H124數控深孔內圓磨床的研發與應用
2021-12-14 來源：上海機床廠有限公司 作者：-
一、概述
起落架是大飛機的核心部件，此領域的供應商主要有法國Safran公司、美國GoodRich公司和德國Liebherr公司。起落架中長徑比零件的內孔精密磨削設備長期以來一直被國外壟斷，且進口價格昂貴。由于起落架可靠度對于國產大飛機整體性能和使用安全具有重要影響，關系著國家重要戰略目標國產大飛機成功研制目標的實現。
飛機起落架是飛機起飛和著陸的主要承力構件，在飛機著陸及滑行過程中它吸收和耗散與地面形成的沖擊能量。現代大型飛機起落架主要由前、主起落架活塞桿、外筒、輪軸等大長徑比深孔零件組成，其內徑和孔深之比可達1:10，且材料多為超高強度鋼或鈦合金整體鍛造，內孔表面經過HVOF涂層處理。為了提升飛機的整體性能，這些零件均需要進行深孔精密加工，如果最后的加工工序采用傳統的車削、鏜孔技術來完成，則存在很大的困難，尺寸精度、表面粗糙度（特別是過渡圓角和轉接R處）等方面得不到保證，需要增加精密磨削加工工序，以此來保證零件的加工質量和確保內孔加工表面的完整性。
研制具有自主知識產權、滿足大型飛機起落架等大長徑比深孔零件精密加工要求的數控深孔內圓磨床，對于提高大型飛機關鍵部件的國內自主配套能力，發展我國民用大型客機和軍用大型運輸機有著顯著的經濟效益和社會效益，對于我國航空航天事業建設具有十分重要的戰略意義。
目前國內從事數控深孔內圓磨床研發和生產的單位僅有上海機床廠有限公司一家，國外制造該種機床的企業有西班牙DANOBAT、意大利AZ Spa、意大利MORARA、日本NISSIN等。其主要加工范圍如表1所示：
表 1
H124數控深孔內圓磨床，是上海機床廠有限公司為滿足國內航空航天、軌道交通等領域的發展需求，在我公司早期開發的手動深孔內圓磨床的基礎上，持續進行多項技術創新，自主研發制造的新成果。該成果應用了多項發明和實用新型專利，其主要技術指標保持國內領先，達到國際先進水平。該項目的研制成功，不僅提升了我國此類數控高端裝備的水平，也打破了國外對該機床的壟斷和封鎖，為企業開拓了新的產品市場，同時取得了良好的經濟和社會效益。
圖1 H124數控深孔內圓磨床外觀圖
二、產品性能介紹
H124數控深孔內圓磨床集成了高剛性深孔磨頭設計與制造技術、薄璧深孔內圓磨削技術、大型薄璧回轉體裝夾技術、超高強度涂層鋼高效磨削工藝、深孔內圓加工在線測量控制技術、超長磨具高精制造裝配工藝、超長磨具高精度動平衡技術等多技術領域研究成果，是一種典型的高檔數控機床裝備。其主要特點包括：
（1）結構布局合理：機床采用臥式布局。工作臺作縱向往復運動、砂輪架作橫向進給運動，墊板、砂輪架、內圓磨具等橫跨在工作臺床身導軌的右上方；床身采用高強度鑄鐵，導軌結合面手工刮研，工件床身與磨頭床身為一體，呈T型結構；工作臺采用上下雙層結構，可進行回轉微調，縱向運動由伺服電機驅動，通過滾珠絲桿傳動；運動導軌為平、V滑動導軌，壓力油潤滑；頭架主軸采用一滾一滑軸系支承，剛性好，回轉精高，由交流變頻器實現工件無級傳動；工件由四爪卡盤夾持，閉式中心架支承；墊板導軌采用高剛性直線滾動導軌。
（2）高精度：飛機起落架外筒實際加工圓度0.003mm，圓柱度0.004mm/1000mm，表面光潔度Ra0.4μm。
（3）高剛性：機床搭載上海機床廠有限公司研發的新結構偏心內圓磨桿。通過優化設計，靜態、動態剛性好，工作轉速遠離共振區。
（4）高柔性：機床砂輪架配有標準接口，可更換多種內圓磨具，包括皮帶傳動式磨具和電主軸式磨具，可滿足不同直徑、不同深度內孔加工需求。
（5）人性化：搭載上海機床廠自主開發的磨削應用軟件，采用圖形化界面，數據顯示直觀，參數修改方便。該產品采用了“臥軸超長徑比深孔內圓磨削裝置”（200520046922.2）、“內圓磨床工件在線自動測量裝置”（201110425127.4）、“數控內圓復合磨床”（201130487447.3）、“適用于工件與頭架中心線的對齊裝置”（201822228338.9）、“深孔內圓磨具的密封結構”（201911080526.4）等發明和實用新型專利技術。H124數控深孔內圓磨床產品實現了大長徑比深孔高精度數控加工零的突破，開創了國產大型飛機起落架高精加工的新篇章。
該機床產品實現了顯著的應用效果，其加工精度、加工范圍等均達到了國際先進水平，該產品主要技術參數如表2所示：
表 2
三、新技術研發及應用
1.高剛度高精度深孔內圓磨具研發與應用
（1）深孔內圓磨具試驗模態分析
上海機床廠有限公司傳統內圓磨具存在磨削精度不高、工件表面易出現振紋、剛性不足導致大進刀量磨削時磨桿跳動嚴重等問題，滿足不了越來越苛刻的現代化產業配套需求。在此情況下，需要摒棄以往設計時采用的經驗法、類比法，引入動態設計、虛擬樣機、實驗分析等高級分析與仿真手段對新設計進行指導。上機公司首先通過實驗振動分析技術，獲得原有內圓磨具工作時的聲學信號并提取出振動模態信息。
圖2 內圓磨具試驗模態測試
選取多個典型內圓磨具，采用響應點移動-激勵點固定的錘擊法對磨具進行模態測試，測量磨桿X、Y、Z三個方向的振動響應。通過消除激勵和響應信號的噪聲干擾，對處理后的信號做模態參數辨識，提取分析帶寬內所關心的固有頻率和模態阻尼比，并且由傳感器所測位置的加速度時域響應得出RMS以表征振動能量密度，由加速度兩次積分得出X、Z向（切向和法向，對磨削精度影響較大）的合位移，即隨轉速變化的振動偏心距。
圖3 一組磨具的頻響函數（FRF）
（2）深孔內圓磨具靜態、動態優化設計
上海機床廠有限公司在實驗分析的基礎上，在新結構深孔內圓磨具的設計過程中引入有限元方法的靜力學分析、模態分析、諧響應分析及正交優化，結合先前數據檢驗CAE分析的合理性，最終得出新結構磨具的工程設計和同類型磨具的仿真優化方法。
內圓磨具靜剛度反映磨具抵抗自重和靜態外載荷的能力，與負荷能力和抗振性能密切相關，長懸伸量磨桿的首要參數為磨桿的彎曲剛度。通過材料力學方法將磨桿近似簡化為一個懸臂梁，得出磨桿靜置時最大撓度和靜剛度，并利用有限元分析方法得出最大位移。
圖4 一型內圓磨具一階模態振型
內圓磨具動態特性是影響內圓磨床加工質量和磨削能力的最主要參數，內圓磨具的動剛度是其抵抗受迫和自激振動的能力。利用有限元法將連續體問題轉化為有限彈性體單自由度振動的疊加問題，計算零件線性接觸條件下內圓磨具前10階模態振型及共振頻率。采用諧響應分析確定低階共振頻率下由主要激振力（磨削力）引起的峰值響應和響應范圍。
在靜態、動態仿真的基礎上，設置磨桿偏心套筒的長度為優化變量，使用正交優化方式取得以靜態、動態最小變形量為目標的最優偏心套筒長度。
圖5 正交法優化偏心套筒長度
（3）深孔內圓磨具中新型阻尼材料的應用
基于模態分析得出，磨具動剛度對比靜剛度有大幅下降，動態特性是影響磨具工作精度的主要因素。因此，在對結構作出優化的同時，選用了多種振動抑制新技術吸收運轉過程中激發的振動能量，達到提高主軸動態性能的效果。
主軸前端法蘭盤原材料為45鋼，考慮砂輪磨削工件過程中引起的再生顫振波會沿此零件傳遞，需要增大阻尼抑制振動，上海機床廠采用了高猛基阻尼合金（Mn73Cu20Ni5Fe2）這一新型材料進行替代。高錳基阻尼合金是一種具有獨特減振效果的孿生雙晶型阻尼合金，在合金通過熱處理的高溫緩冷過程中,因尼爾轉變和馬氏體相變而產生大量高密度孿晶亞結構。當有外力作用時，由于顯微孿晶界的移動和磁矩的偏轉而吸收外部能量，從而使應力衰減，起到很好的減振效應，同時具有良好的力學性能和切削性能，是一種很適合精密剛性連接的減振材料。上海機床廠首次將高錳基阻尼合金應用到了磨床磨具中，經過實測，改進后的前端法蘭盤有效抑制了砂輪的再生顫振。
（4）基于熱力學分析的電主軸式深孔內圓磨具開發
電主軸式內圓磨具省去了皮帶、聯軸器等傳動環節，將主軸傳動鏈長度縮短至零，因此回轉精度高，穩定性好，省去了長軸傳動，更易使結構動剛度增加減少振動。但電主軸在高速運轉時電機定轉子損耗會產生大量的熱，由于內圓磨具空間狹小熱量不易排出，加上軸承及磨削發熱，過量的熱量會直接影響電主軸磨具的工作精度，因此有必要對電主軸式內圓磨具的熱特性和冷卻方式加以優化。
上海機床廠有限公司基于CAE分析技術，確定了主軸電機定子的發熱、主軸軸承的發熱以及電機發熱引起軸承熱變形對內圓磨具回轉精度的影響。通過分析結果指導設計，優化了電主軸后端冷卻水通流流路和電機定子冷卻水套結構形狀，實現同等空間內大幅減小了冷卻水在磨具內部的沿程水頭損失，增大了換熱效率。同時采取在套筒偏心側加裝冷卻，在不改變磨削最小孔徑的同時具備了兩路冷卻同時對磨削位置噴射磨削液，提高了被磨工件的表面加工質量。
圖6 前端軸承溫度云圖
（5）深孔內圓磨具的高性能密封結構
深孔加工時磨具工作環境惡劣，尤其在加工不通孔時，磨削過程中產生的脫落磨粒、金屬粉末以及高壓磨削液容易進入主軸軸系，影響內圓磨具的使用壽命和磨削精度。為了解決上述問題，上海機床廠有限公司研發了交錯式迷宮密封和端部氣密封一體式密封結構。砂輪法蘭盤內表面設置的環形腔和端蓋形成徑向帶角度迷宮密封，起到阻止雜質進入軸系的第一道密封；同時在砂輪法蘭盤和端蓋迷宮密封中間設置氣密封，氣體通過套筒上設置的徑向氣密封接頭管螺紋和端蓋上的通孔形成氣體通道，向砂輪法蘭盤內表面設置的環形腔供氣，起到防止冷卻液和雜質進入軸系的第二道密封；主軸上鎖緊螺母外突起與端蓋內突起形成臺階式迷宮密封，迷宮式密封的軸向間隙控制在0.5~0.8 mm之內，直徑間隙控制在0.25~0.5 mm之內。它們是防止冷卻液和雜質進入軸系的第三道密封；端蓋和套筒之間設置O型圈密封，是防止冷卻液進入軸系的第四道密封。這種新結構保證了在空間位置受限的內圓磨具端部設置多種形式復合密封，大大延長了深孔內圓磨具的使用壽命。
圖7 深孔內圓磨具密封結構
2.機床結構設計
H124數控深孔內圓磨床在布局上考慮了飛機起落架、軌道車輪、高精度機床主軸等典型工件工藝要求，整機通過靜、動態分析優化床身和砂輪架結構，減少結構環中運動部件質量和結合部數目，加強傳動鏈剛性。綜合考慮后機床采用臥式馬鞍布局，工作臺作縱向往復運動、砂輪架作橫向進給運動，墊板、砂輪架、內圓磨具等橫跨在工作臺床身導軌的右上方；工件床身與磨頭床身為一體，呈T型結構；工作臺采用上下雙層結構，可進行回轉微調，縱向運動由伺服電機驅動，通過滾珠絲桿傳動；運動導軌為平、V滑動導軌；工件由四爪卡盤夾持，閉式中心架支承；墊板導軌采用高剛性直線滾動導軌。
圖8 H124機床三維機械本體模型
四、成果應用及推廣情況
H124數控深孔內圓磨床已在國內多家用戶企業得到了廣泛應用，得到了一致認可，整機性能達到國外一流品牌同類磨床水平，在同規格工件磨削深度方面已超出國外磨床品牌水平。這些用戶企業均為國內飛機起落架生產的龍頭企業，負責生產多型軍用及民用飛機起落架。隨著國產航空航天事業進一步高端化、規模化，國產大型客機配套產業的逐漸起步，H124機床在未來擁有廣闊的市場前景，填補了國內高精度深孔磨削技術的空白，提升了我國高檔數控磨床的競爭力，全面替代進口，促進航空工業及機床制造行業的同步發展具有重要的意義。該類深孔內圓磨床，目前國外的同類產品價格昂貴，H124數控深孔內圓磨床擁有性價比高等綜合性能，因此在國內市場有著很強的
競爭能力。
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