大中型五轴铣车复合加工中心关键技术

KTM120 与 KTX 系列五轴卧式铣车复合加工中心是卧式铣车复合五轴加工中心平台化系列产品之一，其工作性能具备五轴车削和铣削功能，实现复杂零件的五轴铣车复合加工。

1 大型五轴卧式铣车复合加工装备 KTM120

KTM120 大型五轴卧式铣车复合加工中心机床总体布局为成熟 60° 斜床身立柱移动的总体布局，床身导轨 60° 布置，排屑顺畅，动柱直线导轨配有 6 块滑块，使机床的车削主轴到床身拥有最高的稳定性和最佳的力学传递。滑台沿床身左右移动 (Z 轴)，立柱沿滑台前后移动 (Y 轴)，滑枕沿立柱上下移动 (X 轴)，单摆头 B 轴绕 Y 轴旋转，‑110~+90°，共 200°。X、Y、Z 轴导轨选用直线滚柱导轨，刚性好、静载和动载能力高、运行平稳摩擦力小，定位精度高。

KTM120 铣削采用机械主轴和电主轴两种摆头实现 B 轴功能；KTM120 铣削 B 轴采用高精度高承载轴承结构，端齿盘锁紧结构，保持强力、均匀的夹紧力。为了获得最大的作业空间，主轴鼻端端面到主轴后端面距离缩短至 470 mm，提高切削效率，主轴电机最大功率 6KW，主轴转速最高可达 2500 r/min，最大扭矩 7 Nm。配 70 bar 中心出水、主轴燕尾座可安装重型镗刀座，最大支持 1700 mm 镗刀杆。

KTM120 卧式工件直驱主轴 C 轴采用高速力矩电机，电机最大转矩 1850 Nm，最高转速 1600 r/min。工件主轴采用直驱内置电机车削主轴，内置高扭矩、高刚性车削主轴结构比传统电机与齿轮、皮带传动主轴优势明显，可有效减少振动从而获得更高的旋转速度、良好的加工表面质量。工件直驱主轴采用刹车盘式夹紧机构，依靠强力、均匀、保持力高的夹紧方式；通过配套液压中心架和尾座实现各类工件的高适应性装夹。

该五轴铣车复合加工中心采用车削主轴 + 铣削主轴的复合机床结构，采用了众多的关键技术包括力矩电机直接驱动的 B 轴、C 轴和电主轴直驱技术，高分辨率高精度位置反馈技术、全闭环、热变形补偿等技术，实现整机的高刚度、高精度和高速度的卧式铣车五轴复合加工。主要创新点包含：①车削主轴控制在不同模式下使用不同参数，并可以进行自动切换，以实现不同模式下的最佳运动效果。②设计采用了 B 轴带气动夹钳的方案，开发了不同情况下 B 轴的控制方法，保证铣车复合中 B 轴的加工效果。③开发了直线轴和旋转轴的随动技术、双旋转轴 + 直线轴的随动技术，提升了铣车复合的加工能力和方法。④标配 60 把圆盘式刀库，通过机械手快换刀具；选配 2 把附加刀库，实现重型镗刀座的快换，最大支持 150 kg。

图大型五轴卧式铣车复合 KTM120 装备总体构成

2 大型五轴卧式铣车复合加工装备关键技术难点

KTM120 装备研制涉及的关键技术包括如下几个方面：

整机结构优化布局技术：采用 60° 斜床身结构，通过有限元分析计算整机刚性，结构布局设计合理，最大加工工件长度 m，最大回转直径 1140 mm。

高精度重载铣车功能工件主轴的设计技术：采用力矩电机直驱工件主轴，无机械磨损，高精度，最大扭矩为 1850 Nm。国外同类设备为多级变速齿轮传动机械主轴，最大扭矩为 6440 Nm，具有更大的承载能力。

高刚度大扭矩铣车摆角铣头设计技术：采用机械主轴，实现更大的刚度和扭矩，最大转速为 2500 r/min。国外同类设备最大转速为 00 r/min，具有更高的加工效率。

高刚度重载尾架设计及制造技术：采用大规格主轴轴承作为承载，顶尖规格为 MT6。国外同类设备最大顶尖规格为 Me100，具有更大的承载能力。

高刚度内腔加工镗削系统设计及制造技术：采用长刀杆实现深孔及内腔加工，最大刀杆长度为 1700 mm。国外同类设备采用重型镗杆机构，最大刀杆长度为 2000 mm，具有更强的加工能力。

3 中型五轴卧式铣车复合加工装备 KTX 系列

KTX 系列五轴卧式铣车加工中心通过一次装夹就可以解决车、铣、镗、钻等复合加工，双工件主轴工件交换可以实现 6 面全面整体加工。适合加工零件复杂、工序多，精度要求高、批量生产大的场合，规避传统需要多种类普通机床和繁多刀具与工装的缺陷。可广泛应用航空航天、汽车制造、曲轴、精密零件、船舶以及国防等领域的产品加工。

KTX1250 机床总体布局为成熟平床身立柱移动的总体布局，床身前端导轨 45° 布置，动柱直线导轨配有 5 块滑块，使机床的车削主轴到床身拥有最高的稳定性和最佳的力学传递。滑台沿床身左右移动 (Z1 轴)，立柱沿滑台前后移动 (Y1 轴)，滑枕沿立柱上下移动 (X1 轴)，单摆头 B1 轴安装在八角滑枕上；采用八角滑枕整体结构保证受力分布更均匀；采用超紧凑型总长度 450 mm 的铣削主轴， B 轴摆动角度为 ±120°。

KTX1250TC 五轴卧式铣车复合加工中心采用动柱式结构，配合单摆直角头、双工件主轴和中心架或下刀塔。采用斜床身结构，具有更大的作业空间、更小的干涉、更强切削刚度、更紧凑的安装空间；X 轴采用气动夹紧功能，提供车削加工的装夹刚性从而保证切削的稳定性；工件主轴采用横跨式结构，便于中心架移动到卡盘左端加工盘类工件。 KTX1250 刀库标配把圆盘式刀库，通过单电机和减速机控制实现快速和精准换刀功能。

装备整机大件均采用 HT0 铸件，有良好的静态 / 动态刚度，床身采用箱型结构设计，加强筋板通过有限元分析进行合理的布局优化，提高床身承受的扭曲变形能力；床身安装高刚性滚柱滑块 65# 线轨，确保机床高精度和高稳定性。采用机械传动式单摆头形式，实现 B 轴功能，工件主轴旋转直驱式结构实现 C 轴，具有五轴联动 RTCP 功能，实现复杂空间曲面的高精密加工，高速大功率刀具主轴电机既要满足低速大扭矩的工艺需求，又要能够加工某些精细特征主轴可以达到 1 万转以上的转速，从节能与经济性的角度考虑，大功率双绕组主轴电机最为适合，配备的大功率大扭矩的双绕组主轴电机具体参数如下图 5 所示。