王彦明 蔺景嵩
齐重数控装备股份有限公司 黑龙江 齐齐哈尔161005
摘要：立式多主轴数控龙门移动式钻床是用于核电蒸汽发生器管板孔系加工的关键设备，此设备既要满足大批量高效率生产的需求，又必须达到高精度加工的要求，并保证机床长期工作的可靠性，此类设备具有很高的设计、制造难度。目前国内只有少数机床厂可以制造，但与国外发达国家技术水平相比还有一定差距，国内对此类设备的需求主要还已进口为主，严重制约了我国核电工业发展。因此开发具有自主知识产权的立式多主轴数控龙门移动式钻床是非常必要的
目标：开发完成具有高效、高精度、高可靠性立式多主轴数控龙门移动式钻床，掌握具有自主知识产权的设计结构、制造关键技术和难题,打破国外在此类专用设备上的技术垄断和封锁。在加工精度和加工效率方面要达到国外同类产品水平，某些指标要达到世界一流水平，促进机床行业研发能力的提升，实现新的经济增长点。
技术方案：首先进行初步方案设计，经专家论证，转入结构设计分析、三维仿真计算、干涉分析、精度分析、关键部件可靠性和精度稳定性研究阶段，针对技术难点，进行联合攻关，确定最终的实施方案，后续阶段分为关键部件加工、装配工艺方法研究、装配调试和鉴定验收等主要阶段。
目标是立式多主轴数控龙门移动式钻床的研究与开发，该机床可达到的主要技术指标如下所示:
工作台宽度 ≥3000mm;
工作台长度 ≥6000mm;
工件台单位载重量 5T;
钻主轴数量 ≥8
主轴最高转速 3000r/min;
钻孔直径范围 10-50mm
X /Y 轴定位精度 ≤0.025mm/1000mm
X/Y 轴重复定位精度 ≤ 0.015mm;
Z轴定位精度 ≤0.06mm /1000mm
Z轴重复定位精度 ≤0.03mm
孔表面粗糙度 ≤Ra1.6um
孔距精度 ≤φ0.05mm
多主轴数控龙门移动式钻床，可用于完成核电管板等零件孔系的自动加工，具有高效、高精度、高可靠性的特点。主要由床身（两套）、龙门架、X轴进给滑座（两套）、工作台、Y轴进给滑座（八套）、钻主轴系统（八套）、冷却系统、液压装置、电气控制系统等部分组成。
本机床采用工作台固定，龙门移动式的结构布局。龙门架由左、右立柱和连接横梁组成，龙门架的左、右立柱分别固定在X轴进给滑座上，并通过滚动直线导轨副可沿床身纵向作X轴进给运动，进给运动是由伺服电机驱动精密滚珠丝杠副来实现的。8套钻主轴系统分别安装在8套Y轴进给滑座上，并与Y轴进给滑座一起沿连接横梁导轨作Y轴进给运动，每一套钻主轴Y轴进给运动都是通过各自独立伺服电机驱动精密滚珠丝杠副驱动（丝母旋转）来实现的，导轨副采用滚动直线导轨。钻主轴安装在滑枕内，滑枕可在Y轴滑座内通过各自独立的伺服电机驱动精密滚珠丝杠副实现上、下Z轴进给运动。X、Y、Z各轴进给均有直线反馈元件进行位置反馈，可实现多轴联动全闭环控制。
钻主轴系统是钻削加工最核心的部件，结构设计及制造工艺的合理性直接影响到其使用性能，为达到高速高效高精度高可靠性的技术指标，主要具备如下技术结构及功能特点：钻主轴系统为机械式主轴结构，直接与大功率主轴电机连接，主轴组件均进行严格的动平衡试验品质可达到G1，从而提高了主轴系统高速运转的稳定性；主轴系统配置有内循环冷却系统可强制控制主轴的温升，延长了主轴系统的使用寿命；主轴的前后支撑由高精度双列角接触球轴承完成，并通过施加最佳的预紧力可完全满足主轴运转高精度、高刚度的要求；主轴系统内部配置碟型弹簧组机构，通过液压装置可实现刀具的自动夹紧放松功能，显著缩短了辅助加工时间，提高了生产效率；主轴具有过载保护功能，避免了由于突然承受较大抗力，而损坏刀具及主轴系统。主轴具有中心出水功能，可实时完成钻削加工中刀具冷却，显著提高了刀具的使用寿命。
本机床工作台、床身、进给滑座等主要基础件采用高强度、低应力铸铁铸造而成，通过理论计算及有限元分析，优化内部结构设计，从而提高了整机系统刚度及抗振性。
龙门架采用高强度钢板焊接而成，通过有限元对其受力状态进行分析，绘出受力曲线及变形分布图，主要针对最薄弱的环节进行改善，确定其结构尺寸及筋板的布局，并通过加工预变形的工艺措施，确保了连接横梁在承受8套主轴系统全部载荷的状态下，保持足够的刚度及精度。
八主轴钻床的专用CAM软件。通过读取加工工件孔系排布的CAD文件，自动对孔系的加工路径进行规划，并根据机床实际形式对钻孔动力头进行优化选择，以满足最小辅助时间、最大加工效率的要求。最后可自动生成适应要求的数控代码，并可在系统内进行演示仿真。同时软件本身还可以对钻孔加工过程进行仿真。
该软件由三大模块组成，分别是CAD文件信息提取模块，孔系及钻孔动力头优化模块和后置处理模块。各模块功能如下：CAD文件信息提取模块主要完成孔系CAD文件的信息读入并进行相应的预处理，；孔系及钻孔动力头优化模块根据孔系的排布和机床动力头结构形式，采用相应的优化策略，对加工路径和动力头的选择进行合理规划，软件提供几种优化策略，并给出推荐策略，用户也可根据需求自主选择相应策略；后置处理模块根据机床所采用的数控系统，生成适应要求的数控代码，同时，提供仿真界面，仿真钻床工作过程，用户可以检验加工路径的生成是否正确、路径之间是否发生干涉和碰撞。
总之，上述技术方案中的很多具体关键技术和工艺路线，在企业前期的产品设计和制造中都得到了验证（如数控龙门移动式镗铣床、数控双柱立式车床等），所以课题技术路线可行。
要保证所研发的立式多主轴数控钻床达到上述技术指标，就必须解决如下几方面的重大问题：
? 一、整机结构的布局
整机结构的布局是否合理，直接影响到机床的使用性能及精度指标，因此，在本项目中，要充分收集国内外同类机床的相关资料，对比、消化和吸收不同厂家产品在整机结构上各自的特点和长处，制定出机床合理可行的整机方案，并完成关键部件的合理布局
? 二、高刚度、高抗振性机床系统结构设计
当多主轴同时进行钻孔加工时，整机系统处于一种复杂的受力状态，既要保证系统能承受更大抵抗力，又要避免由于主轴高速运转对整机振动的影响。因此需对机床系统结构进行优化设计及理论分析计算，才能满足多孔加工的要求。
? 三、八主轴钻削时各孔加工位置精度一致性
为了保证多主轴钻孔位置精度的一致性，必须提高数控系统控制的稳定性，以及提高进给元件及检测反馈元件的精度指标,并进行优化设计。
? 四、距离最小并可调的钻头传动箱设计开发
为实现尽可能多的主轴能够同时加工，最大限度提高钻孔的加工效率。因此必须设计具有更小尺寸间距的钻头传动箱，并可实现钻主轴位置调整。
?五、 高速、高效铣钻主轴系统的设计与研究
铣钻主轴系统的刚度、精度、可靠性等性能指标对钻孔精度及加工效率有着重要的影响，必须对其结构进行优化设计及分析计算。
? 六、主轴头制造工艺技术研究
在钻孔加过工过程中，钻主轴处于高速运转状态，并承受很大的加工抗力。要实现钻主轴高速时的高精度、温升、动平衡等技术指标均能满足使用要求，并能达到预期的使用寿命，就必须对主轴头每一个零、部件从材料选取、加工工艺、热处理工艺、装配调试等各个环节进行严格的控制及检验。
? 七、专用八轴钻削CAM 软件设计开发
为了满足钻孔加工效率的要求，必须设计开发专用的多轴钻削CAM 软件。此软件通过读取加工工件孔系排布的CAD文件（DXF格式），自动对孔系的加工路径进行规划，并根据机床实际形式对钻孔动力头进行优化选择，以满足最小辅助时间、最大加工效率的要求。