数控机床复合加工的新发展

魔神

    

　　复合加工是数控机床的一个重要技术发展趋向。本文介绍了复合加工的基本概念，并分别阐述了棱柱体类零件和回转体类零件复合加工机床的发展过程与现状。

　　概述

　　在面向大批大量生产的组合机床上，多工序复合加工概念便已得到一定的体现，但这属於刚性自动化范畴。而当今所谓复合加工，则是指在柔性自动化的数控加工条件下，当工件在机床上一次装夹後，能自动进行同一类工艺方法的多工序加工(比如同属切削方法的车、铣、钻、镗等加工)或者不同类工艺方法的多工序加工(比如切削加工和激光加工)，从而能在一台机床上顺序地完成工件的全部或大部分加工工序。

　　显而易见，把许多加工工序集中到一台机床上完成，不仅消除了分散加工时工件在各工序流通过程中的运输和等待时间，相应缩短工件的加工周期和降低车间的在制品数量，而且由于工件不需要在不同(或同一)机床上重新定位装夹，从而既减少了加工辅助时间，又提高了工件的加工精度特别是形位精度。所以自数控机床发明以来，复合加工便是其重要的技术发展方向之一。1958年问世的加工中心，便是最早出现的复合加工数控机床。

　　下文将分别对棱柱体类零件(如箱、壳、板等)和回转体类零件(如轴、套、盘等)的复合加工机床进行阐述，重点放在充满生机和活力的回转体类零件复合加工上。

　　棱柱体类零件的复合加工机床

　　加工中心是通过自动换刀和工作台分度来对棱柱体类零件进行多工序(铣、钻、镗、攻丝等)和多面复合加工的。实践证明，加工中心确实有利于解决中、小批量机械制造企业交货期长、资源利用率低、在制品多和资金周转慢的弊端，因而在工业生产中获得愈来愈普遍的应用。据专家估算，2001年全世界加工中心的拥有量已超过40万台，同年全球的产量也近5万台，加工中心业已成为机械制造业的主力加工设备。

　　其后，人们又通过加工中心主轴头自动旋转90度立卧转换等方式，使加工中心不仅可以加工箱体件的4个侧面，而且可以加工第5个面-顶面，从而纷纷推出所谓5面加工中心，这也可以算作加工中心复合加工功能的一个提高。近年来，随着5轴联动数控系统和编程软件的降价与普及，5轴联动的5面(或多面)加工中心已经成为近期国际机床展一个新的热点。最近推出的可在一次装夹下对棒料的6个面进行铣、钻等加工的棒料加工中心，则是加工中心多面复合加工能力的新发展。

　　棱柱体类零件方面不同工艺方法的复合加工，目前引人瞩目的倾向是切削加工与激光加工或超声加工相复合。德国DMG公司几年前就在高速铣床的基础上增加了一个激光加工头，推出了铣削与激光复合加工的机床DMU60L(现在的型号是DML60HSC)。该机装有1个功率为100W的Q开关YAG激光器，光束直径0.1mm、加工效率20mm3/min。工件(主要是模具)在这种机床上一次装夹后，先用高速铣头完成绝大部分工作量，再用激光头以层切方式进行精加工，去掉型面的铣削痕迹和加工出精细部分，包括雕刻花纹和图案。

　　玻璃、陶瓷、硬质合金等硬脆材料，用传统的工艺方法是很难加工的，然而，如果在传统的铣削、钻削、磨削的过程中加上高频振动运动，即把超声技术与切削加工技术相结合，则加工效率会显着提高。德国DMG公司之DMS系列超声加工机床，就是借助主轴上的转换器把超声发生器的电气高频信号转换成20KHz的机械振动运动(纵向运动)，然后由调压器放大和控制振动幅值，再通过获得专利的Sauer圆锥形刀夹，把振动全部传给金刚石颗粒制成的铣刀、钻头或砂轮，使刀具在加工过程中对工件表面进行20,000次/秒的连续敲击，将零件表面材料以微小颗粒形式分离出来。

　　不仅其加工效率比传统方式提高5倍，而且表面粗糙度也可达到Ra<0.2μm。DMS系列超声加工机床，有3轴联动控制和5轴联动控制两种类型，主轴转速20～6000r/min，还可选配刀库和自动换刀装置，从而成为既具有超声加工功能，又能进行钻、铣、磨等多工序复合加工的机床。

　　回转体类零件的复合加工机床

　　车削中心的发展

　　有相当一部分回转体类零件(有人估计占1/2左右)，除了车削外，还需要进行铣削、钻孔、攻丝等操作，加上回转体件每道工序的加工时间相对较短，因此迫切需要在一台机床上一次装夹下对回转体件进行多工序复合加工，从而终於在上世纪70年代开发出车削中心。与普通数控车床相比，车削中心的转塔刀架上装有可使铣刀、钻头、丝锥旋转的动力刀具，同时机床主轴上还具有可按数控程序精确分度和与X轴或(和)Z轴进行插补联动的C轴功能。这种能在一次装夹下对回转体件进行车、铣、钻、镗、攻丝的3轴(X、Z、C)控制车削中心，迄今仍是工业生产中用得最多的回转体件复合加工机床。其后，车削中心又进一步向扩大加工工艺范围方向发展，为了钻削或铣削偏离回转体件中心线的孔或槽，又开发出带Y轴控制的转塔刀架，并相应推出了4轴(X、Y、Z、C)控制的车削中心。

　　不过，单主轴车削中心无论怎样扩大工艺范围，仍无法解决回转体件在一次装夹下的背面二次加工(即工件夹持端的加工)问题，因而在上世纪80年代又出现了双主轴车削中心。这种机床的两根主轴大多是在同一轴线上对置排列，以便在加工完回转体件的主要一端后，由第二主轴将工件从主轴上自动摘取过来以加工夹持端。由于夹持端的加工任务一般都相对简单一些，故第二主轴通常称为副主轴，其功率也相对小一点。双主轴车削中心可以配一个刀架，但大多是两个刀架，以利于提高加工效率和更充分发挥机床设备的潜能。

　　双主轴车削中心的布局各式各样，图3所示Hardinge公司的双主轴车削中心具有典型性。该机在床身上方的同一轴线上，配备有相互对置的主轴(18.65kW)和副主轴(11kW)，两主轴的转速均为40~4000r/min，并都可以有C轴控制，副主轴还可沿轴线方向运动以摘取在主轴上加工完一端的工件。在主轴的上方和副主轴的下方各配有一个10刀位的转塔刀架，转塔刀架上每个刀位均可配备功率为3.7kW、转速为80～8000r/min的动力刀具，上刀架为3轴(X1、Y1、Z1)控制，下刀架为2轴(X2、Z2)控制。

　　车铣中心的兴起

　　从车削中心基础上发展起来，90年代后期开始成为热点的5轴控制(X、Y、Z、B、C)车铣中心，则不仅进一步增加了B轴控制(使刀架绕Y轴转动)，以钻斜孔和铣斜面，并且不采用车削中心传统的转塔刀架型式，而代之以高转速和更大功率的电主轴刀架。由于刀架上这根电主轴每次只能装1把刀具(车削时电主轴被锁住，不转动)，故也要像加工中心那样配备自动换刀机构和刀库。这种机床的铣、钻能力相当於1台小型乃至中型加工中心，其实质是把数控车床和加工中心融为一体，故命名为车铣中心。

　　日本山崎马扎克公司在CIMT 2003上展出的车铣中心Integrex 200-ⅢST，是该公司Integrex系列中较新的一种，增加了可沿X2和Z2轴运动的下转塔刀架。机床上对置排列有主轴和副主轴，两主轴最高转速均为5000r/min，功率分别为22/15kW和18/15kW。主轴的C轴功能最小分度值0.0001°，可实现轮廓加工，副主轴则能沿主轴中心线移动以摘取工件。上面的电主轴刀架除可沿X1、Z1轴移动外，还有Y轴行程±80mm、B轴转角225°，电主轴上的刀具自然可以更换，相应的刀库容量20把(任选40或60把)，换刀时间1.3s(刀到刀)。为了减少换刀次数，Mazak公司开发了一种名为Flash Tool的圆柱形刀柄，沿刀柄圆周上安装有多个刀片而成为复合刀具，在加工过程中可以充分利用这种复合刀具上的不同刀片以及同一刀片上的不同刃边(电主轴分度後可在不同方位被锁住)，使其最多能代替12把不同的刀具使用。

　　车铣中心多为卧式布局，但也有类似于立式车床布局的车铣中心，以加工大直径、短长度的回转体零件。比如Mazak公司的Integrex V系列立式车铣中心，其回转工作台是为强功率、高精度车削加工大直径零件设计的，但同时也秉承了Integrex机床的设计思路，除有X、Y、Z三个移动轴外，还有控制工作台回转的坐标轴，特别是安装刀具的电主轴(需要自动换刀)可在立/卧范围内摆动，从而好似把1台数控立式车床和1台可进行立卧转换的多面加工中心集成在一起。

　　除了上述从数控车床基础上发展起来的车铣中心外，近期又从加工中心基础上派生出另一类车铣中心。这类车铣中心工作台回转速度高于原来的加工中心，同时机床的(电)主轴还要能被锁住而且可以装上车削刀具，德国DMG公司新近开发的车铣中心DMU80FD便属於这一类型。DMU80FD的结构与该公司DMU P系列加工中心完全相同，而且具有P系列加工中心的5轴和5面高速铣削等全部加工功能，该机工作台采用了直接驱动技术，最高转速为500r/min，同时机床主轴的最高转速也达12000r/min，因此工件在这种机床上一次装夹後便可高效率地实现5面和5轴加工以及从铣、钻、镗、攻丝到车削的复合加工。

　　不同工艺方法的复合加工及新兴的车磨中心

　　10年前，德国Traub公司就可提供配备有YAG激光头的车削中心，但应用较少并未形成潮流。上文所述的Integrex 200-ⅢST车铣中心，也能为回转体件提供可实现其它加工工艺方法的各种选件，例如可以提供激光淬火装置和砂轮轴，能够在车、铣、钻、镗等操作之后进行表面淬硬和内、外圆磨削。不过从目前情况看，这类不同工艺方法的复合加工，一般更适合在单件和批量较小的条件下使用。但也不尽然，近年来出现的车磨中心，就适合包括汽车制造等大批量生产在内的各种批量生产情况使用。

　　现在市场上所谓的车磨中心，是指对淬硬的回转体件进行硬车和精磨的复合加工机床。1998年德国Emag公司展出了全球首台倒置式车磨中心，2000年投入生产使用。图7所示的Emag车磨中心，配置有车刀和磨削主轴的转塔刀架在主轴下方，只进行分度转动不移动，主轴在上作X轴和Z轴运动(由主轴内的套筒完成Z轴运动)并负责上下料。它主要用於加工淬硬的盘、套类零件，如传动齿轮、滑动联轴器、外星轮、轴承环等。凡是硬车能达标的部位都由车削完成，需要磨削的部位硬车后也只留下几μm的余量，这样不仅生产效率高，而且加工质量好。如今Emag的车磨中心已有多种类型，其中有的还增加了Y轴控制功能，刀具配置则更加灵活，根据需要最多可配置4个磨削轴、12把车刀。

　　德国Schaudt Mikrosa BWF公司最近推出了另一种结构型式的车磨中心STRATOS。这种车磨中心没有转塔刀架、刀具(车刀、内圆与外圆磨削装置)在主轴下方沿X向的T形槽柔性配置而形成不同的工位(最多为5个工位)，居於上方的主轴可进行X轴(由直线电机驱动)和Z轴移动并能自动上下料。在主轴旁边还配备有砂轮修整系统、磨削区和车削区则采用隔断门分开。

　　多工序复合磨削

　　对于回转体工件而言，完全可以在数控磨床上实现多工序复合磨削。比如数控外圆磨床，一般有控制砂轮架前后移动的X轴，控制工作台左右移动的Z轴，并可配备控制工件主轴旋转的C轴。借助X轴和C轴的联动控制，可以磨削不同心的圆形表面和各种非圆形表面，通过C轴和Z轴的联动控制，可以磨削螺纹，若再加上砂轮架绕中心回转的B轴，则可自动磨削各种锥度。同样的道理，工件在数控凸轮磨床上一次装夹后，可以磨削凸轮轴的桃形、主轴颈、止推面和端部，数控曲轴磨床则可在一次装夹下磨削曲轴的主轴颈和曲柄销(比如德国Schaudt Mikrosa BWF公司的ZEUS磨床)。

　　世界上颇有名声的德国Junker公司的高速点磨(Quickpoint Grinding)外圆磨床，就是使用宽度为4～6mm的薄砂轮，在砂轮轴线与工件轴线成一倾角的条件下进行磨削(这时砂轮与工件理论上变为点接触，故称点磨)。凭借此种磨床的数控(联动)功能，在工件一次装夹的条件下可以用高达140m/s的磨削速度对工件的锥面、台肩、外圆、螺纹、圆角和非圆表面进行多工序复合磨削。此外，市场上还流行一种在一次装夹条件下磨削轴类零件外圆、端面和内孔的复合磨床，在它的回转式砂轮架上装有2个外圆砂轮(或外圆、端面砂轮各1个)和1个内圆磨头，通过砂轮架的回转分度来实现内外圆及端面磨削。这种数控磨床在X轴和Z轴的基础上增加了控制砂轮架回转的B轴，还可选配控制工件主轴回转的C轴，瑞士Studer公司的S21和S31磨床便是此类复合磨床的代表。

　　结语

　　采用多工序复合加工数控机床，无疑可以显着缩短工件加工的过程链，因而愈来愈受到多品种、中小批量机械制造企业的青睐。现在，随着消费的个性化和产品更新换代速度的加快，大批大量生产的柔性化已是大势所趋，工序分散的刚性自动化装备已开始部分被工序集中的柔性自动化装备所取代。所以总的说来，柔性自动化条件下的复合加工具有发展潜力，特别是不同工艺方法的复合加工，目前发展得尚不充分。

　　虽然复合加工是发展方向，但从装备结构设计和加工经济性的角度看，数控机床多工序复合加工能力还是有一个界线为好。以面向回转体件的数控机床为例，目前的工序集中度基本上以热处理为分界线，而且在多数情况下，齿形等特殊加工仍以使用专门化机床为宜。在一台机床上一次装夹下从毛坯到成品的全部加工，当前仅仅适用于一定范围的零件和生产方式。

　　总的来说，复合加工技术的发展需要从三个方面一起推进：一是复合加工机床设计制造技术的优化改进；二是相应的高性能数控系统的发展；三是应用技术水平的提高。应该看到，车铣中心、五轴五面加工中心等高层次复合加工机床能否在工业生产中成功运行，与应用技术水平密切相关，特别是应用技术中的编程技术(含後置处理)、防止干涉和碰撞的仿真检查技术、刀具技术等至关重要。【MechNet】