机床的复合化发展

魔神

    

　　随着经济的全球化，产品的市场竞争日益加剧，这促使企业不断缩短产品的创新和开发周期，提高产品性能、加快产品更新换代和增加产品品种。同时，在生产上积极推行优化的生产工艺流程，以便确保产品质量，降低生产成本和缩短生产周期，增强企业的竞争力。在这样的背景下，近几年来，在金属加工业里出现愈来愈多的采用复合机床对复杂工件进行综合加工的明显趋向。用户已不需要单纯进行车削工序的机床，而要求制造厂家提供除了车削工序外还能实现像钻削、铣削、镗削和磨削等工序的多功能机床。通过在一台机床上的多种不同加工工艺的集成，实现工件尽可能在一次装夹下的综合加工，由此达到减少机床和夹具、免去工件工序间的搬运和中间储存，提高工件加工精度、缩短加工周期以及节省作业面积等目的。因此，采用这类复合机床对复杂件进行综合加工，就可以减少设备投资、降低生产成本、提高加工质量和缩短生产周期，由此获得显著的技术经济效果。

　　这类复合机床采用多轴控制，视机床的加工任务而配有转塔刀架，或配有多个主轴头，大多还配有刀库和上下料装置，机床调整一般可通过NC程序来实现，具有较高的加工柔性。因此，这类复合机床特别适合于工件投产批量较少(有时只有一件)品种又多的中小企业使用，也可在工件中批量轮番生产中使用，而在大批量生产中使用复合机床，主要是为了确保工件较严的加工公差。

　　从机床技术的发展历程看，这类复合机床也并非是最近才发展起来的一种新型机床。其实早在二十世纪50年代末期出现的镗铣类加工中心就是一种多功能复合机床，这类机床通过换刀就可实现铣、钻、镗和攻丝等多种不同的加工工艺，配备了回转分度工作台和立、卧自动转换的摆动主轴头后，又可实现箱体件的五面综合加工。继镗铣类加工中心之后出现的车削中心，更是一种典型的复合机床。而这类车削中心在多轴控制和工艺集成方面的发展则尤为突出。在这类机床上，工件轴(C轴)除了可以实现高速旋转外，还可进行回转分度。通过配置转塔刀架、固定刀具和旋转刀具可进行车、铣、钻(径向或轴向)、切螺纹、铰和滚压等多种加工工艺。在80年代末期，在这类机床上已出现配置多个转塔刀架，有的还配置双主轴(两个C轴)，由此进一步提高了车削中心的工艺集成度，实现工件较广范围的综合加工。

　　可以看出，目前众多的车铣中心(图1)和车磨中心，实际上都是在以往车削中心的基础上发展起来的，有的则是综合了加工中心和车削中心的技术优点而发展起来的复合机床。

　　近年来，由于受用户需求和技术进步的推动使复合机床出现了迅速发展的势头。鉴于产品市场寿命的不断缩短和产品更新换代的加快，以及产品零件的几何形状日趋复杂和精度要求愈来愈高，对于这类零件的加工，企业必然要寻求一种新的加工策略，也就是需要在一台机床上通过工艺集成和多轴控制进行综合加工的模式来实现，由此确保工件的加工精度、缩短工艺流程时间和降低制造费用。而近10年来，由于刀具、驱动和控制技术领域里的长足进步，致使目前众多的复合机床进一步提高了工艺集成度(增加了硬车、硬铣、磨削、滚铣齿轮、激光淬火、激光雕刻、激光辅助加工和插补加工等)。

　　扩大了加工柔性(配置多个转塔刀架和主轴头，配置B轴或配置刀库等)，同时通过采用模块化结构使机床配置更趋灵活，更易于满足用户实际加工任务的需求。

　　加工精度因受最小切屑厚度的限制，在车削过程中无法实现µm范围的测量和修整控制加工精度在磨削过程中可实现µm范围的测量和修整控制

　　圆度(0.5-1)µm

　　(0.2-0.5)µm

　　粗糙度Ra (0.2-0.5)µm

　　(0.1-0.4)µm

　　精度等级IT5

　　IT4

　　目前，市场上最流行的复合机床要指车铣中心和车磨中心(见表1)。在这类机床上主要加工以棒料件为主的各种复杂零件。据报道，所有车削件有70%是用棒料加工而成的，而有60%的车削件，其铣削加工量约要占到整个加工量的35%。因此，也就十分自然地使两种加工工艺集成到一台机床上，形成以车、铣为主体工艺的车铣中心。机床配有转塔刀架，有的设有上下两个转塔刀架，视加工需要，装在两个刀架上的刀具还可同时对工件进行加工。固定刀具用于车削、切槽、车螺纹和滚压，驱动(旋转)刀具则用来进行铣削、钻削、攻内螺纹和插补加工等。

　　有的车铣中心配有背主轴(C2轴)，当工件在一个主轴(C1轴)上完成加工后，可自动换夹到C2轴上实现工件的调头加工，这样就可实现工件的六面加工或全部加工。目前，在车铣中心上轴数多的达(9～12)个，在转塔刀架上一般可实现X、Y和Z三个线性轴的移动，并设有B轴，有的还配置了刀库，通过机械手实现自动换刀，由此使这类车铣中心具有了加工中心的特性。

　　当转塔刀架或刀具主轴头设有B轴后，刀具主轴头可在一定的角度范围内实现摆动回转，如Niles Simmons公司用于曲轴综合加工的CNC车铣加工中心，其车铣头可以在-105°～ +95°范围内回转，这样，装在车铣头上的刀具就可以从所有侧面和任何角度位置对工件进行加工。

　　HSK规格25 32 40 50 63

　　d1 25 32 40 50 63

　　d2 尺寸19 24 30 38 48

　　公差+0.006 +0.004 +0.007 +0.005 +0.007 +0.005 +0.009 +0.006 +0.011 +0.007

　　d3 尺寸18.15 23.27 29.05 36.90 46.53

　　公差+0.004 +0.002 +0.005 +0.003 +0.005 +0.003 +0.006 +0.003 +0.007 +0.003

　　车磨中心是硬车和磨削进行复合以用来对淬硬轴类工件进行综合加工的一种精密机床。尽管刀具技术已取得长足进步，硬车替代磨削获得很大进展，但根据目前刀具和机床的技术水平，硬车能达到的加工精度最高为IT5(表2)。原因是，由于受刀具最小刀尖半径和其强度的限制，用硬车尚不能切下μm大小的切屑。因此，硬车还不能完全替代磨削，所以在加工高于IT5精度加工时，仍要通过磨削来实现。硬车和磨削可以分别用于加工不同精度要求的部位，而这两种加工工艺的复合其主要优点还在于：用预硬车可以减少磨削余量，从而显著地降低磨削的基本时间。在这里，从加工空心锥柄(HSK)(图2)的实例中，可以看出硬车和磨削复合的技术经济效果。空心锥柄是一种高精度复杂零件，其定位锥面d2和d3的精度要求相当于IT2。在车磨中心上，工件内轮廓上的夹紧斜面和换刀用的夹持槽可以用硬精车进行加工，而外轮廓上公差要求很严的定位锥面和支承锥面先进行预硬车，留一定的磨削余量，然后通过采用测量控制的磨削进行终加工。由于采用预硬车，从而降低了磨削时间，并且也减少了砂轮的修整时间。由于磨削余量小，每磨削一个工件也并非都要对砂轮进行一次修整。并由于上述工序是在HSK刀柄一次装夹下完成的，从而保证了这些功能表面间的相互位置精度。对于HSK A 63规格的刀柄，完成上所述工序也仅需(95～120)s，显著地缩短了加工时间。在车磨中心上，还可以利用背主轴对HSK刀柄进行第二次装夹，以实现工件调头加工。

　　车磨中心通常也是按模块化原理设计的，可按用户具体的加工任务进行选择装配。例如Index公司的车磨中心可根据用户要求配置内圆或外圆磨削主轴头、刚玉砂轮修整系统、电气机械自动动平衡装置、测量装置和识别砂轮磨削切入的固体声监控装置等。除上面所述的各种不同型式的车铣和车磨中心外，机床的复合化同样也在向加工中心和专能机床范围发展。

　　车磨中心通常也是按模块化原理设计的，可按用户具体的加工任务进行选择装配。例如Index公司的车磨中心可根据用户要求配置内圆或外圆磨削主轴头、刚玉砂轮修整系统、电气机械自动动平衡装置、测量装置和识别砂轮磨削切入的固体声监控装置等。除上面所述的各种不同型式的车铣和车磨中心外，机床的复合化同样也在向加工中心和专能机床范围发展。

　　这种发展旨在使以往需要几台机床才能完成的工件加工，通过工艺集成而转向采用一台机床进行综合加工。例如Niles Simmons公司的车-铣加工中心，就是在曲轴专能机床的基础上通过集成多种不同加工模块而组成的复合机床，在该机床上曲轴在一次装夹下实现综合加工，这不仅替代了以往采用的多台专能机床，并且由于免去了重复装夹而显著地提高了加工精度。又如Makino公司在加工中心上集成磨削和珩磨工艺对涡轮叶片和空气压缩机壳进行综合加工。在加工叶片时表明，加工精度可得到明显提高，工艺能力指数(Cpk)从1.33提高到2.5以上，而加工时间从以往的2.2小时降低到36分钟。

　　从复合机床的发展和应用中，我们可以看出，产品构件几何形状愈来愈变得复杂和加工精度日益的高质量要求，只能通过把许多加工工艺尽可能集成到一台机床上并在一次装夹下的加工模式来实现。由此避免工件工序间的换夹而影响工件的形状精度和位置精度。

　　工序集成，多轴控制，实现综合加工的这种发展趋势，对机床配置，刀具技术，换刀技术和控制技术进而提出了高要求。对电主轴不仅要求结构紧凑，而且要求其除能进行粗、精加工外，还应实现高速切削。

　　可以预料，随着相关技术的进一步发展，以及新的加工工艺的出现，机床的复合化还将有很大的发展。并仍将是机床发展的一个重要方向。

　　复合机床的大量出现，必将使机床在类别的界线上变得越来越模糊起来，统一机床主轴与刀夹、刀夹与刀具之间的接口将越来越具有重要意义。【MechNet】