垂直安定面专用机床的设计

范 红 ，仲 秋 ，许兴旺 ，李晨辉

(1.江苏省盐城技师学院 数控技术系，江苏 盐城 224002；2.江苏恒力组合机床有限公司，江苏 盐城 224055)

0 引言

目前世界上能完全利用自主技术制造飞机的有欧洲、美国、俄罗斯和中国。制约飞机制造的因素很多，制造飞机是一个国家综合实力的体现。改革开放以来，军用飞机发展较快，民用飞机一直相对落后。我国自主生产的中短程干线商用飞机将经历了许多的“从无到有”的突破。一架大型飞机约有150～200万个连接孔，飞机所承载荷通过连接部位传递，形成连接处应力集中。据统计，飞机机体疲劳失效事故的70%是源于结构连接部位，其中80%的疲劳裂纹产生于连接孔处。波音公司对钛合金螺栓测试实验表明，当紧固件沿外载荷作用方向倾斜大于20°时，疲劳寿命降低约47%;倾斜大于5°时，疲劳寿命降低95%。因此连接孔质量极大地影响着飞机的寿命[1-3]。垂直安定面体积大，外形是曲面，加工表面有较高的尺寸公差和位置公差，一般加工中心难以达到垂直安定面的精加工要求。因此需要设计专用机床，研究机床在切削工况下的受力状态、抗震性、利用ANSYS对立柱等机床重要零件进行有限元分析，优化结构设计，使机床有良好的精度保持性、快速响应速度，并且维护方便。

1 垂直安定面精加工参数及要求

图1 垂直安定面

产品材料：钛合金 Ti-6Al-4V-α+β锻造，普通退火。垂直安定面对接面精加工区域: 2200X620。垂直安定面16个对接孔的加工要求：①16个螺栓孔的孔径为(6-φ19.3±0.05，10-φ16.1±0.05)；②16个螺栓孔的表面粗糙度Ra为1.6μm ；③垂直安定面左壁板钛合金5534C10005G70接头前大螺栓孔轴线和对接平面之间的交点相对全机坐标的位置度公差为φ0.5mm；④其余主盒段根部钛合金接头(7个)大螺栓孔轴线和对接平面之间的交点相对于垂直安定面左壁板钛合金5534C10005G70接头前大螺栓孔轴线和对接平面之间的交点的位置度公差为φ0.2mm；⑤8个钛合金接头大螺栓孔轴线与对接平面的垂直度为φ0.05mm。

钛合金接头上132个导孔的加工要求：①132个导孔的孔径为φ3.26H8 ；②132个导孔的表面粗糙度Ra为3.2μm；③相对全机坐标的位置度公差为φ0.5mm；④132个钛合金接头上导孔轴线与对接平面的垂直度为1/2。

2 工艺分析

垂直安定面的制造周期长，制造技术难度大，工期长。原因是垂直安定面结构复杂，体积庞大，加工面积大，加工表面多，加工精度高，质量控制困难。根据加工表面，加工要求和工件外形，结合垂直安定面的生产批量要求，采用卧式三坐标镗铣床加工垂直安定面,可以在一次装夹中完成各表面的加工，避免了因为多次装夹而产生的误差，加工精度容易保证，也减少了生产辅助时间，提高了生产效率；在机械加工中，零件的尺寸、几何形状、和表面间相对位置的形成，取决于工件和刀具在切削过程中的相互位置关系，而工件安装在夹具上，夹具和刀具安装在机床上，机床、夹具、刀具和工件组成工艺系统。直接或间接影响机械加工工艺系统的因素都将影响零件的机械加工精度[3]。卧式三坐标镗铣床,需具有良好的刚性、高的精度和生产效率，机床结构设计是否合理将直接影响垂直安定面的加工精度。

3 专用卧式三坐标镗铣床结构设计

卧式三坐标镗铣床的布局是按照工件的加工姿态来设计的[4]，如图2所示，其切削功能为铣削、钻削和镗削，其工作原理为主轴端部铣刀的旋转运动为主运动，工作台(X轴)的横向移动为进给运动，完成铣削加工。通过主轴端部刀具的旋转运动为主运动，主轴进给轴(Z轴)纵向进给运动来实现连接孔的钻削和镗削加工。

图2 卧式三坐标镗铣床

3.1 主要结构

3.1.1 数控移动工作台(X轴)

X轴工作台的底座及工作台体为高强度、高刚性优质铸铁件，铸铁件粗加工前后经充分的去应力时效处理，底座为整体结构，内部采用米筋结构设计，大幅提高刚性，最大载重时仍维持最佳动态水平精度；确保机床具有良好的精度保持性(见图3)。采用三个线性导轨以避免移动滑台因立柱的宽与重而变形，同时承载能力大，切削抗振动性能好，可以改善机床性能特性(见图4)。

图3 底座

(a) 立柱在最左边 (b)立柱在最右边

3.1.2 立柱(Y轴)

(5)千年古村民居.华堂村的古民居均为四面房子、中间天井的四合院形式，有颇具特色的卵石路相通，均有百余年历史.不少古民居因住户外出打工、另建新房等原因，已没有人居住，也没有人维修、开发利用.调查中走访的一处华堂村内最大最有名的古民居“善庆堂”，整个建筑群只有一个80多岁的老人居住.据调查统计，华堂村有一半以上的古民居处于无人居住的闲置状态.

Y轴立柱采用优质高牌号铸件经粗加工前后二次充分的去应力时效处理，立柱采用框式对称结构(见图5)，受力状况好，不易变形，有利于精度的保持。 立柱滑板采用双伺服电机双丝杠驱动(见图6)，保证Y轴有足够的响应速度和精度，Y轴行程800mm。

图5 立柱

卧式三坐标镗铣床是一种具有多种加工方式的大型机床，对于垂直安定面精加工阶段主要是进行铣削、钻削和镗削等加工。在不同的加工方式下，机床受到的极限载荷是不同的，根据垂直安定面加工情况分析，钻削和镗削时主轴所受的切削力小于铣削时所受到的切削力值，故在对结构进行力学分析时考虑机床在铣削工况下的结构力学特性[5]，选择极限载荷状态的铣削进行有限元分析。机床立柱用 HT300 铸铁铸造而成，其物理参数为：弹性模量E=130GPa，泊凇比υ=0.25，质量密度=7400kg/m3。根据铣削加工的加工条件: 刀片材料硬质合金主偏角45°, 切削速度100m/min，进给量0.2 mm/z,工件材料为正火中碳碳素钢，铣刀直径160mm,切深5mm, 铣削宽度120mm，刀具齿数12，转速199r/min,金属切除率286cm3/min，进给速度477mm/min，功率13.94kW。通过计算得到铣削加工时切削力为:主切削力Fc=7224N，轴向力Fp=3162N，径向力Ff=2167N[6]。结合有限元理论，利用ANSYS对分析立柱变形如图7所示，立柱变形最大综合位移变形发生在立柱后部中间右侧，0.01608mm，并且最大位移只发生在局部接触部位，其余大多数部位位移较小。立柱结构的总变形小[7]，能保证在一定承载条件下产品具有较高的加工精度[8]。

图6 双伺服电机

图7 立柱有限元分析

3.1.3 主轴进给轴(Z轴)

Z轴采用动柱式，可使主轴的前轴承尽可能靠近加工面，Z轴行程500mm使主轴部件可远离夹紧支撑机构，有利于机床的维护。

机床各轴均为伺服电机驱动，机床的导轨均采用直线导轨(X轴采用滚柱直线导轨)，滚珠丝杠副的丝杠支撑采用成组角接触球轴承，装配时丝杠经有效的预拉伸，以提高丝杠的刚性及定位精度，采用集中润滑装置定时定量供油，并带有润滑油收集通道。X、Y、Z轴带有绝对式光栅尺，全闭环驱动，可极大的提高定位及重复定位精度。X、Z轴采用不锈钢伸缩式防护，Y轴导轨带有不锈钢盔甲式防护罩壳。

3.1.4 主轴部件

机床的主轴安装在立柱的滑板上，滑板通过高精度直线导轨安装在机床的立柱上，并可沿立柱上下移动。主轴采用SKF成组使用的主轴专用轴承，具有精度高、寿命长、噪音小等特点[9]，主轴的驱动采用伺服电机、双速减速箱及同步齿形带，主轴的内部装有用于拉紧刀具的蝶簧组，主轴尾部装有用于打刀的打刀油缸及主轴转速编码器,如图8所示。

主轴传动、减速箱及主轴轴承采用循环冷却油冷却，以控制主轴温升，确保主轴保持高的运行精度[10]。主轴采用中心出水气结构，采用干切削微量油气润滑冷却加工部位，不对加工的零件产生污染腐蚀。主轴端部采用BT50锥孔与刀具连接。主轴采用1PH7133电机15kW ,额定转速1500rpm 最大连续转速 4500rpm，额定扭矩95.5N·m。双速减速箱分别是：传动比为1：1，主轴输出扭矩最大95.5N·m；传动比为1：4，主轴输出扭矩最大382 N·m。

BT50刀库容量12把,最大刀具重量14kg。采用微量油气润滑冷却加工部位，自动排屑，带接触式测量系统。

3.2 主要参数

主轴转速：20～2000rpm；工进：1～1000mm/min； 快进： 5～10m/min；主轴中心高度：1600～1800mm；主轴扭矩：300N·m；数控移动工作台(X轴)：行程 3500mm ；Y轴立柱上下行程：相对主轴中心高度±400mm；Z轴进给行程：500mm；X,Y,Z轴定位精度：0.03mm/全行程；X,Y,Z轴重复定位精度：0.015mm。

图8 主轴部件

4 垂直安定面的加工方法

(1)垂直安定面运至加工工位，人工安装哈夫式支撑吊具。

(2)将垂直安定面用吊具吊至吊装区域，并使吊具上的支撑球窝与三支撑一一对应安放，垂直安定面水平安放，右侧面朝下。

(3)使用激光跟踪仪测量垂直安定面的各个测量点。

(4)激光跟踪仪测量数据输入系统，调姿装置自动将垂直安定面姿态调整到正确位置。

(5)垂直安定面运至加工区域。

(6)对垂直安定面进行夹紧和支撑，操作过程中不得影响垂直安定面的姿态。

(7)测量、找正，使用卧式三坐标镗铣机床加工对接面，粗镗16个对接孔。

(8)加工钛合金接头上132-φ3.26H8 导孔。

(9)精镗对接孔。

(10)测量孔位孔径及端面特性。

(11)垂直安定面吊出。

5 结束语

该机床自投入使用以来，是国内首次利用国产专用机床进行垂直安定面精加工，克服了一般加工中心难以保证垂直安定面加工精度的问题。通过设计专用机床，将机床的三坐标单元设计在一侧，便于零件装夹，优化机床结构设计，提高机床加工精度。

根据用户要求先后对多批次产品进行加工实验， 测试结果表明各项性能指标都达到了目标要求，并达到稳定生产能力。从装配后的尾翼整体结构复合壁板测量数据分析，加工精度已达到国际先进水平，生产效率已接近国际先进水平，在国内技术处于领先水平。该技术的开发成功，具有很好的社会效益和良好的经济效益，填补了国内在该领域的空白。对于我国航空制造行业的技术进步，提高我国航空制造业的市场竞争力有着重要的意义。