組合加工機(jī)床的出現(xiàn)和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床的興起

數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床的門類及其代表性產(chǎn)品

1. 鏜銑加工中心： 以普通數(shù)控銑冯遂、鏜床為基礎(chǔ)蕊肥，配以相應(yīng)的刀庫和自動換刀裝置等功能部件及控制系統(tǒng)發(fā)展而成，如一般3軸聯(lián)動控制的立式蛤肌、臥式和龍門式鏜銑型加工中心壁却，圖1是美國哈斯公司生產(chǎn)的立式加工中心，它以加工棱柱體零件(含箱體裸准、殼體和板塊件等)為主要對象展东，工件在其上一次裝夾后，通過機(jī)械手按加工程序從刀庫上選取并更換主軸上的刀具炒俱，便可對工件的水平面進(jìn)行1-3維銑削加工盐肃，如銑平面、銑輪廓没靖、銑型腔曲面锚倦，以及鉆孔、鏜孔、攻絲等加工工序任咨。這是最常見常用拌艳、也是最普通的棱柱體加工用的數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床，但這種機(jī)床的工藝能力有限雁巾，如工件的一次裝夾只能在垂直于主軸的一個面內(nèi)進(jìn)行加工躬摆，對箱體件上垂直于此面的其他平面則不能加工，更不能對工件上處于任意空間位置的平面進(jìn)行加工岔霞。與此類似阻洋，3軸聯(lián)動的臥式加工中心雖然可以通過工作臺的轉(zhuǎn)位加工箱體件的4個側(cè)面，但卻不能加工箱體件的頂面阵厨。
   

   圖2 米克朗公司的五軸聯(lián)動立式加工中心

2. 五面加工和五軸聯(lián)動加工中心： 為了克服普通鏜銑加工中心存在的上述工藝局限性败芙，人們在以普通鏜銑加工中心為基礎(chǔ)，將原來固定指向的主軸頭換成可以立惫谤、臥自動轉(zhuǎn)換的主軸頭和采用可回轉(zhuǎn)分度的工作臺壁顶，這樣的機(jī)床就可以在工件一次裝夾的條件下，獲得5面(如箱體類工件)甚至更多面的加工能力溜歪，成為5面乃至多面加工中心若专。如果將普通鏜銑加工中心的主軸換成具有數(shù)控單擺(A或B軸)或雙擺(C和A或B軸)功能的電主軸，或在工作臺上配上具有C軸或C和B軸轉(zhuǎn)動功能的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺蝴猪，當(dāng)然還有相應(yīng)的5軸聯(lián)動控制的數(shù)控系統(tǒng)调衰，則機(jī)床就發(fā)展成為五軸聯(lián)動的加工中心。圖2為米克朗公司生產(chǎn)的5軸聯(lián)動立式加工中心自阱。其三個直線軸分配在主軸頭和工作臺上嚎莉，兩個回轉(zhuǎn)軸則由回轉(zhuǎn)工作臺來完成。
   5面或多面加工中心與普通加工中心的功能區(qū)別主要在于：它不僅能在直垂于主軸的平面內(nèi)完成普通加工中心所能完成的全部加工工序沛豌，還能在與該平面相互垂直的其他平面(除工件的裝夾面外)內(nèi)完成同樣的加工任務(wù)趋箩。而5軸聯(lián)動加工中心則既具有多面加工中心的全部加工功能和能力，還具有對工件上任意空間位置的表面(平面加派、斜面或曲面等)進(jìn)行銑叫确、鏜、鉆的加工的能力叁渣。所以它的工藝范圍更廣玲装，能力更強(qiáng)。
   
   

   圖3 Spinner公司的車削中心

3. 車削中心： 通常是以普通數(shù)控車床為基礎(chǔ)炼注，配以一個或多個具有多刀位的轉(zhuǎn)塔刀架發(fā)展而成怕翘，加工對象主要是軸類和盤套類等回轉(zhuǎn)體零件易传。由于回轉(zhuǎn)體件中約有一半左右的零件方数，除主要需車削加工外，還需部分的銑削、鉆削和攻絲等加工询烤，因此為了在一臺車床上一次裝夾便可對回轉(zhuǎn)體件進(jìn)行全部或大部分的加工忙甩，車削中心的轉(zhuǎn)塔刀架上，除了裝有車削刀具外旷酗，還能裝上銑刀揉罗、鉆頭和絲錐等旋轉(zhuǎn)的動力刀具，而且機(jī)床主軸具有數(shù)控精確分度的C軸功能和C與Z軸或和C與X軸聯(lián)動的功能星嗜。這樣一臺車削中心不僅可以像普通數(shù)控車床那樣能對回轉(zhuǎn)體件的內(nèi)外表面(含圓柱面掷情、錐面、曲面等)瘩将、端面進(jìn)行車削加工吟税，還可以利用C-Z軸聯(lián)動功能車螺紋，利用C軸分度功能和刀架的X或Y軸控制以及其上的動力旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行偏離回轉(zhuǎn)體件中心線的鉆孔和銑削姿现，從而大大地擴(kuò)展了數(shù)控車床復(fù)合加工的能力肠仪。圖3是SPINNER公司車削中心。但是备典，對于單主軸的車削中心而言异旧，無論其工藝能力如何擴(kuò)大，也無法解決回轉(zhuǎn)體件一次裝夾下的背面(原裝夾端)二次加工問題提佣，這正是單主軸車削中心存在的不足和開發(fā)新型車削中心的原因所在吮蛹。
   

   圖4 雙主軸車削中心

4. 雙主軸車削中心： 為了克服單主軸車削中心存在的不足，機(jī)床的設(shè)計制造者采取了在單主軸車削中心的基礎(chǔ)上镐依，增添一個與原主軸在軸線上對置的副主軸和一個多刀位的副轉(zhuǎn)塔刀架匹涮，使機(jī)床成為雙主軸雙刀架的車削中心(圖4)。正副兩主軸同步同向旋轉(zhuǎn)并都具有C軸控制的功能槐壳，副主軸還能沿軸向Z移動然低，以拾取在正主軸上完成右端加工的零件。副主軸拾取完工件退至適當(dāng)位置后即由副刀架上的刀具對其左端(原夾持端)進(jìn)行加工课妙。正拘挖、副兩個刀架分別位于正、副主軸的上翎钳、下方挑画，并可分別單獨(dú)編程工作，因此雙主軸鸣丝、雙刀架車削中心就能對回轉(zhuǎn)體件實現(xiàn)一次裝夾完成全面加工猎肄。
   

   圖5 DMG公司的Linear系列車銑中心

5. 車－銑復(fù)合加工中心和銑－車復(fù)合加工中心： 前者多以單主軸或雙主軸的車削中心為基礎(chǔ)，將上轉(zhuǎn)塔刀架改為配有刀庫和換刀機(jī)構(gòu)的電主軸銑頭而成瘪巡，如日本山崎馬扎克公司生產(chǎn)的Integrex-IVST系列和德國DMG公司生產(chǎn)的GMX Linear系列(圖5)的車銑復(fù)合加工中心等欠住，其電主軸銑頭既可沿X₁浮烫、Z₁軸移動，還有Y軸行程和B軸的轉(zhuǎn)動揉民。后者——銑杆荐、車復(fù)合加工中心則多以五面或五軸聯(lián)動的銑鏜加工中心為基礎(chǔ)，并將旋轉(zhuǎn)工作臺換成轉(zhuǎn)速比普通轉(zhuǎn)臺高得多的力矩電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)臺發(fā)展而成鼎嫉。無論是前者還是后者诉濒，兩者均同時具有數(shù)控車床和加工中心的功能，都是為了滿足既具有回轉(zhuǎn)體件特徵夕春，又具有棱柱體件特徵的復(fù)雜形狀零件的加工需要而發(fā)展起來的未荒。但值得一提的是：在銑－車復(fù)合加工中心上執(zhí)行車削任務(wù)時，力矩電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)臺將作為車床的工件主軸用及志，而原來作為銑削加工中心的銑頭主軸茄猫，現(xiàn)在則必須鎖住并裝上車刀作為車床的刀架用。由于多軸控制困肩、五軸聯(lián)動的車－銑中心和銑－車中心既能完成各種車削工序划纽，又能完成各種鉆、銑锌畸、鏜勇劣、攻絲等工序；不僅可分別加工回轉(zhuǎn)體件和棱柱體件潭枣，而且都特別適合加工形狀很復(fù)雜的混合體件比默，其工藝范圍之廣和能力之強(qiáng)，可謂是當(dāng)今切削復(fù)合加工機(jī)床的佼佼者盆犁。
   

   圖6 STUDER生產(chǎn)的磨削中心

6. 磨削中心： 一般是以數(shù)控外圓磨床為基礎(chǔ)發(fā)展而成帅唬。為此通常采用了兩項主要的技術(shù)措施；(1)工件主軸改用具有C軸控制和鎖住功能的電主軸蘸腾；(2)砂輪頭架采用雙滑臺和或具有B軸擺動功能的轉(zhuǎn)塔式砂輪頭架噪怜，以安裝2個以上的砂輪(如適于外圓和內(nèi)圓磨削用的，適于端面磨削和成形磨削用的等)鸟焊，以滿足不同磨削工序的需要予售。由于數(shù)控外圓磨床一般都有控制工作臺左右移動的Z軸和砂輪頭架前后移動的X軸功能，這樣回轉(zhuǎn)體件在機(jī)床上一次裝夾后藕龄，便不僅可以磨削外圓湿斩、內(nèi)圓、臺肩端面等削蕊，還可以利用工件軸的C軸控制功能在工件的外表面上磨削平面和多棱面忧埠；通過X軸和C軸的聯(lián)動控制磨削各種圓形表面和非圓形表面；通過C軸和Z軸的聯(lián)動控制磨削螺紋元丈；利用砂輪頭架的B軸擺動磨削各種不同錐度的圓錐面等坤乌。圖6就是STUDER公司在以數(shù)控外圓磨床為基礎(chǔ)發(fā)展起來的磨削中心共胎。
   

   a) Schaudt的KAIROS車磨中心	b) EMAG的倒置式車磨中心
   圖7 車—磨復(fù)合加工機(jī)床

7. 車－磨復(fù)合加工機(jī)床： 一般是在現(xiàn)代數(shù)控車床應(yīng)用的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)某些經(jīng)淬硬的回轉(zhuǎn)體零件捅位，如主軸、傳動齒輪和軸承環(huán)等盤套類零件的加工要求而發(fā)展起來的搂抒。為此通常在數(shù)控車床上配備了高速CBN砂輪磨削單元和相應(yīng)的磨削測量與控制系統(tǒng)艇搀，如EMO 2005上Schaudt公司展出KAIROS車－磨復(fù)合加工中心(圖7.a)和EMAG公司展出的倒置式車－磨復(fù)合加工中心(圖7.b)就是例子。標(biāo)準(zhǔn)型的KAIROS機(jī)床一般配置2~3個滑臺求晶，分別用來安裝高速磨削主軸頭和車焰雕、銑刀具的轉(zhuǎn)塔刀架。砂輪直徑Φ400mm芳杏，轉(zhuǎn)塔刀架有8個刀位矩屁，機(jī)床可用于車削和磨削長達(dá)1000mm的軸類零件。EMAG倒置式車－磨復(fù)合加工機(jī)床的主軸(帶工件)頭架在上方爵赵，作X和Z軸運(yùn)動吝秕，主軸端的下方配有可安裝車刀和砂輪主軸的轉(zhuǎn)塔刀架，它們只作分度旋轉(zhuǎn)而不作移動空幻，機(jī)床既能像普通數(shù)控車床一樣完成車削加工工序烁峭，也能像普通數(shù)控外圓磨床一樣完成磨削加工工序。主要用于淬硬的盤秕铛、套類零件加工挤毯。
   
   除了上述門類和結(jié)構(gòu)型式外，數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床還有許許多多的其他門類和結(jié)構(gòu)配置型式讯完，在此就不一一介紹了两漫。
   
   
   數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床的發(fā)展趨勢與方向
   
   從近年國內(nèi)、外舉辦的國際性機(jī)床產(chǎn)品展覽會上所展出的數(shù)控機(jī)床新產(chǎn)品和有關(guān)的評論分析資料來看于扳，數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床的主要技術(shù)發(fā)展趨勢和方向宅集，較集中的表現(xiàn)如下：
   
   1. 繼續(xù)擴(kuò)大單臺數(shù)控機(jī)床的復(fù)合加工能力。通過對工藝過程和工序的優(yōu)化(如合并炸穿、簡化加工過程)盒咪、刀具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)(如采用組合刀具、專門刀具等)減少工藝勘春、工序及所需工具的數(shù)量瘟麻；通過機(jī)床結(jié)構(gòu)和配置的創(chuàng)新(如多軸控制的主軸頭、多刀位的轉(zhuǎn)塔式刀架和砂輪頭架等)刹埋，增加機(jī)床的靈活度钮咱、刀具的儲備量和自動提供(更換)刀具的能力，從而提高機(jī)床復(fù)合加工的能力这敬，使有更多的零件航夺、更多的工藝的和工序都能在一臺機(jī)床上一次裝夾后來加工完成蕉朵。例如現(xiàn)在不僅有了各種單一工藝的多工序復(fù)合加工機(jī)床，如車削中心阳掐、銑削中心始衅、磨削中心、沖壓加工中心等缭保，而且還有了車－銑復(fù)合汛闸、車－磨復(fù)合、車削－制齒復(fù)合乃至切削加工和激光加工復(fù)合艺骂、沖壓和鉆孔復(fù)合等多種工藝的多工序復(fù)合加工機(jī)床的出現(xiàn)和發(fā)展诸老。日本MAZAK公司新近推出Integrex-Ⅲst和Integrex-Ⅳ st系列的雙主軸五聯(lián)動的車－銑復(fù)合加工機(jī)床，除了具有車削钳恕、銑削功能外别伏，還具有曲軸加工、滾齒忧额、內(nèi)外圓磨削和激光淬火等加工功能厘肮。
   
   

   圖8 Chiron的DZ15W雙主軸立式加工中心

   2. 為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，特別是單臺復(fù)合加工機(jī)床的產(chǎn)出率武帚，數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床在向多主軸闺酬、多刀架、多工位的方向發(fā)展逃净。如EMO-2005上Chiron公司的新產(chǎn)品DZ15KW瑟捡，DZ18W，DZ12KS等都是雙主軸的加工中心萨羽；MAKINO公司的TWINFLEX MD為雙臥主軸或雙立主軸的加工中心占航，并各有換刀機(jī)械手；MAZAK的Integrex 300IV和德國STAMA的MC726/MT均為兩個車削主軸和一個銑削主軸的三主軸車－銑復(fù)合加工機(jī)床钙径；德國INDEX公司的V160D為雙主軸篙介、雙轉(zhuǎn)塔刀架的倒置式數(shù)控車床，可同時加工兩個相同的零件踊嘲；日本NAKAMURA-TOME公司的Super NTY³為雙主軸村肯，三轉(zhuǎn)塔刀架的車－銑加工中心，德國TRAUB公司的TNX80/65為雙主軸四轉(zhuǎn)塔刀架的車－銑中心等疏菩。這些機(jī)床之所以采用多主軸喊解、多刀架的結(jié)構(gòu)，除部分是出于加工工藝和工序的需要外郑诺，不少則是出于采用多主軸同時加工多個相同的零件和多刀架同時對同一零件進(jìn)行多工序加工夹姥，可以在加工時間上相互重合，從而能成倍地提高復(fù)合加工機(jī)床單位時間內(nèi)的產(chǎn)出成果辙诞。因為這些多主軸辙售、多刀架的機(jī)床實質(zhì)上是相當(dāng)于兩臺或多臺相同的數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床組合在一起轻抱，只是采用了共同的床身和由同一個數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制罷了。不過這樣的一臺多主軸多刀架機(jī)床的成本要比多臺獨(dú)立的單主軸機(jī)床的總成本要便宜旦部，所以在經(jīng)濟(jì)上還是合算的祈搜。
   
   3. 向大型的方向發(fā)展。因為復(fù)合加工的主軸優(yōu)點之一是減少零件在多工序和多工藝加工過程中的多次重新安裝調(diào)整和夾緊的時間士八，由于大型零件一般多是結(jié)構(gòu)復(fù)雜容燕、要求加工的部位和工序較多、安裝定位也較費(fèi)時費(fèi)事的零件曹铃，所以采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行復(fù)合加工比較有利。因此為了適應(yīng)大型重型機(jī)械行業(yè)發(fā)展大型產(chǎn)品的加工需要捧杉，數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床有向大型化發(fā)展的趨勢陕见。如在CIMT-2005上，北京市機(jī)電院高技術(shù)有限公司展出的MC2000龍門式五面加工中心募型，工作臺面為1250mm×2200mm指晾；秦川機(jī)床集團(tuán)展出VTM-180雙柱立式車－銑中心，最大車削直徑為Φ2400mm哀揽。在JIMTOF-2004上理斜，日本大隈公司展出的五軸聯(lián)動的動梁龍門加工中心工作臺面為2000mm×3000mm；德國瓦德里希?科堡公司新近推出的龍門式車銑復(fù)合加工中心睬肮，工作臺面寬度達(dá)4500mm～6500mm伐薯。今年CCMT-2006上，沈陽機(jī)床股份有限公司展出的Schiess VMG 1.28龍門立式車－銑復(fù)合加工機(jī)床最大車削直徑達(dá)Φ3200mm匣诉，車削高度2500mm诡岂；SSCKZ80/4000大型車削中心的加工直徑×長度＝Φ800mm×4000mm；桂林機(jī)床股份公司展出的XHZ2320/4-5軸龍門式加工中心曾瞪，工作臺面為2000mm×4000mm登鄙；濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)展出的五軸定梁式鏜銑加工中心，工作臺面亦為2000mm×4000mm等掰儿。這就足以說明數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床大型化的發(fā)展趨勢了骤公。
   
   4. 向結(jié)構(gòu)模塊化和功能可快速重組的方向發(fā)展。因為結(jié)構(gòu)模塊化是數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展的基礎(chǔ)扬跋，而數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床的功能可快速重組則是其能快速響應(yīng)市場需求阶捆，并能搶占市場的重要條件，因此國外許多有名的機(jī)床制造廠商早已為此而努力研發(fā)钦听。事實上趁猴，一些技術(shù)先進(jìn)的廠家(如瑞士的Mikron公司，美國的哈斯和哈梃公司彪见，德國DMG儡司，EMAG和TRAUB公司等)的許多產(chǎn)品都已實現(xiàn)結(jié)構(gòu)模塊化的設(shè)計了娱挨，并正在向如何實現(xiàn)功能快速重組的方面努力。
   
   結(jié)語：幾點看法和建議
   
   綜上所述捕犬，由于數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床集多種工序乃至多種工藝于一身跷坝，工件一次裝夾后便可在其上完成全部或大部分加工，這不僅減少了工件的裝夾次數(shù)和許多非加工時間碉碉，提高了加工精度和效率柴钻，而且還減少了零件加工所需的設(shè)備臺數(shù)和生產(chǎn)廠房的占地面積，從而也減少了企業(yè)相關(guān)的人垢粮、財淫蜕、物的投入，降低了生產(chǎn)成本抬奠，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益肩检，因此，數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床肯定是數(shù)控機(jī)床和制造技術(shù)的重要發(fā)展方向之一蚓绞。
   
   從理論上講泉疆，一臺數(shù)控機(jī)床所復(fù)合的加工工藝和工序愈多愈好，但實際上總是有限的雌吱。因為要受到具體所要復(fù)合的工藝和工序之間的相互關(guān)系和要求滑攘，以及實現(xiàn)復(fù)合加工在技術(shù)(含軟、硬件設(shè)計盼蝴、實施)上的可能性和經(jīng)濟(jì)上的合理性等諸多因素的制約超璧。因此，在擴(kuò)大數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床的復(fù)合能力時卖织，必須對所要復(fù)合的工藝和工序進(jìn)行深入的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的研究分析涝露，切忌盲目地求大求全地擴(kuò)大復(fù)合加工能力。
   
   就目前的技術(shù)水平而言楞艾，單一工藝(如車参咙、銑、磨等)的多工序復(fù)合加工在經(jīng)濟(jì)上比較合理硫眯，技術(shù)上也較易于實現(xiàn)蕴侧，而跨工藝的多工序復(fù)合加工，除車銑(或銑車)復(fù)合两入、車磨復(fù)合的加工技術(shù)較成熟外净宵，其他的多工藝多工序復(fù)合，如車削裹纳、激光加工復(fù)合择葡；銑削、電火花加工復(fù)合；制齒工藝過程的全復(fù)合等敏储，實施起來則還有一定的難度阻星，主要是與工藝和工序變換過程中，所需刀具(或工具)如何自動交換和定位夾緊的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題有關(guān)已添，尚有待于進(jìn)一步的研究與開發(fā)妥箕。
   
   為了加速我國數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床的發(fā)展，建議首先應(yīng)全面加強(qiáng)我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展鹰觅，特別是高性能涮婿、高質(zhì)量的數(shù)控機(jī)床功能部件(含數(shù)控系統(tǒng))的研發(fā)；同時大力研究和開發(fā)適用于復(fù)合加工用的工藝模塊田蝠，如帶C軸功能的快速自動夾緊工件的車削主軸頭掠佛，具有C和B(或A)軸控制功能的快速更換與夾緊刀具的銑削主軸頭和砂輪頭架，用于非切削刀具(如磨削用的砂輪权塑、激光加工頭蔽碘、超聲波頭、各種測量頭等)的工具庫和自動更換裝置等宝庵。因為這些都是發(fā)展數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床的基礎(chǔ)部件都炮。
   
   數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床雖說是在不同的類型的數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)上發(fā)展而來的瘸酒，但好的數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床絕不是植碳、也不可能是由單臺不同工序或工藝的數(shù)控機(jī)床簡單地拼裝而成，而必須是在優(yōu)化已有的傳統(tǒng)工藝工序過程和機(jī)床結(jié)構(gòu)配置型式的基礎(chǔ)上創(chuàng)新開發(fā)出來的钙幼。所以雳唧，為了生產(chǎn)出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床產(chǎn)品，必須加強(qiáng)對新工藝仿村、新方法锐朴、新刀具和機(jī)床新部件結(jié)構(gòu)的研發(fā)，即必須加強(qiáng)對機(jī)械制造技術(shù)的科技創(chuàng)新的投入蔼囊，并有計劃焚志、有組織地進(jìn)行基礎(chǔ)技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合的研究。只有這樣我們才有可能更好地發(fā)展我國的數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床并將我國的機(jī)械制造技術(shù)提高到一個更新更高的水平畏鼓。