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大型和超大型工件的加工特点和难点

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  前几年中国市场对大型机床需求旺盛时,中国机床企业开发了一批龙门式或桥式数控镗和数控车铣复合加工中心等大、重型机床。其中规格比较大的有齐齐哈尔一厂、二厂的立车,二厂的镗杆直径320mm数控镗铣中心和重型数控,上海机床厂的扎辊、武汉重型机床厂早年的16米立车等等,市场的需求,推动并加快了中国大、重型机床的发展,发展成果显著。

  众所周知,大型和超大型工件的特点是尺寸大,尺寸从几米到几十米不等;重量很重,重量从几吨、几十吨到几百吨,这就要求机床具有足够的刚度和承载能力,要有足够的空间容纳工件,还要有足够的驱动和切削功率,加工刀具也要有相应的切削能力和寿命。所以,必须攻克这一整套的装备和技术才能完成这些大型、超大型零件的加工任务。

  国外在研发用于加工大型和超大型零件的设备方面的成果较多,进展也比我们快,特色机床更多,技术水平更高。下面,从德国《WB》杂志报道的相关信息中,有选择地简介几个欧洲企业加工有代表性的大型和超大型工件的方法和加工设备情况,仅供业界参考。

  超大规格传动装置壳体的加工

  在为制造船舶和风电设备等应用的大型齿轮传动装置壳体所提供的加工设备方面,德国Renk公司的声誉较好。他们制造了重达100吨、传递扭矩达350 kNm的标准系列的传动装置。由于传动齿轮是每个传动装置的核心部件,Renk公司自己生产齿轮。传动装置的壳体由上、下壳体两部分组成,而壳体本身就重达20吨,壳体也是自己加工制造。

  Renk公司加工的重达20吨的传动装置下壳体示例

  为这项任务,Renk公司用了2台能加工的工件尺寸为9m×3.8m×2m的大型加工中心,既承担平面铣削加工,还要预加工轴承孔,从粗加工到精整尺寸以及全部的孔加工。用这种方式,Renk节省很多准备时间。加工时间是一个重要因素,所以要充分利用好机床的生产能力。每台大型加工中心最近7年的平均使用时间有4,700h。加工一个传动装置的上、下壳体要花费30至50小时,因此,能节省每一分钟都是值得的。

  要提高加工超大型工件的效率,除了机床本身的性能好以外,切削性能良好的刀具也很重要。20多年来,Renk公司一直应用山高(SECO)刀具公司的刀具。在大型机床上应用了SECO公司的Double Octomill面,这个具有16个刀片的面铣刀,可提供的直径从63mm至500mm不等。大功率可转位刀片适合对各种不同材料的大型零件进行粗加工和精整加工。考虑到应用的灵活性,由高速钢(HSS)制成的中间夹紧孔和导向杆保证在大进给量时,16个可转位刀片都能很好的精确定位,每个刀片显示的成本都很低。Double Octomill面铣刀能以很高的速度进行切削加工,同时也降低了刀具成本。

  用这把刀具在铸铁箱体上进行的实际切削对比试验证明,加工大型铸铁箱体件的效果很好。刀片材料有很好的耐磨镀层,适合于高速切削加工。切削速度提高到350m/min时,功率指示表总是处于绿色区域。从振动和噪声的情况看,这个刀具可达到更高的切削速度,作为对比,这里用的切削速度是215m/min。

  试验记录表明,刀刃与工件的啮合时间减少了一半多,即由25.86min减为11.78min.,同时,切削量由1,209 cm3/min提高到2,268 cm3/min。对用户而言,加工速度的提高或切削效率的提高的直接好处是能明显降低加工成本。

  对比试验的另一个结果是,用以前的刀具加工,每个刀片只能加工半个工件,而用SECO的Double Octomill面铣刀,每把刀可加工5个工件。显然,刀具寿命提高了10倍。由此可见,Renk公司用他们的大型机床配备SECO的Double Octomill面铣刀的加工方案是成功的。

  直径达8,000mm环形零件的加工

  成长强劲的能源工业部门,近年来,在风力设备上特别需要应用环形零件;塔形结构件需要的法兰连接也需要直径8,000 mm的环形零件;同样,缆车吊箱和转子叶片最佳定位必需的大型旋转联接机构也少不了大型环形件。可是要找一台高生产率的加工大型环形零件的专用机床并不容易。由于实际市场容量并不大,人们往往只能选用一些现有的龙门结构的立车或立式铣削中心来加工。而西班牙的Ibarmia公司提出了一整套加工大型环形零件的特殊解决方案。因为很多用户都需要包括钻孔、铣削和车削等加工大型环形件的全套加工方案。下面就简介一下他们的方案。

西班牙Ibarmia公司切削加工一个直径6,500mm的环形件的一种加工方案

  Ibarmia公司把环形件安装在机床转台上,呈准确的自然水平位置进行加工,这样便于分度,可以用回转头或角镗头一个接一个地进行卧式孔加工。该公司制造高精度转台,用合适的同步电机直接驱动,并按需要选用滚动轴承转台或静压转台,这两种转台,都是通过1个高质量的大齿轮和2个小齿轮驱动,转台还配备一个通过海德汉的RCN空心轴同步发送机工作的直接测量系统,用于精确的回转控制。近20年来,Ibarmia公司开发了一系列适合用户需要,并满足不同工件夹紧的各种手动或自动定心的夹紧装置,其中就有灵活的快速找正的夹爪和支架。

  Ibarmia公司还集成一个包括刀具监控和管理的先进的控制系统。除了可以无人化生产外,需要时还能诊断刀具破损或工件损坏引起机床停机的时间。

  用可转位刀片的镗刀,在已知孔深的情况下,还要求用高压冷却液内冷却刀具。这不仅是散热必需的,而且也是借高压冷却液排出切屑的重要手段,以保证所要求的加工精度和质量。冷却液泵是用压力为20巴到60巴可调的电泵。为了防止高压冷却液流出和切屑伤人,加工空间密封是必要的。切屑和冷却液通过两级净化处理。

  Ibarmia的动立柱机床可标准配置SV系列的立式主轴头或SVK系列的立/卧自动转换主轴头。一个尺寸规格大的支柱,在转台一侧从外向内移动,可加工不同直径的环形零件。把强有力的主轴头安置在支柱前面进行孔加工。而配置SVK自动主轴头的方案,可进行立式和卧式孔加工,这对于一次装卡就能完成各种孔加工和其他加工来说是比较理想的配置。

  机床还可以配置两个加工单元,同时对工件进行加工。如FVV系列机床就配置两个立式主轴单元;FVK系列机床配置一个立式主轴单元和一个可用于立/卧加工的立/卧自动转换主轴单元;而FKK系列机床则带两个用于立/卧加工的立/卧自动转换主轴单元。在加工不对称孔的情况下,或者需要铣削加工时,机床可以用一个带有另一控制轴的十字滑座来扩展机床的功能。

  就机床结构而言,认为龙门式结构较好,加工几乎不受限制。所以他们开发了P系列和G系列不同龙门结构机床。P系列龙门结构机床可加工小直径至很大直径的环形件。转台位于横梁中间下方,横梁上可选配一个或两个可移动的立式主轴加工单元,并可同时用两个立式主轴加工单元加工,效率更高。如需卧式加工,则可按需要选配不同角度的镗头或卧式主轴头。在G系列龙门结构机床上,工件的径向定位不通过转台,而应用独有的线性轴,包括立柱在内的龙门架沿长度方向运动进行定位,其巨大的优点是除可加工大型环形件外,还可加工大型平板件。

  2011年新开发了一种专用于加工环形件的大型立车系列,在巨大的床身上装有一个静压转台,驱动功率为350 kW,可加工直径3,500mm以上的的工件,而且多种加工可在一台机床上完成。

  其实中国齐齐哈尔机床一厂和二厂生产的大型数控立车或数控立式车/铣加工中心都可加工环形类零件。武汉重型机床厂早年就生产了16m立车,满足了中国建设需要。这种大直径环形类零件平放在立车的工作台上,找正并卡紧后就可加工。也许国产机床的性能和加工效率还有待进一步改善和提高。

  大型圆柱类和圆筒类零件的内部加工

  大家知道,在普通车床上可以用单边夹紧的镗杆加工内轮廓和直径,在组合了振动阻尼结构后,也能实现大长径比(L/D)零件的有效加工。传统的加工方案表明,由于单边夹紧和在大管道内部加工时,刀具缺少支撑,发现在这种情况下,正是这个长径比(L/D)成了制约加工的重要因素。

  德国的Rottler机床制造公司与用户和技术合作伙伴一起,根据加工任务的要求,并优先考虑用户的生产条件,研究机床的结构方案和加工可行性。20多年来,应用新技术开发了各种用于圆柱孔和衬套轮廓及大型管件的内部加工和杆件材料的镗孔与扩孔的机床。

  ABD结构系列的孔加工机床是为在工件上组合加工直径2000 mm和长15000 mm的圆柱孔而开发的。在机床上用刀具固定和工件转动的方式进行加工。在迄今为止的机床上,稳定性和孔加工能力受限于回转中心到床身间的距离,中心架与床身联接不稳定、进给力通过不利的杠杆比传递到孔加工刀具上也是不可忽视的因素。为克服这些缺点,Rottler的ABD系列机床增加了一个上床身。这样,上床身部件可使中心架和回转支架的结构形式更紧凑,加工工件的外直径也大了。增加的成本可通过提高进给速度得到补偿。加工使用的新刀头装了新的可转位刀片,在加工内孔时,由专用的导板导引。

  由于能传递300 kN的进给力和400 kW的驱动功率,使切屑厚度可达70mm,并为可转位刀片的标准路劲和钻孔长度设定切削参数,使之不用换刀就能完成一次切削加工。用乳化液作为刀具和导向板的冷却润滑剂。

  用临界阻尼的静压导轨和一个在基座上的由4个滑枕滚柱支架组成的辅助支撑是考虑钻孔时突出的稳定性问题。由于刚度高,就不需要用动力镗杆导向支撑来加工导向孔或打中心孔了。在加工偏心孔时,对支架稳定性的影响很大,导致支架在基座上的固定联接松动,并要通过在床身上移动主轴箱来适应不同长度的工件加工。由此产生了一种全新的重型机床设计,这个系列的机床可以加工外直径达5,000 mm和长度达25,000 mm的工件。

  基于加工造纸机用的轧辊和滚筒等复杂的内轮廓对机床提出的特殊要求,Rottler公司开发了一种便于携带的专用车削加工单元,它也能适合现有的平床身车床,形成了Tabo结构系列钻镗床和便携式加工单元,加工范围覆盖内直径1,200 mm、长12,000 mm的轧辊、滚筒和圆柱体类工件,能按需要自由编程加工它们的内轮廓。

用于实体直接钻孔700mm直径的Botek typ 43型深孔加工刀具

  以后又在ABD结构系列部件基础上,开发了TFB结构系列深孔加工机床,用于加工直径150 mm至1,800 mm和长度达15,000 mm的工件。这种TFB机床适合用BTA深孔加工方式(即用高压切削液使切屑从空心钻杆内排出的方式)或Ejector方式(即用高压气体使切屑从空心钻杆内排出的方式)进行孔加工。用TFB结构系列机床也能以工件和刀具都同时回转的方式进行孔加工,由此会使加工的孔获得尽可能高的同轴度。

  后来,又因大型专用油缸制造商Hilfrich公司提出的要在短期内能用圆柱材料加工直径700 mm的镗孔要求,Rottler公司大约经过15个月研发制造,世界上第一台用实体钻孔的方法钻削直径700 mm的深空加工机床2012年已交付用户使用了。经过两个驱动单元最大产生200 kN的进给力。按计划的加工任务要求,在4级主轴箱上的驱动功率308 kW,而在刀具上的2级驱动功率为130 kW。用于直径700 mm实体钻孔的深孔加工刀具如所示。

  通过强力夹紧的主轴,经由4个夹爪的机床花盘把最大132,000 Nm的扭矩传递到工件上,4个刀具支架和3个工件支架分别支撑着钻杆和工件。

  必要的备件有钻孔供油装置、钻杆和钻头等。不同的钻孔直径需要相应直径的钻头和钻杆,用工件转动和刀具固定的方式实体钻削Ø700 mm的孔,需要290 kW的驱动功率,每小时加工的切屑有1,900 kg,同时要用切削冷却油通过钻杆和钻头直接喷向切削刃,以冷却刀具和排除切屑。可见,加工的效率还是很高的,当然需要的机床功率也很大,其中,解决断屑和及时排除如此大量的切屑也非易事,所以,加工难度不小。

  大规格超精密机床DIXI 210

DMG森精机超精密机床DIXI 210

  DMG森精机研发的产品中,大规格超精密机床DIXI 210当属目前世界上独有的最新、规格最大、技术水平最高的超精密加工机床。它结合了瑞士的精密加工传统以及手工技艺和德国工程技术人员认真的制造工艺。这是一台高档的龙门结构机床,制造的很完美。为了达到尽可能高的刚性和稳定性,龙门结构采用3点支撑,即用3个由GGG60材料制成的铸件块来支撑。这为在强力铣削加工时达到最好的精密度和尽可能大的功率值奠定了基础。数据表示,用DIXI 210超精密机床,只要多一点夹紧,就可以加工直径达2,500 mm、高1,250 mm以及最重8,000 kg的工件,既可以高效率进行粗加工,也可以高动态(0.6g)、快速进给(60mm/min)进行精整加工,体积精度<35µm。主轴采用不同的大功率电主轴,最大功率为114 kW。同样也可以选用1,550 Nm和最高转速6,300 r/min的电机驱动主轴。这么大的机床,精密度是真正的拿手技艺,只有通过有经验的DIXI员工的手工刮研500多小时后,才能达到精密度规定的接触面平整度、直线度和垂直度的要求,在所有直线坐标和回转坐标的共同高精度作用下,最终才能在工件上达到最小的形位误差。

  用户在以后的使用过程中不丢失精度,其中之一是要注意控制所有发热部件的冷却问题。此外,机床安装后要全部进行三维尺寸的测量,有时还要进行精确的调整,既要注意局部的热膨胀,也要关注空间精度和环境温度梯度。

  总之,世界主要机床制造大国,大、重型机床创新成果很多,中国机床工快速发展中,大、重型机床的成果也很突出,不必多说。以上介绍涉及的大型和超大型工件的加工设备,中国的机床工业几乎都能提供。近年来,中国风电工业的强劲发展以及航空、航天和国防军工技术的发展成果,都是很好的例证。我想,现在中国机床行业完全有能力解决这类零件的加工问题。