并联机床在飞机结构件加工中的应用

　　新一代飞机的高性能、高质量、短周期和低成本研制要求，对制造技术尤其是结构件数控加工技术的发展提出了新的挑战。采用虚拟主轴的并联机床刚度重量比大、响应速度快、精度高、效率高，故在数控加工行业得到越来越多的关注。20世纪末，为了寻求适应飞机结构件的全新工艺方法和机床，德国某公司和空客公司合作开发了一种全新的满足高精度、高刚性、高效率、低成本的加工设备——虚拟轴五坐标高速卧式加工中心，2000年开始源源不断地提供给空客、波音等世界主要飞机生产厂家。本文重点介绍该德国公司采用SPRINT Z3万向高速主轴并联机床的工作原理及技术参数。由于SPRINT Z3万向高速主轴的使用，飞机结构件得到高速、高精度的加工，并获得完美的表面加工粗糙度。

　　设备介绍

　　并联机床又称虚拟轴机床，是并联机器人技术与机床结构技术相结合的产物，其原理为：在并联机构的动平台上安装主轴头，动平台带动主轴头实现多轴联动。并联机床与传统数控机床将形成很强的优势互补，尤其在复杂曲面精密加工上具有十分广阔的应用前景，是目前国际上并联机器人和先进制造领域的一个研究热点。
　　下面介绍该公司采用SPRINT Z3万向高速主轴的并联机床技术参数及其特点。

　　1 设备结构及参数
　　该型虚拟轴机床是一款带快速托盘交换装置的高性能五轴加工中心，设备由床身、立柱、龙门框、可交换工作台、万向高速主轴、刀库和控制系统等部分组成。机床采用专利设计SPRINT Z3虚拟主轴头，该主轴头包含在立柱内，可实现Y、Z、A及B轴的运动；而X轴的移动通过工作台运动实现，同时工作台的交换由2个可以旋转90°四工位的工作台交换站完成。各轴（线性轴和回转轴）加速度达到9.81m/s2，快速进给速度达到50 m/min，换刀速度1.8s，链式刀库设计。

　　主要技术参数如下：
　　·X轴最大行程： 1600mm；
　　·Y轴最大行程： 2500mm；
　　·Z轴最大行程： 670mm/370mm（主轴±40°时）；
　　·A轴摆角行程：±40°；
　　·B轴摆角行程：±40°；
　　·工作台尺寸： 1200mm× 1200mm；
　　·工作台交换时间： 10s；
　　·主轴最高转速： 30000r/min；
　　·快速移动速度： 50m/min；
　　·加速度： 9.81m/s^2；

　　·刀柄形式：HSK63A/80；
　　·刀库容量： 64把；
　　·主轴额定功率： 80kW；
　　·主轴最大扭矩： 46N·m；
　　·T型槽宽度×间距×条数： 22mm×125mm×7条。
　　数控机床主轴功率扭矩表如下图所示。

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　　2 SPRINT Z3万向高速主轴
　　该系列加工中心的主要特点是采用了突破性的SPRINT Z3型高速万向主轴。该主轴利用三杆并联机构，可以同时完成主轴头的直线和旋转运动。其工作原理为：在主轴外框的内壁上有120°均匀分布的轴向线性导轨，伺服电动机驱动导轨上的滑板前后移动，滑板通过板状连杆和万向铰链与主轴部件的壳体相连。如果3块滑板同步运动，则主轴部件做Z方向的前后直线移动；如果3块滑板不同步运动，就可以通过万向铰链使主轴部件沿A或B坐标在±40°范围内任意摆动。由于飞机机身一般采用薄壁零件，所以机床主轴Z坐标的运动行程控制在670mm以内，以提高主轴的静态和动态刚度。
　　传统主轴头的A/C、A/B摆角加工有许多弊端，如空间窄小，在很小的空间内要布置相应的机械传动和水、电、气的供应接口；采用摩擦离合器等构件刚性差、易磨损，特别是A/C、A/B摆动的加速度很低。SPRINT Z3主轴克服了这些弊端，最大的特点是刚性好、功率大（80kW），摆动轴的加速度可达1g，因此对速度的响应特别快，运动更加平稳，更适应连续角度变化的曲面加工。

　　3 并联机床的特性
　　传统机床是按笛卡尔坐标将沿3个坐标轴线的移动X、Y、Z和绕3个坐标轴线的转动A、B、C依次串联叠加，形成所需要的刀具运动轨迹。并联机床则是采用多种类型的杆机构在空间移转主轴部件，形成所需要的刀具运动轨迹的。并联机床具有结构简单紧凑、刚度高、动态性能好等优点，应用前景十分广阔。
　　并联机床采用圆柱形的主体结构；完成线形的自由移动，可实现直线加工或转变成万向摆动加工；最小的移动质量；最高的移动速度和加速度；最高的精度；适合绝大部分航空航天铝结构件的快速和高精度加工。快速移动50m/min；加速度达到9.81m/s2。而传统的A/B摆角或A/C摆角的机床，由于空间和旋转面联接的限制、通过旋转的摩擦面来传送，因此容易磨损，故障率高。
　　由于主轴的方向摆动是通过3个线性轴的运动实现的，而3个线性轴采用标准元件产品，结构简单，因而主轴的可靠性、精度和寿命得到很大程度的提高；摆角的范围加大而坐标的运动减少，因而加工效率高。另外，2台机床共用一个装夹交换站，可从降低成本、提高使用效率，是飞机铝合金结构件加工的专业化机床；排屑好、效率高，达到传统数控机床的2倍以上；适合加工薄壁整体壁板、整体框，能获得较低的表面粗糙度值。

　　典型应用

　　ECOSPEED F HT1000为五轴高速卧式加工中心，特别适合于加工尺寸规格为1000mm×1000mm的铝合金预拉伸板材类零件。下面以某型民机产品飞机结构件为例，从装夹定位方案、刀具及切削参数选用、加工程序编制及仿真等方面介绍该机床的应用情况。

　　1 装夹定位方案
　　装夹方式通常有2种：采用真空吸夹，适用于单面加工的零件；采用螺栓（沉孔）压紧，适用于双面加工的零件。为便于快速定位（拉直找正、确定原点），可在普通三坐标数控设备上加工出定位基准（如定位面、直角边、工艺孔等）。该设备有2个交换工作台，可在不停机的情况下提前做好下一个工装和零件的装夹准备，大大提高了设备的利用率。

　　2 刀具和切削参数
　　为充分冷却、延长刀具寿命，高速加工时宜采用内冷结构刀具，常用的有2种：整体合金内冷高速铣刀和机夹式内冷高速铣刀。机夹式内冷高速铣刀由刀体、刀片、紧固螺钉组成，常用于高速粗加工去除余量，刀具外径尺寸规格推荐系列：20mm、25mm、30mm、32mm、40mm、50mm，粗加工时尽量选用大直径的刀具。整体合金内冷高速铣刀常用于零件内外形的精加工，刀具外径尺寸规格推荐系列：10mm、12mm、16mm、20mm。为适应该设备的机械手、实现自动换刀，应选用HSK63A/80形式刀柄，其刀柄换刀卡槽结构尺寸与其他高速铣设备不同。
　　在高速旋转时，刀具的不平衡会对主轴系统产生附加的径向载荷，其大小与转速成平方关系，从而对刀具的安全性和加工质量带来不利的影响。因此，用于高速切削的铣刀必须经过动平衡测试，并应该达到规定的平衡质量等级，本设备对于高速铣刀不平衡质量要求达到G2.5级。
　　铣削时可以根据被加工材料、刀具、工件的结构特征选择主轴转速12000～28000r/min，加工进给7～15m/min。建议以大切深、径向分层切削为主，切削宽控制在3mm以内。

　　3 加工程序编制及仿真
　　并联高速机床编程除了要满足通用要求外，还要注意：
　　（1）避免刀具侧刃贴着零件侧壁进退刀；
　　（2）避免在零件内形锐角处直接进刀；
　　（3）除非预先制出进刀孔，不要把铣刀沿轴向切入毛料；
　　（4）进、退刀宏指令要仔细设好进给速度，避免极慢或极快的进退刀；
　　（5）五坐标加工时，在程序的开头和结尾都要插入所有转角归零程序段；
　　（6）对于进退刀宏指令不要赋予太多的功能；
　　（7）进刀速度选择：以接近机床的最大进给速度运行到距毛坯表面5～10mm，然后以加工速度的30％～50％切入毛坯；
　　（8）退刀速度选择：以正常加工速度运行2mm，使刀具离开毛坯，然后以接近机床的最大进给速度使刀具运行到安全区域。
　　虚拟主轴机床五轴开关始终是打开的，不允许手动加入，否则在自动换刀时会引起报警。程序头加入“FINISHING”精加工（控制机床加速度）语句，加工中FINISHING可以获得最佳的精度。
　　程序试切前必须经过VERICUT加工仿真，让“碰撞”发生在编程阶段，避免重大损失；还可实现程序优化，提高加工效率。

　　其他功能应用

　　1 转台
　　利用BT90°转台转定角可补偿摆角不足的加工。
　　2 测量探头
　　测量探头（RENISHAW）用于零件的快速拉直找正、确定坐标原点。
　　3 激光刀具管理和破损控制系统
　　激光刀具管理和破损控制系统（“BLUM”功能）用于刀具检测和破损控制，检测循环包括如下内容：校对程序、刀具破损控制、单刃监控、自动对刀具长度、直径调整。
　　需要注意的是，在检测开始之前，确定刀具已经移开工件，并且避免碰撞；然后可以接近定义的检测初始点。

　　结束语

　　并联机床在我国航空工业中的应用处于起步阶段，还有很多技术没有掌握，设备效率还不能得到高效发挥；此外，进口并联机床价格昂贵，而国产设备质量不过关。无论是设备制造，还是配套技术攻关，仍需进一步研究。