数控车床和加工中心的融合--森精机车铣复合加工机床

机械工程

近年来，由于产品的多样化、少量化以及零部件的日趋复杂化，金属切削制造业对能够高效地加工高附加价值和高精度零部件的机床的需求日益增加。
研发机床背景
- }9 r3 I8 n2 N- u1 g8 }; V复杂零件的加工工序通常采用分散方式和加工工序集约方式这两种模式。加工工序分散方式是指综合使用多台机床(车床和加工中心)，各台机床完成单一或几个工序。加工工序集约方式是指用一台机床来完成一个工件所需要的所有加工工序。
$ W; g- q; H* C8 ]' e+ P集约式加工在减少生产周期、库存、设备占地面积、满足加工精度要求等方面占有很大优势。为此机床生产厂家已开发了许多种规格的能够实现多功能加工的复合机床，这些多功能的复合机床在航天航空零部件、汽车试验产品、石油能源工业设备、医疗设备器具、印刷设备、模具以及建筑行业机械的加工领域里得到广泛应用并取得了可观的经济效益。
谈到复合加工，通常的认识是车铣复合机床主要应用于滚齿加工、磨削加工、斜面铣削、钻孔等加工工序。但是大量市场调查却证实，其实用户更重视对复杂零件的车削和铣削等基本功能，从而实现一次装夹并缩短加工周期。也就是说，一些非常特殊的加工工艺并非是广大客户最重视的性能。所以，森精机以最大限度地提高复合机床的车削能力铣削能力为出发点，开发了车床和加工中心完全融合的新一代复合加工机。
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, G# a3 y# t5 X7 H图1 机床的外形图(NT4200DCG)
2 t% [/ o0 W/ T. X: i0 G图1是新开发的复合机床(NT4200DCG)的外观图，图2是其的结构模型。可以看出该机床是具有多轴(X、Y、Z、B、C)运动的机床。两个车削主轴，一个刀架，铣削工具主轴配有自动换刀装置。

7 V. |2 K7 l5 u7 J图2 机床的基本构造
6 ~2 z  v4 U! W* e, b& b1 E从图3可以看到，为了实现具有和同类型车床和加工中心同样的加工能力，车削方面选用水平床身，主副车削主轴和刀夹被安在同一平面上从而减少由床身热变形引起的加工误差。床身的支撑点均匀地分布在两侧，这样当切削力施加于床身时，其与过去的机床(图3左图)相比就有更好的稳定性。主轴与刀架之间的热变形引起的位移是车削零部件外径、内径加工精度的主要影响因素，该机床结构上的对称性使得床身和刀架都具有很好的热稳定性。该机床铣削方面采用卧式加工中心的主轴，机身采用箱中箱结构以及双丝杠驱动以减少移动物质量，从而提高运动速度并且改善机床动态特性。

图3 车削主轴和刀架的布置
主轴冲头采用8角型结构(见图4)，机床导轨的布置呈V型形状，这样可以保证这个部件具有足够的刚度。
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9 _6 ^! B5 k* V1 A1 O9 l$ v图4 床身结构图
工具主轴可以对应Big Plus、HSK、KM、CAPTO这4种不同的刀杆形式(图5)，这样就给用户更多的自由度来选择不同的刀具。
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' g2 s/ M+ i% Q* o图5 刀杆的界面形式
设计人员对该机床的B轴、车削主轴以及行程进行了综合优化设计，并采用Build-in-motor主轴直接驱动电机(DD motor)的技术，使得这种复合机床的加工区域相当宽阔。如图6所示，Y轴的行程可达4200mm，这个重要的特征使得该机床能够加工较大的范围形状而不需要车削主轴进行分度转位。
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* n2 s/ d0 z/ A5 ?9 p9 e图6 加工区域的扩大(Y-Z平面和X-Z平面)
NT4200DCG机床的主要规格

+ Z# a+ S; S; c2 t机床的主要特长
1) 该复合加工机床具有和加工中心相匹敌的行程，C轴无需旋转即可以加工间隔为250mm的孔。这样就减少一个轴的旋转运动，可以取得很高的加工精度。
2) 主轴最高回转速度12000r/min，工具主轴最高回转速度100r/min，具有加工中心的铣削能力。
% V4 o) M$ o9 ~; C2 j+ W3) 工具交换时间采用高速自动工具换刀结构，减少非加工时间，其与过去的机床相比，加工时间减少一半。
! _' v* b/ h7 f0 H; l# Y4) B轴采用直接驱动电机，旋转速度可达到100r/min。可以进行以1°为单位的分度回转。它和一般的蜗杆涡轮驱动设计相比，其零部件的数量有很大程度的减少，所以可靠性有很大的提高。它也可以进行0.0001°度单位的任意角度的回转。由于采用直接电机驱动技术，不会发生传动系统滞后。它完全可以实现5轴联动来加工复杂部件。
5) 机床最高加速度为：X轴0.8g、Y轴0.4g、Z轴0.6g。采用重心驱动结构，机床的振动得到有效抑制，非切削时间缩短，生产能力得到提高。
" h$ o0 H( A" @0 i: d2 O4 b6) 该机床设计具有热变形最小的新热对称结构，并且其电控柜，主轴冷却油温度控制器的热源和床身实行隔离，减少它们对床身的热影响。
7) 复合加工机床具有的直线和回转轴的数量多，热源的数量也同样增加，所以设计时有对驱动丝杠实行冷却的专门措施，电机机座也有独立冷却措施。
( J6 |% I0 [: ^4 B8 \' e+ R8) 该机床具有实时干涉预测和防错的操作系统的装备。复合加工机床功能多，运动机构也复杂，操作错误或程序错误都会引起的机床碰撞。由于有了新开发的机床装备实时机械运动监视系统，它可以有效地防止机床碰撞的发生。
加工实例介绍

; `2 @' |5 n: {# q/ |汽车发动机气缸头(图7)

- q0 C  z- X7 J: P5 P+ H飞机发动机涡轮(图8)
3 w4 U8 l+ R  X7 n% m& `% k3 q该案例采用5轴联动加工，材料是直径150mm长150mm的合金棒材，主轴回转速度12000r/min。工具是半径6mm的球头刀。

1 X- u7 J0 _1 U7 g* |+ H飞机发动机叶片(图9)
该案例运用4轴联动控制，工件的中心通过两主轴支撑，被加工材料是铝合金，所用刀具是半径为6mm的球头刀。加工条件是：主轴回转速度4000r/min，B轴的回转速度100r/min。
文章关键词： 数控车床