研究背景

          制造装备(机床等)是制造业的工作母机,高速、精密和面向新工艺的 “高端机床”是高端制造业发展的重要基础。我国制造装备的切削速度和加工效率普遍为国外的1/2-1/5,机床精度国外已达到纳米级,我们在亚微米级;我们在复合材料结构制造装备方面,还处于开始研发阶段。高速精密及复合材料制造等高端制造装备,关系到航空、航天、军工、芯片等行业的发展,我们绝不能受制于人。以中国工程院院士周济为首的战略研究组指出,目前我国制造业综合水平正处于“第三方阵”,与“第一方阵”的美国、“第二方阵”的日德等国均有着较大的差距。我国计划在2025年左右跻身于“第二方阵”,在2035年左右处于“第二方阵”的前列,并在2045年左右跻身“第一方阵”,而这些也必然无法离开制造业自主创新的支持。“工欲善其事,必先利其器”,高端制造需要高端工作母机的支撑。

研究内容

(1) 高速精密机床

    大功率船用柴油机、火炮炮管等加工用高精度数控珩磨机床,仅有少数几个发达国家如德国格林公司和纳格尔公司、美国善能公司等能够生产相应的高档数控珩磨机床。同宁夏中卫大河机床有限责任公司等合作,开展了机床有限元分析、动力学模态测试、液压系统设计、机械与液压联合控制数控系统研发等,提高了船用柴油机缸套等精密内孔类零件的几何精度及表面网纹质量,使得微观表面轮廓和网纹参数能很好满足我国船舶行业IMO造船新规范标准对柴油机缸套的加工要求,突破国外的技术壁垒。

 

         1 2MK2263×200大功率船用柴油机加工用数控珩磨机

 

    基础功能部件薄弱,也是制约我国数控机床发展的瓶颈。自动换刀机械手是数控机床的核心功能部件,其中的关键零件弧面凸轮,由于轮廓是空间不可展螺旋面,目前国内对该零件的加工精度低、零件修配工作量大、难以形成批量生产、加工质量难以得到保证。高端弧面凸轮制造装备全球只有十多台,均是德国KOPP公司研制。我国尚缺乏该类加工装备。同广州市敏嘉制造技术有限公司合作,提出了小中心距、大摆角加工机床的创新结构,首创砂轮数控变径技术,开发了数字化加工程序,研制了五轴加工中心、六轴磨削中心、零件动静态误差检测中心,正形成换刀机械手批量生产基地,打破国外垄断。

 

 

                  图2 五轴加工中心和六轴磨削中心

研究内容

(2) 智能主轴

    具备感知、决策和执行等功能的智能高速主轴将是下一代高端机床主轴的发展方向。国外许多著名大学、企业研究机构(如德国亚琛工业大学、西门子公司等)纷纷设立智能主轴研究项目,抢占理论与技术制高点。

    主轴部件是轴对称结构,综合考虑高速旋转部件的离心力和陀螺力矩效应等因素,利用Timoshenko梁单元对主轴转子、拉刀杆和主轴箱等梁类结构进行有限元建模,利用转盘单元对套筒、锁紧螺母等盘类结构进行建模。对于主轴轴承,分别建立了基于Jones模型的拟静力学模型和基于Gupta模型的动力学模型,并与主轴其他部件有限元模型进行集成,得到主轴-轴承系统的动力学模型及运动方程。针对高速主轴系统开展在线监测技术研究,提取高速主轴非线性故障特征,构造判别准则与参数优化策略,建立智能监测与诊断系统,实现高速主轴故障自诊断,保证加工过程的稳定性。振动是影响高速主轴系统加工质量的重要因素之一。为了保证加工质量、加工效率与系统可靠性,研究智能高速主轴的在线振动控制技术,包括高速主轴系统的辨识技术,在线振动信号的处理技术,智能优化振动控制技术以及控制系统的工程化集成技术。

 

                图3 滚动轴承动力学模型与主轴转子耦合

 

                        图4 高速主轴试验台

支撑项目与阶段成果

项目:3项高档数控机床国家重大专项

          国家自然科学基金“智能主轴高速高效加工早期微弱颤振辨识与主动控制研究,515754232016-01至2018-12

合作单位:大河机床、敏嘉制造、大连机床、轴研科技等

论文:

(1) 陈雪峰,曹宏瑞,何正嘉. 数字化制造装备的主轴服役性能监测与诊断[J]. 机械工程学报,2009,05:140-146.

(2) 曹宏瑞,陈雪峰,何正嘉. 主轴-切削交互过程建模与高速铣削参数优化[J]. 机械工程学报,2013,05:161-166.

(3) Cao H, Zhang X, Chen X. The concept and progress of intelligent spindles: A review [J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 112: 21-52, 2017

 

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