高速、高精、高效的复合加工机床

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面对激烈的市场竞争，公司的生存之道是赋予产品更多的价值，而这意味着要生产出更精密和更复杂的产品。同时，一个公司也必须在寻求增加产品种类时降低资金的占用。这都促进了多功能复合机床的发展。 4 e* O' y) ]" g

变化中的复合加工机床概念

现今的制造业、特别是机械加工现场，有以下几个特点：多品种、小批量生产；交货期缩短；要求降低成本；伴随轻型化、性能复合化增加了复杂形状的产品；缺少熟练操作人员和优秀技术人员。一个企业要适应这种现状并在激烈的市场竞争中取胜，需要新的技术和机床，这时作为“王牌”的复合加工机床便顺应市场需求闪亮登场。

我们将一台拥有能以数道工序、不同方式加工复杂形状工件能力的机床称之为复合加工机床。为达到同样的用工序集成的方法提高生产效率和机床的附加价值的目的，在技术上也有将机床控制坐标多轴化、扩大加工功能、多功能化的解决方法。在这里我们把前者的在一台机器内实现不同品种加工的机床和后者的多坐标控制机床两者统称为复合加工机床。

复合加工机床具有的功能是随着时代的变化而变化的。过去曾有将加工中心称为复合加工机床的时期，但因其工具交换加工的品种受到限制，而且也走不出切削加工的领域，现在已经不再将一般的加工中心称之为复合加工机床了。

复合加工机床的开发、生产在市场需求中不断得到推进，特别是最近，具有将车削功能和回转切削功能合并起来的机床的销售数量迅速增加，今后可望达到与加工中心相匹敌的生产和销售规模。

复合加工机床的现状

复合加工机床一般具有这些特征：设置较少，有时甚至是一次性的；复杂工件不需在多台机床上加工；减少工件的装夹次数；加工现场机床数量减少，不需在场地上投入很多。

机床制造商们在以两种方式适应日益扩大的市场。一种是他们设计的机床能进行一次以上的加工工序。现在，有些机床能提供铣削、钻削、攻丝、车削、磨削、焊接和调平多种功能。另一种多功能的较明显的方式则是通过加速工件装夹速度来使机床高产出，这主要是通过在单台机床或单元内增加机器人或工件夹持机构来实现。多功能机床另一个使人感兴趣的因素是，大部分的自动化和航空制造商目前趋向于减少他们自己的加工规模，而要求供应商直接交付可供装配的模块。分析家们看到大公司面临着质保和设备老化而不能大批量加工高精度的工件等诸多问题，所以现在一些大批量的工件被分解成小批量转包给多个供应商。这一切都为复合加工机床提供了施展才能的用武之地。 % U, s' n' Q' M& ^- J, V+ n- u; q

机床由功能单元部件构成

美国的Makino公司是一家专攻发展磨削技术的公司。最初，他们为传统的加工中心提供电镀CBN磨轮。现在他们极大地拓展了这项技术，研发了除用电镀CBN磨削，还具有带陶瓷磨轮的复合磨削加工中心。现在每当其加工硬镍合金材料时，除了传统的最终精加工外，磨削已成为初级粗加工过程。这是一种引人注目的改革，实现了在一台机床上既能加工又能磨削的柔性制造。 & X1 B" \5 Z9 }9 A

Makino公司使用一个标准的加工中心平台并提供独有的磨削选择包。除了电镀CBN 轮外，其公司现在还能提供使用陶瓷磨轮的磨削选择包。另外，Makino公司还增加了特殊的冷却回路和轮打磨能力以支持磨削功能。该机床第二轴附带一个钻石打磨辊用来支持连续打磨，它包括固定在机床工作区的连续和间歇打磨系统。因为锋利的磨粒能持续不断地外露而且磨轮有非常好的形状保持能力，所以这种连续打磨能力大大提高了生产率和质量。磨轮轮廓的改变可以通过调用刀库中不同的打磨辊和磨轮来完成，这与加工中心换刀方式相似。

加工过程中重要的控制因素是冷却液的使用。如使用太多冷却液，就像水上飞机，工件刀具接触不好；使用太少冷却液，则不但降低了切削速度，而且有可能灼烧工件。所以该机床另有一套喷嘴用于铣削，需要的话，可以再加上主轴冷却液。

Makino公司在磨轮周边360?上安装了一套高压喷嘴，使用这种可编程喷嘴将高压冷却液注入磨轮前部一个多孔的轮子，离心力将液体推出轮子，足够多的液体会将磨屑冲洗出轮子，从而保持工件的冷却。 * }* U* p" \+ q& s# m

模块设计是关键

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EMAG公司独树一帜，其拥有许多基本机床平台，可以通过改良以达到用户具体的要求，因此其大部分机床都是用户定制的，采用的是增加模块的方式。例如，有一台很受EMAG公司用户喜欢的立式加工中心，它能进行车削、滚削、磨削、淬火、装配和激光焊接。 ' J2 O3 A+ `5 t- R. e

EMAG公司在得到定单后，设计者首先从用户的生产条件中找到解决方法，然后创建能够完成任务的机床或机床生产线。这有可能是单一功能机床(磨削、铣削等)，但经常是要求多功能设计，包括铣削、钻削、车削、磨削、调丝、滚削、镗削、焊接、测量和工件调平。 - u" H! a# \* U2 C

EMAG机床的主要设计特征：短行程，即在工件和切削工具间的行程很短；环境冷却，机床保持在环境温度下，而不是在任意值；当工件和机床在同样的温度时，可取得最佳效果；内部的系统循环可冷却机床内的所有热源，包括电机和轴承；最小的振动，基础和立柱由被称为Mineralit的高级聚合花岗岩成分制成。同传统的材料相比，Mineralit的小振动性可为加工带来良好的表面质量和更长的刀具寿命。另外，所有的动力装置都不在工作区内，而是被安装在机床上一个刚性的箱式结构上方，并且在主轴上还包围着一条带状流体单元，它可以减少振动和承载时的主轴偏差。

汽车工业和运输业的制造商采用VSC车床和齿轮—滚铣中心来车削毛胚件、下序的高速齿轮滚铣以及修理毛刺。VSC复合机床也能够从加工软的毛胚件转换到加工硬的基础类的机床组成部分。例如，VSC机床能自动地进行软车去加工铸钢活塞，接着进行硬车、钻、铣以及用CBN或金刚砂轮精磨。

VSC机床另一个独特的功能是焊接单元。这在运输机构制造业的激光焊接中得到日益重要的运用。许多机构，如传动轮和离合器，经常是首先单独加工，然后再进行装配和焊接。在焊接站，夹紧装配好的工件，然后生成焊缝。两种工件的齿部也要保护好以防止焊液飞溅到工件的齿面上。焊接站有两根轴，在焊接过程中，一根轴是装夹工件用，另一根轴是用于卸载已焊接的构件和承载接下来安装的工件。已安装的组件堆放在传送机上，手动或自动卸下。 & U, C! S2 A- f3 v- ^5 e9 M6 n; [5 H

EMAG公司的VSC系列加工中心被认为是世界领先的车床设计，该机床是工件动而机床刀具不动。这种设计是大部分多功能加工中心的基础，这样才可以实现在同一台机床使用一系列刀具完成不同的加工工序，因此实现了从“简单”立式车床向多功能的复合加工机床的转变。EMAG公司已交付使用了5000多台此类机床。 1 x# ~! e" |. D3 U4 S) Q/ K

扩大中的市场和不断改变的需求

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Monarch机床公司在其加工中心的桥式框架上组装了一套VTL型平台，便使加工中心达到5轴功能。桥式框架控制X、Y、Z轴，一个150cm、60kW的车削/定位工作台，一个可更换的主轴头夹持车刀或50°的椎柄刀具加上一个单轴可倾斜的主轴头作为第5轴。便可以实现5轴加工，其典型产品是大型阀以及航空发动机的组件。Monarch机床公司看好多功能机床市场，并希望它继续扩大。Monarch机床公司正在进行已有机床的再设计和一些新设计工作，使其立式机床能具备类似卧式机床的主轴功能。 & i5 n* x, A8 \# p

富士机床美国公司起初制造的机床主要用于大批量生产，常常加工的工件会超过10万件，在这样的生产效率下，你不能指望用车床来进行铣或钻的加工。如今对小批量和更复杂工件的需求更加突出。一些大制造商试图甩掉精加工过程，他们想装配模块，在他们的大力推动下，其供应商们不得不替换旧设备并降低废料率。为降低费用，这些公司需要能提供多种功能的简单机床。

一个机床公司要满足客户的以上这些新要求，能快速更换功能的机床是解决方案，例如：运行1、2天就能干完一种活，改变功能成为另一种机床去运行半天完成另一种工件，诸如此类。为满足这种需求，铣—车系列、TN线应运而生，它们主要是为那些小型和中型厂实现多功能自动化制造而设计的。这是一种一轴或两轴为基础的保守设计，它们可实现铣削、钻削或攻丝。 ) N( p" ~- \' O8 r3 x2 o

随着铣－车中心的大量使用，为满足多功能市场的需求，5轴加工机床也得到了普遍使用。Mikron公司能提供从三轴至五轴的机床，主轴速度达60000 r/min，加速度超过1g。 其中最新的产品之一便是UCP600Vario，功率16kW、主轴转速 20000r/min，还有可实现五轴、五面加工的旋转/倾斜工作台。为保证精度，机床还配有振动监视和智能温度控制模块。

复合机床需要更多机器人来配合

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美国Motoman公司这样认为：机床外部独立装置的机器人和封闭在机床内部的机器人的应用将会越来越流行。他们有密封以防止润滑剂或冷却液进入机器人的关键机构技术。除了传统的上下料，现在机器人也能把工件运到测量区、打磨工序或到可视检测系统。机器人最大的进步是在控制方面能简化编程和操作，举个例子来说，操作者可以调用直观图确认机器人所持的工件是否是应加工的那件。

图注：来自Mikron的UCP600Vario五轴单元可以满足许多多功能的要求

美国System 3R公司还认为，当一个机器人能为许多单一功能机床服务时，可以大大提高制造的通用性。人类的手接触工件的时间越少越好，机器人应该在提高机床通用性方面扮演更多的角色。 ' a( N! ?, |' b( {# h, ?

美国System 3R公司提供的主要单元是称之为“工作主管”(WorkMaster)的机器人。这种取料放料式机器人服务于三台机床，大部分动作是把工件料盘从一台机床放到另一台上，无需额外设置。设备之间最大的不同是软件部分。机器人75%的工作是服务于一台机床，也就是说，机床程序对机器人发信号告诉它何时移动。在一些更复杂的应用中，机器人的程序可以控制机床。使用一种叫做“工厂经理”(WorkShopManager)的软件，机器人的程序则成了单元控制者。每一块夹具和刀库上的特征芯片检视并启动工作循环。例如，机器人程序告诉机床它们正在加工的是什么工件，并且检查配置。

而Fanuc机器人公司表示，机器人不但应用于简单的上下料，也可以做加工后的某些操作，比如测量和工件校验等。在辅助机床加工的能力方面，智能化机器人增加了新的功能。它们具有增加力传感和可视功能，可以实现搬运不同尺寸的工件；它们不局限于一种特定方式抓取工件，而也能处理尺寸各异或搬运一组工件，而在抓取工件时，力传感器可根据不同条件调整抓取力，而不是用已设定的力；机器人还能精确摆放工件或通过编程设置完成诸如更换卡盘尺寸大小的机床调整，所以它们能够取消或减轻需要人工的劳动。这一切的关键是机器人程序与机床或机床单元的联系。