多主轴五轴加工中心设计

随着新能源汽车的发展，汽车车身采用整体式构件成为主流趋势。继特斯拉将车身后地板集成为整体式构件并采用一体化压铸技术进行制造后，国内各主机厂相继在汽车车身上采用整体式构件。车身后地板主要集成了后纵梁、轮罩、地板及座椅安装横梁，其零件及装配示意如图1所示。因车身后地板加工特征多、加工工序复杂，亟需研发适用于大型整体式复杂构件加工的高精度、高效率加工中心。

[图1 车身后地板零件及装配示意图]

优化加工中心加工效率的方法众多，以多主轴为主的结构设计在整体式复杂零件加工工程中得到广泛应用。相比于单主轴加工中心，多主轴加工中心具备多个铣削主轴头同时进行零件加工的功能，在一次装夹条件下能够以较少次数的角度转换完成绝大部分加工内容，从而提高加工效率与定位精度。国外多主轴联动加工中心(如GROB卧式机床)已实现工程应用，但难以适用于车身后地板等整体构件的加工，且价格昂贵、售后周期长。国内巨冈在多主轴加工中心研发中积极推动国产高端机床在汽车制造领域的进口替代，进行了多个版本的多主轴加工中心研发迭代，如图2所示。

[图2 多主轴加工中心迭代方案]

图2中第一代双主轴加工中心采用双主轴对侧布置，即两个主轴沿工件两侧相对布置，其主轴轴线对向射出。当工件左右对称且加工余量均匀分布于两侧时，对向布置可以实现较高的并行切削同步率。但当工件加工特征分布对称性较低时，将造成一侧主轴长时间处于空闲状态，主轴加工同步率降低。第二代设计方案将双主轴并排布置于工件同侧，使两个主轴在进行加工任务的同时，对工件同一侧的加工余量进行切除；此外，在主轴头部采用偏心摆头设计，使得两个主轴在工件同一侧具有重叠的刀具可达区域，从而缩小两个主轴箱贴紧时产生的刀具不可达死区。然而这种方案需要人工对加工工序进行精确的调整才能够提高双主轴的同步率，对加工工序编程与人力时间成本提出了更高要求，与提高生产效率的目标相悖。

本文结合前两代双主轴加工中心的结构特性，提出三主轴五轴联动加工中心设计方案：以三主轴作为该加工中心的设计重心，优化多主轴加工中心在车身后地板加工中的主轴加工效率与同步率。本文主要研究内容包括：三主轴加工中心整机设计、三主轴协同加工控制规划及基于三主轴虚拟加工的模拟仿真与验证。

1 三主轴加工中心整机设计

1.1 三主轴加工中心整体布局

第一代双主轴加工中心的双主轴对侧布置设计，具备刀具可达区域几乎覆盖整个工件、一次装夹可完成绝大部分工序的优点，但在加工非对称工件时同步率差、加工效率低。第二代双主轴加工中心的主轴并排布置设计能够高效加工非对称工件，但刀具可达范围较小且存在加工死区。由于前两代双主轴加工中心均采用卧式结构，在加工中表现出良好的整体刚性和稳定性；因此，本文设计的三主轴加工中心仍采用卧式结构，如图3所示。本文设计的加工中心结合前两代双主轴加工中心的设计经验，将其中两个主轴并排布置于工件同侧，将第三主轴布置于对侧，从而形成两并排+一对置的三主轴分布特点，如图3a)所示。图3a)中主轴箱的左右移动方向为X轴，滑座的上下移动方向为Y轴，主轴的进给移动方向为Z轴，配合承载工件的摇篮式双转轴工作台，从而通过线性与回转运动实现五轴联动。

两并排+一对置的设计相较于前两代方案具有多方面优势。在加工可达性上，并排双主轴继承了第二代方案在同侧加工的灵活性，避免了对向布置时因工件特征不对称而造成的主轴空闲问题，增加的对侧主轴进一步拓展了刀具的空间覆盖范围，能够有效处理主轴箱贴合区域产生的加工死区；因此，两并排+一对置布局使得工件对称与非对称特征均能得到合理分配，双主轴可在同侧实现协同切削，而第三主轴则可承担对侧的加工，从而提高主轴的切削同步率。在工艺柔性上，两并排+一对置布局为整体式复杂构件提供了更多组合加工方案，如通过并排双主轴对同一面高效去除余量，同时对侧主轴完成异向孔系、深腔或大角度面的加工，减少工件的重复装夹。

三主轴加工中心主轴箱采用箱体分级嵌套设计，其原理示意如图3b)所示。分级嵌套的箱体中，主轴、电机及其支承放置于内层箱体中，内层箱体再被一层或多层外箱包覆。通过多箱体嵌套结构实现热量传递路径的分级调控，从而抑制瞬态温升和减小空间温度梯度。

[图3 三主轴加工中心整体布局及主轴箱分级嵌套设计]

图3b)中内箱作为主轴、电机与外部结构之间的第一级热阻，局部吸收和均化热量以增大等温体积；外箱则作为第二级热屏蔽，减弱外界对流换热的干扰，从结构上一定程度抑制内箱产生的热变形。通过将原本单一的热传递路径分解为多级热阻与热容网络，从而减小空间温度梯度，由此减少铣削过程中带来的主轴前端与刀具中心的热位移，结构稳定性得到可靠保证，从而实质性提升机床的热几何稳定性与加工重复定位精度。

由于传统的大尺寸铸件存在凝固速度慢、表面容易出现渣孔等缺陷，所以加工中心床身采用更适配单件、小批量生产的焊接结构，这种结构可保证整机轻量化同时具有极高的刚性，不仅提高了加工中心整体的抗振性能和动态响应速度，还降低了能耗与驱动负荷，为三主轴五轴联动加工中心对大尺寸复杂零件的高精度、高效率加工提供了坚实的基础。

1.2 主轴双摆头偏心设计及主轴箱变形分析

双主轴并排布置使两个主轴箱在同一滑轨上协同工作。两个主轴箱距离过近时会出现加工死区，刀具无法抵达并切削死区内的加工余量。为此，本文将主轴摆头设计成偏心结构，如图4所示。

主轴双摆头通过轴线偏移使刀头可进入原本存在的死区进行加工，使刀具在加工整体式复杂构件时获得更大的可达空间，从而大幅度缩小主轴箱距离过近导致的加工死区，提高加工效率及加工同步率。相较于非偏心摆头主轴，采用偏心摆头的主轴在摆头旋转90°并沿X轴方向进行切削时，仅需更少的主轴悬伸量即可到达相同工位。图4中主轴轴线偏离C轴轴线125mm，相比于非偏心摆头主轴可缩短125mm的悬伸量，大幅提升加工刚性与表面质量。

主轴双摆头偏心设计在偏心摆头保持高刚性的前提下，兼顾了摆动灵活性与五轴联动的刀位可调性，使加工中心在车身后地板等多曲面、多角度特征加工中具备更高的效率与稳定性，可为整体式复杂构件的一次装夹全覆盖加工提供保障。

[图4 偏心结构主轴双摆头设计]

此外，本文加工中心采用自主研发的内藏式电主轴(转速为20000r/min，功率为22.4kW)，在恒温恒湿车间组装，保证电主轴工作可靠性和稳定性；同时为了改善高速加工机床的热特性，主轴采用强力高压、高效的冷却系统，使用温控循环水来冷却高速主轴。经过对主轴转速测试，主轴转速达到10000r/min时主轴加速时间为0.362s，减速时间为0.376s，搭配HSK-A63刀柄，可满足高速精密加工需求。

基于ANSYS Workbench软件对三主轴五轴联动加工中心的主轴箱进行静力学分析，软件设置如下：箱体铸件材料密度为7300kg/m³，弹性模量为1.43GPa，泊松比为0.27；其余零/部件的材料密度为7850kg/m³，弹性模量为2.00GPa，泊松比为0.29。鉴于主轴箱结构的对称性，仅考虑主轴箱体在Y轴中部与顶部、Z轴最大伸出状态下的变形。X、Y、Z三轴采用的直线电机细微结构在仿真中不利于网格的划分；因此，基于直线电机驱动原理，将静止状态下的直线电机简化为布置于主轴箱结构上的永磁体，对主轴产生固定数值的磁吸力。在上述结构条件配置下仅考虑电机永磁体的磁吸力与主轴箱结构重力的影响，主轴箱整体变形和等效应力云图如图5所示，主轴头完全悬伸时，其重量使主轴箱体产生微小弯曲变形，并带动主轴头向下倾斜，从而对加工精度产生一定影响。由于低头现象引起的误差变化，会使刀具切削深度不稳定，进而导致加工表面出现波痕或刀痕。为缩小主轴头完全悬伸时主轴箱滑座的弯曲变形，在采用高刚性材料制造主轴箱的同时，还需增加主轴箱壁厚，以提高其抗挠曲能力，抑制主轴箱滑座的弯曲变形，减少内箱下倾量。根据图5中主轴箱的变形，对主轴箱安装位置局部加固，使主轴箱在长时间高负载加工中保持良好刚度。

1.3 其他关键部件设计

1)摇篮轴设计。

为消除传统传动链中减速机构与齿隙带来的不利影响，实现高响应、高动态精度的五轴联动控制，摇篮轴采用力矩电机直接驱动，配合高精度光栅尺全闭环反馈系统，可以监测并修正摆动与回转轴的位置误差，确保刀具在复杂空间曲面加工中的轨迹精度。

2)驱动系统设计。

为实现大型整体式复杂构件的高效率、高精度加工，主轴需要快速移动、快速精确定位；因此，主轴采用直线电机直接驱动。该直驱进给系统具有传动误差小、定位精度高以及动态响应性能好等优点，可实现无背隙、高响应运动控制，移动速度可达120m/min。

2 三主轴协同加工控制规划

三主轴加工中心各主轴均能独立完成相应工序，车身后地板的加工工序数量在正反面存在显著差异，两并排+一对置的主轴设计完全契合一体式车身后地板加工的分区特点，因此将整个零件加工工艺分成3个独立加工区，分别由3个主轴执行。主轴偏心摆头设计通过改变主轴中心与摆动中心的相对位置，使刀尖在摆动时覆盖更大的空间，从而扩大加工范围，减少干涉，提高加工节拍；并通过运动学算法优化，确保三主轴联动时刀具路径无碰撞。

加工过程中，刀具系统一旦发生过载，机床搭载的西门子自适应与检测系统(Adaptive Control & Monitoring，ACM)会自动将进给率降低到可接受水平。该水平结合ACM的内部专家系统、切削力理论和实践经验预先确定，以保持刀具和工件材料的最大可行切削载荷。在条件允许的情况下，ACM再次提高进给率以获得最佳加工效率。ACM还会在加工过程中实时检测刀具破损和非正常切削状态，以减少报废，最大限度减少生产中断。