QK63-350CNC三旋轮数控旋压机的研制

QK63-350CNC 三旋轮数控旋压机的研制
高振杰陈占民赵中祺孙陆马世成郭全江
中国兵器工业第五五研究所 130012
摘要: 本文通过对国内外三旋轮旋压机的研究对比,确定了QK63-350CNC三旋轮数控旋压机的总体设计思路、性能、技术参数、主要结构特点及达到的
精度指标。

关键词:数控旋压机三旋轮伺服控制刚度特点
1.机床描述
1.1 QK63-350CNC三旋轮数控旋压机是我所研制的计算机伺服控制旋压机(见图1)。

采用闭式整体框架结构，具有错距功能。

以加工筒形件为主，也可以兼顾小锥角锥形件、小锥角曲母线形零件及复合型零件的旋压加工；可以加工等壁厚、阶梯形零件。

1.2该旋压机属中型强力旋压机。

纵向旋压力为350KN，横向旋压力240KN；最大加工直径φ530mm，最大长度正旋1500mm，反旋2100mm；工件壁厚差可达
0.03mm。

1.3该旋压机横向采用电液伺服闭环控制。

其进给机构采用进口电液伺服阀及放大器、伺服油缸、光栅尺检测构成闭环控制系统。

其中三个旋轮呈120º分布，对中性能好。

横向伺服油缸采用低摩擦的洪格尔密封元件，伺服性能好。

根据油缸中心线与旋轮受力点距离进行优化设计，使横向滑体承受的颠覆力矩极小，基本上只受均布载荷作用，提高了横向系统的刚度。

1.4纵向进给系统由西门子伺服电机、编码器、美国BAYSIDE内藏式行星减速器、滚珠丝杠、旋轮座体构成半闭环控制系统。

该系统采用φ160mm重型滚珠丝杠、
大扭矩减速器，丝杠支承座内三个轴承全部采用德国FAG产品,系统刚性很高。

通过对滚珠丝杠螺距误差的补偿及反向间隙补偿，提高了纵向进给系统的精度。

机床控制框图如下:
1.5控制系统采用德国西门子840C数控系统。

实现4轴闭环控制。

系统采用内装PLC，通过分布式输入/输出设备,实现开关量的采集和控制。

系统的操作采用友好的人机界面，应用超薄的TFT彩色监视器，所有的机床参数、实时信息、报警文本等都可以显示。

字母、数字、功能键可用于编程及设置。

加工程序、子程序、零点偏置等通过操作面板上的按键输入，操作支持则通过软件及菜单实现。

位置检测采用光栅尺和编码器，分辨率达0.001mm。

控制系统持续不断的对NC、接口控制器和机床的故障进行监控，当故障发生时首先中断加工过程，停止驱动，故障原因通过报警信息显示出来，排除故障后方可运行。

系统可存储螺距误差的补偿量，补偿因机械系统位置产生的误差，机械反向间隙的补偿量可达0.233mm。

在采用全闭环和半闭环位置控制和速度环控制的前提下，采取提高检测的分辨率以及调节放大器PID参数,在保证系统稳定的条件下，提高系统的控制精度。

2.机床主要技术参数
3.总体设计思路
QK63-350CNC三旋轮数控旋压机的总体设计思路是基于我们对用户所提出的要求,及所加工零件的形状、尺寸、材料、工艺要求的理解;吸取了LEIFILD 公司St56-90和BOKO公司3D65旋压机的优点;遵循并继承了我所二十年来旋压机的设计经验特别是经验证的成果而完成的。

4.机床主要结构特点
4.1核心部件旋轮座拖板参考了BOKO公司3D65旋压机的装配形式。

为了提高旋轮座拖板的刚度，增加稳定性，减小导轨比压，该拖板导轨总接触长度达到2800mm，为同类产品的1.5倍左右(St56-90为1900mm、上海HO18为1700mm)。

为方便铸造和加工，该拖板采用三体装配形式。

装配螺钉及接触面的强度、刚度都进行了充分计算，有较大的安全系数。

为防止爬行，拖板导轨面采取了贴塑措施，并配以良好的润滑。

4.2尾顶系统与其它同类产品有不同之处。

即尾顶在旋轮座拖板上移动。

这是综合考虑了纵向传动系统结构尺寸、为减小拖板的颠覆力矩而将纵向传动丝杠中心线上移及其它部件结构尺寸等因素而确定的。

将尾顶移动导轨设置在旋轮座拖板上，可使纵向进给系统和尾顶有各自的传动系统。

尾顶设置双油缸结构即尾顶油缸和尾顶座油缸，尾顶的移动依靠固定在床身尾部的尾顶座油缸驱动。

加工时根据不同的工件长度调整尾顶的位置（不在自动循环程序之内），然后尾顶油缸顶紧工件。

这种结构扩大了工件长度加工范围，结构紧凑，尾顶不承受颠覆力矩作用，增大了系统刚性。

4.3横向进给系统的每个旋轮各有一套伺服油缸驱动,油缸活塞杆推动横向滑体运动,缸体固定。

此点不同于LEIFILD公司的同类产品。

其优点是油缸与滑体分离,使加工工艺性大大改善,提高了伺服油缸的精度,而且从伺服阀到油缸为硬管连接,提高了伺服性能。

横向滑体截面为320×320mm的矩形，直接安装在旋轮座拖板的横向导轨内，用整体压板固定。

通过对径向力、轴向力及切向力的分析，合理安排旋轮受力点与油缸中心线的位置，最大程度的减小颠覆力矩，提高了横向系统的刚性。

横向导轨底面采用镶铜合金工艺，通过改变摩擦副，有效地防止导轨面撕伤，减小磨损，提高使用寿命。

4.4旋轮与轴的配合有两种:一是圆柱配合形式,其特点是易于制造。

但由于其有过盈量故装卸困难，而且不适于承受过大的扭矩。

二是圆锥面配合形式，它消除了旋轮孔和轴之间的配合间隙，精度较高，但需采用配磨方法保证。

由于旋轮种类和数量较多,给旋轮的加工带来一定困难。

为了更好的解决旋轮加工和装卸等问题，该设备旋轮头采取了如下结构:
旋轮轴轴头为圆锥形，锥度1:12。

旋轮孔为圆柱形，在旋轮和旋轮轴轴头间增加一个过渡套，过渡套内孔为锥度1:12的锥孔，与轴头配合；外圆为圆柱形，与旋轮孔配合。

当拧紧旋轮固定螺钉时,旋轮通过轴间带动过渡套向旋
轮轴轴头大端移动,使过渡套涨紧,保证了旋轮与旋轮轴的连结。

该结构使旋轮加工方便，装卸容易，并且能承受较大扭矩。

为了减小旋轮退让,在旋轮前部增加一个辅助支承。

经计算，该辅助支承有效的减小了旋轮前轴承的负荷。

4.5 床身采用整体铸造。

主导轨采用整体镶钢结构，其硬度为HRC45，有较高的耐磨性。

用螺钉与床身连结，导轨安装后整体磨削，直线度达到0.02mm/m、0.03mm/全长。

4.6主轴调速采用西门子交流调速系统,实现6～600r/min无级调速，与齿轮变速联合，有效的扩大了恒功率范围。

主轴轴系轴承全部选用德国FAG产品。

箱体和床身之间的方键通过精密刮研配合，具有良好的接触刚度。

4.7 设备配有卸料油缸和卸料叉，用于满足正、反旋工件的卸料。

4.8设备配有台湾产YET-D双调钮型电动注油机,完成整机的集中润滑。

其间歇和润滑时间都可自由设定，充分满足润滑要求。

5.设备检测精度
我所研制的QK63-350CNC三旋轮数控旋压机的上述结构及控制,经测试与验证,达到了很高的精度指标。

经吉林省计量科学研究院测试,机床主要精度指标如下:
横向定位精度:0.015mm;重复定位精度:0.010mm
纵向定位精度:0.015mm;重复定位精度:0.006mm
主轴径向跳动:0.010mm;主轴端面跳动:0.010mm
6.结论
6.1 该三旋轮数控旋压机成功采用了德国西门子840C控制系统,控制三个横向及纵向4个轴的伺服系统,提高了旋压机的精度,并大大方便了操作。

6.2 在设备设计和研制过程中,始终把提高机床刚度放在首要位置。

特别是经过详细的受力分析、合理布置新的机构后,使机床刚度大幅度提高,保证了机床运动的平稳性,提高了旋压制品的精度。

用户认为该旋压机的刚度、精度、稳定性达到了BOKO公司3D65旋压机水平。

6.3 该设备的研制成功,为航天、航空、兵器等制造行业提供了必要的加工手段。

参加该设备研制的人员有:张文义贾建才姜彩霞张锐侯丰岩李静兰。