加工航空钛合金零件的摆动头开发与应用

秦建宏，姚 瑶，李云霞，刘亚峰，张霞妹

（秦川机床工具集团股份公司，陕西 宝鸡721009）

1 开发背景

航空零件（如：发动机叶片、机匣等）需要加工的型面（或区域）比较复杂，表面质量要求较高，一直是五轴数控机床拓展应用的重要领域。作为五轴数控机床关键部件的摆动头，正是实现五轴加工能力的关键技术所在，也是制约机床能否进入高端装备领域的重要因素。

航空零件大多为钛合金材料，切削性能不好，表现为：切屑粘性大，不易脱落；导热系数小，切削温度高；剪切应力高；冷硬现象严重，加速刀具磨损等[1]。这些特点要求摆动头具有较高的刚性和加工扭矩，由于转速要求不高，比较适合机械式摆动头。而市场上的摆动头多为力矩电机驱动的电主轴结构，加工扭矩小，刚性差，并不适合钛合金零件加工。

机械式摆动头因结构复杂、体积大、成本高，只用在一些特殊场景，大都是机床企业按照用户要求特殊定制生产。机械式摆动头主要形式为A（B）+C的双摆结构，能够在镗铣类机床上实现五轴加工功能[2]。

我公司的车铣复合加工中心刚性好，本身带有C轴功能，对于实现五轴加工功能有着天然的优势，只需增加一个机械式单摆结构A（B）就可以实现五轴数控功能。这可以大大降低机械式摆动头的设计开发难度，有利于提高开发应用的成功率。开发机械式单摆头（以下简称单摆头）可以增强车铣复合加工中心的五轴数控功能，能使机床上升为高端加工装备，进入到五轴技术应用广泛的航空零件加工领域。

2 技术方案

2.1 总体布局

单摆头整体采用叉形结构，由一个加工主轴和一个伺服摆动轴组成。加工主轴位于叉形内部，和摆动机构相连。摆动机构位于叉形的一侧，由伺服电机驱动，通过皮带及齿轮转换，带动加工主轴在一定范围内摆动。加工主轴动力来自于机床主轴，机床主轴电机与减速机构直连，通过长联轴器将动力传递到单摆头上端，经由叉形另一侧的齿轮转换机构传递动力到主轴，实现加工主轴铣削加工[3]（总体布局如图1所示）。

图1 总体布局图

2.2 技术参数确定

钛合金切削计算

设定铣刀：φ10 mm双刃，按照60 m/min线速度精加工，计算铣削主轴转速为：

n=60 × 1000/π/10=1 910 r/min

设定铣刀：φ10 mm双刃，按照50 m/min线速度粗加工，每齿进给0.5 mm，切深1.5 mm，铣削宽度10 mm，计算主切削力为1 154 N；

设定刀具长度200mm，刀尖距离转轴270+200＝470 mm，计算切削力矩为1154×470/1000＝542 N·m；

由上述计算数据结合其他摆动头的相关数据，确定开发单摆头主要参数如下：

主轴最高转速3 000 r/min，主轴扭矩1 200 N·m，摆轴扭矩 2 800 N·m，摆动范围-100°～+100°（立式安装，垂直位置为 0°）。

3 结构设计

叉形体壳是单摆头零件安装的基座，是保证单摆头整体刚性的基础，采用平衡对称的箱式结构。体壳也作为油底壳使用，维持着叉形两侧的温度平衡。体壳也是各种接头、管线的集散地，集成度很高。

3.1 摆动机构设计

摆动机构是单摆头中重要组成部分，控制加工主轴的运动姿态，是数控功能的核心单元。为确保加工主轴的良好工作状态，就必须达到以下要求：具有较大的摆动扭矩，以抗衡切削时的抗力；具有较高的刚性，能平稳工作；具有可靠的消隙机构，能进行伺服控制；具有位置检测功能及限位保护措施，能参与数控联动；具有任意位置锁紧功能，满足特殊情况使用等。

单摆头上使用的伺服电机体积不大，限制了输出扭矩。为获得较大的扭矩输出，由一级皮带传动和三级齿轮传动相组合，在摆动轴上实现了大减速比，输出扭矩为：7.6×380.25＝2889.9 N·m.两组对称布置的三级齿轮传动分别作用在输入轴的左右齿面，形成可靠的消隙功能[4]。摆动轴上设置一组液压夹紧装置，能在任意位置实现摆动轴锁紧。摆动轴端装有绝对式角度编码器，设置软极限控制摆动的范围。齿轮轴系使用了锥面滚子轴承，摆动轴使用了交叉滚子轴承，全方位保证了单摆头具有稳定的刚性（摆动机构轴系布置如图2所示）。

图2 摆动机构轴系布置图

3.2 主轴传动设计

加工主轴是单摆头中的铣削功能执行机构。机床主轴与单摆头连接后，其动力通过传送端的两组锥面齿轮和两组平行齿轮传动机构，将动力传递到加工主轴，完成铣削加工功能，传动比1∶1，最大扭矩1 200 N·m.为能确保传动系统在高速下稳定运行，每个齿轮都要有充足的润滑，尤其是两组锥齿轮（主轴传动结构如图3所示）。

图3 主轴传动结构图

为防止油温急剧升高，影响到主轴的精度，特别设置一套润滑油冷却系统，将油温控制在一定范围内。油底壳中的热油经由系统外置的油泵抽出，进入油冷机降温，后随着进油润滑管路对各零件进行润滑，回到单摆头中。循环流动的冷却润滑油使得单摆头在一定油温范围内正常工作（润滑油冷却布置如图4所示）。

图4 润滑油冷却布置图

加工主轴配置BT50刀柄，集成了自动松拉刀机构，采用可靠的碟簧拉刀、液压松刀机构，最大拉刀力18 kN，松刀力33 kN.针对钛合金加工材料，加工主轴也配备了中心刀具冷却组件和外部工件冷却喷头，方便零件加工的水冷需求。主轴轴承选用高精度高刚性的专用轴承，采用脂润滑，并配备了气密封结构，防止外界的冷却水、切屑等其他杂质进入主轴内部。单摆头内部所有介质之间或界面部分全都采用可靠密封措施。

3.3 辅助结构设计

单摆头使用了冷却水（内冷外冷单独分开控制），密封吹气，夹紧油路，打刀油路等介质，也就必须为这些介质提供相应的独立管路。该单摆头设置管路如下：

（1）刀具中心冷却（或吹气）管路：给刀具提供冷却，防止换刀时异物进入主轴。（2）刀具外部冷却管路：给工件提供外部冷却。（3）密封吹气管路（内部一分二）：分别作用在前后端轴承，防止异物、杂质进入摆头内部。

（4）摆头夹紧油路：使得摆头在任意位置锁紧。（5）主轴松刀油路：完成打刀功能。

（6）进油润滑油路：给摆头提供经过冷却的润滑油液。

（7）热油循环管路：确保摆动机构的润滑，维持两侧的温度平衡。

（8）回油冷却管路：将单摆头内热油排出。

3.4 接口设计

（1）单摆头与机床主轴机械直连，键销定位，确保连接牢固可靠。

（2）单摆头与机床主轴间使用了液压、气动及电气自动接插件。

4 在数控机床上的应用

该单摆头是为我公司承担的某项国家重大专项而开发的关键附件，主要用于加工航空钛合金零件。主机为某型号车铣复合加工中心，刚性好，适合于钛合金零件加工。其具有三个直线轴（X、Y、Z轴）和一个回转轴（C轴）。机床主轴连接该单摆头后，系统增加了B轴，使得机床在硬件上具有了五轴基础，结合高档五轴数控系统，形成标准的五轴数控机床（单摆头在主机上安装如图5所示）。

图5 单摆头在主机安装图

单摆头是在机床上进行的联调。在主轴运转之前，先要调整好各种介质管路正常工作，润滑油冷却回路运转正常后才开启主轴试车。主轴在最高转速3 000 r/min运行一段时间，摆动头运行平稳，无异响。摆动头-100°～+100°范围内摆动自如，无干涉卡滞现象。任意位置锁紧试验达到要求。其余的各项技术指标基本达到了设计要求。单摆头通过了标准件试切件、NAS试切件的试切验证，达到了机床的设计要求（单摆头试切工件如图6所示）。

图6 单摆头试切工件

5 结束语

单摆头是集成度很高的机床主轴功能部件，在有限的空间内整合应用了机械、液压、电气、测量等设计技术。既要协同工作，又要避免相互干扰，稳定可靠地实现设计目标及各项指标。本次设计开发前期做了大量的预研工作，方案设计阶段历经多次评审得以优化，制造装配过程顺利进行，没有出现致命的问题。机床联调阶段出现了漏油现象，引起了我们对密封的关注，几经周折找到了原因，问题得以解决。除了技术集成，还有摩擦副的选材设计，主轴拉爪的极限应用等等都提高了认识。后续可以对单摆头的安装接口重新优化，并结合用户的反馈信息，将单摆头做成通用的功能部件，应用在大部分的车铣复合加工设备上，将机床的应用水平提高到一个新的台阶。