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用于航空发动机外壳制造的高精度、高刚度和高效率的五轴机床的设计和开发

摘要

为满足现代航空工业对航空发动机壳体的加工要求，研究了高精度、高刚度、高效率的五轴机床在设计和开发过程中的三个主要问题，包括整体结构设计、关键部件设计、支撑刚度设计等。首先，考虑航空发动机壳体的加工特性，确定合适的五轴机床结构。然后，设计出具有足够驱动能力和刚度的双驱动回转头和紧凑型电动主轴，并详细给出了相关的结构、装配方法、冷却技术和性能仿真。接下来，通过主轴端部变形预测，提出一种支撑导轨刚度的设计方法。基于上述工作，研制了机床样机，并进行了一些实验，包括回转头和电动主轴的性能测试，以及航空发动机壳体模拟工件的加工。所有实验结果表明，该机床具有令人满意的精度、刚度和效率，满足了航空发动机壳体的加工要求。主要工作可以作为工程师和技术人员的参考，在实践中是有意义的。

关键词：航空发动机外壳制造；紧凑型电动主轴；双驱动回转头；五轴机床；支撑刚度

1. 引言

机床被认为是工业中最重要的设备之一（称为'机器之母'），^【1】五轴机床一般用于完成复杂零件的加工，^【2】它在许多关键领域发挥着非常重要的作用，例如航空，航天，汽车，航运和能源。随着制造业的快速发展，大量新的加工技术、材料、结构逐渐被应用，导致高性能五轴机床的需求迅速增加。同时，作为智能工厂的基本单元，机床的实际性能直接影响整个制造系统的性能。因此，对机床进行调查具有重要意义。

更高的精度和效率一直是机床领域的发展目标，研究人员进行了一些相关的有效研究。例如，几何误差建模、识别和补偿，^【3~^5】热误差预测和补偿，^【6~^7】颤振检测和抑制，^【8~^9】刀具磨损监测和预测，^【10~^11】主轴精度测量，^【12~^13】轮廓和跟踪控制，^【14】混合/并联机床控制^【15~^18】应用直驱（DD）技术，^【19】复杂零件的刀具路径规划，^【20】和加工过程中的界面损坏。^【21】在所有研究中，机床的设计和开发^【22~^23】可以被认为是必不可少的问题，这为其他后续研究提供了一个平台，如校准，控制，检测和处理技术。机床的设计和开发并不容易，尤其是性能令人满意的五轴机床，这是一个系统的过程，需要很长的时间，大量的实践和多领域的知识。

结构确定是五轴机床设计开发过程中的首要任务，不仅要满足加工要求，还要带来更好的初始性能。接下来，需要考虑关键部件和参数，例如回转头，主轴和支撑刚度。最后，对关键部件和整机进行全面试验。但是，由于商业竞争，大多数高档五轴机床只给出标称技术参数，如运动轴的精度和主轴的旋转速度，设计细节一般不公开，包括具体结构、装配方法、实际实验数据等。因此，工程师和技术人员在设计高级五轴机床时缺乏有效的参考。

为满足现代航空工业对航空发动机壳体的加工要求，设计研制了高精度、高刚度、高效率的五轴机床，研究了整体结构设计、关键零部件设计、支撑刚度设计三个主要问题。首先通过分析航空发动机壳体的加工特性来确定机床的适当结构。然后，分别描述了双驱动回转头和紧凑型电动主轴的设计细节。接下来，通过主轴端部变形预测完成导轨的支撑刚度设计。最后，通过一系列实验验证了五轴机床的性能。预计上述工作可以为工程师技术人员在实践中提供参考。

本文的其余部分组织如下：第2部分确定机床的整个结构;第3部分介绍了回转头和电动主轴的设计细节;第4部分完成导向的支撑刚度设计;第5部分进行实验;第6节阐述了结论。

2.机床整体结构设计

壳体是航空发动机的核心部件，其加工质量极大地影响了航空发动机的性能、油耗和使用寿命。典型的航空发动机外壳是具有薄壁的大型旋转部件，如图1所示。航空发动机壳体的直径和壁厚一般分别为600~800mm和1.5~3mm，同时，航空发动机壳体的材料难以加工，^【24】如不锈钢和钛合金。沿圆周方向分布的凸台（或岛）是航空发动机外壳的主要形状特征，要求精度高。由于凸台平面与参考平面之间的角度，航空发动机外壳制造不易，需要五轴加工设备才能完成。

图1 典型的航空发动机外壳

而且，由于现代航空工业的高生产率要求，有必要在保证高精度的同时提高加工效率。为了满足航空发动机壳体的制造要求，需要设计和开发一种精度高、刚度高、效率高的五轴机床。除了传统的平移轴外，还需要使机床具有两个旋转轴，以完成航空发动机外壳的加工。五轴机床有两种旋转轴组合，即RR型和RR′型。RR型代表具有两个旋转轴的集成摆动头或工作台，如图2所示。对于集成式摆头，加工分布式凸台时平移轴的加工路线较长，从而降低了效率。对于集成工作台，考虑到结构干扰，A轴的旋转范围受到限制，A轴的性能受航空发动机外壳可变重力矩的严重影响。

图2 RR 型

与RR型相比，RR′型是指摆动头和转台是分开的，如图3所示，其中工作台可以实现360度的旋转，实现加工过程中凸台的快速定位。此外，由于航空发动机外壳的重力矩几乎不变，因此旋转台的性能很容易保证。图3（a）和（b）之间的区别在于摆动头，即垂直结构和水平结构。水平结构可以保证切削刀具轴线垂直于凸台平台，在加工套管孔和键槽时比垂直结构更方便。实际上，通过设计足够的摆动头的摆动范围（即ge;90°），水平结构可以转换为垂直结构，如图3（b）所示。

图3 RR′型

基于以上分析，图3（b）是最合适的结构，采用该结构，设计了用于航空发动机壳体制造的五轴机床，如图4所示。五个运动轴定义为X′，Y，Z，A，B′，机床的主要优点可以描述如下：

图4 机床整体结构

1)刚度高：由于两个旋转轴分离，结构尺寸链条相对较短，有利于提高刚度;

2)精度高：航空发动机壳体的加工精度由回转头和旋转工作台分别控制，可减少误差累积和联轴器;

3)效率高：回转头全行程无死点，每个凸台的定位可通过转台快速完成，带来极高的加工效率。

此外，根据一些航空发动机制造企业的详细要求，确定了五轴机床的基本技术参数，如表1所示。

表1 五轴机床基本技术参数

回转头、主轴、转台和平移轴（即滚珠丝杠驱动系统）是机床的核心部件。需要指出的是，转台和滚珠丝杠驱动系统比其他零件相对成熟，有一些产品可以直接选择，因此，回转头和主轴是本研究的主要重点。

3. 回转头和电动主轴

由于航空发动机壳体的材料难以加工，因此回转头和主轴必须具有很强的驱动能力和高刚度。此外，应使用直接驱动技术来达到摆动头（即60（°）/s）和主轴（即8000 r/min）的高速。在本节中，双驱动回转头和紧凑型电动主轴旨在满足这些要求。

3.1. 双驱动摆头

回转头的整个结构如图5所示，它由两个力矩电机，一个径向光栅，两个滚子轴承，两个气动制动夹具和一个横轴组成。与传统的一个驱动电机的摆头相比，这种结构在主轴的中心平面上是严格对称的，这带来了两个主要优点，即：

图5 双驱动摆动头整体结构

1）双力矩电机的对称结构满足加工难切削材料时驱动能力大的要求，也实现了热负荷的对称性;

2）支撑力和夹紧力均围绕主轴中心平面对称，提高了主轴的支撑刚度，也降低了不平衡力对精度的影响。<!--

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