算模型的建立及误差计算

根据所确定的误差参数与相关坐标的关系，建立误差参数与相关坐标位置、受力状态、工况的映射关系，计算出相关补偿量。

● 补偿技术的实现

研究所选不同数控系统的特点，确定不同的补偿方法。如选用国外系统，一般不提供硬件补偿接口，则需要进行软件补偿；如选用国产系统，一般会提供硬件补偿接口，则可以进行硬件直接补偿。

5、水室封头加工工艺方面需要研究的问题

水室封头是形状复杂的大型壳体构件，其材料为难切削合金材料，加工先要对内部表面进行车削加工，然后在对外表面进行车铣复合加工。因此，合理的水室封头加工工艺研究是保证加工顺利进行，提高加工效率的重要保证。着重研究如下问题：

1）水室封头加工路径优化

水室封头加工时间长，因此合理的加工路径可使零件的加工效率提高，减少加工成本和提高设备的利用率。研究内容如下：

基于Mastercam的车铣复合加工过程动态仿真

高效率车铣复合加工路径优化技术

2）车铣复合切削过程有限元分析及切削参数制定

由于水室封头的加工方法还不成熟，车铣复合加工过程的有限元仿真技术，为确定切削力，刀具扭矩，刀具和工件温度，刀具变形等内容起到关键作用，具体研究内容如下：

水室封头用高强度低合金材料性能实验及本构方程建立，

基于DEFORM-3D分析软件的切削过程模拟，获得车铣过程中刀具受力、温度场的分布，

采用正交试验方法的车铣复合切削过程切削参数制定

3）水室封头车铣复合加工刀具优化选择方法

大型水室封头内表面采用切削方法加工，外表面和管接头部位采用车铣复合加工，该水室封头的加工方法用刀具，受到设备车削力和设备刚度等因素的制约，研究内容如下所示：

考虑加工精度和效率的车刀的选择方法；

考虑加工精度和效率的铣刀选择方法，建立铣刀直径和工件加工误差之间的关系；