機床的復合化發(fā)展

         隨著經濟的全球化，產品的市場競爭日益加劇，這促使企業(yè)不斷縮短產品的創(chuàng)新和開發(fā)周期，提高產品性能、加快產品更新?lián)Q代和增加產品品種。同時，在生產上積極推行優(yōu)化的生產工藝流程，以便確保產品質量，降低生產成本和縮短生產周期，增強企業(yè)的競爭力。在這樣的背景下，近幾年來，在金屬加工業(yè)里出現(xiàn)愈來愈多的采用復合機床對復雜工件進行綜合加工的明顯趨向。用戶已不需要單純進行車削工序的機床，而要求制造廠家提供除了車削工序外還能實現(xiàn)像鉆削、銑削、鏜削和磨削等工序的多功能機床。通過在一臺機床上的多種不同加工工藝的集成，實現(xiàn)工件盡可能在一次裝夾下的綜合加工，由此達到減少機床和夾具、免去工件工序間的搬運和中間儲存，提高工件加工精度、縮短加工周期以及節(jié)省作業(yè)面積等目的。因此，采用這類復合機床對復雜件進行綜合加工，就可以減少設備投資、降低生產成本、提高加工質量和縮短生產周期，由此獲得顯著的技術經濟效果。
        這類復合機床采用多軸控制，視機床的加工任務而配有轉塔刀架，或配有多個主軸頭，大多還配有刀庫和上下料裝置，機床調整一般可通過NC程序來實現(xiàn)，具有較高的加工柔性。因此，這類復合機床特別適合于工件投產批量較少(有時只有一件)品種又多的中小企業(yè)使用，也可在工件中批量輪番生產中使用，而在大批量生產中使用復合機床，主要是為了確保工件較嚴的加工公差。
         從機床技術的發(fā)展歷程看，這類復合機床也并非是最近才發(fā)展起來的一種新型機床。其實早在二十世紀50年代末期出現(xiàn)的鏜銑類加工中心就是一種多功能復合機床，這類機床通過換刀就可實現(xiàn)銑、鉆、鏜和攻絲等多種不同的加工工藝，配備了回轉分度工作臺和立、臥自動轉換的擺動主軸頭后，又可實現(xiàn)箱體件的五面綜合加工。繼鏜銑類加工中心之后出現(xiàn)的車削中心，更是一種典型的復合機床。而這類車削中心在多軸控制和工藝集成方面的發(fā)展則尤為突出。在這類機床上，工件軸(C軸)除了可以實現(xiàn)高速旋轉外，還可進行回轉分度。通過配置轉塔刀架、固定刀具和旋轉刀具可進行車、銑、鉆(徑向或軸向)、切螺紋、鉸和滾壓等多種加工工藝。在80年代末期，在這類機床上已出現(xiàn)配置多個轉塔刀架，有的還配置雙主軸(兩個C軸)，由此進一步提高了車削中心的工藝集成度，實現(xiàn)工件較廣范圍的綜合加工。
        可以看出，目前眾多的車銑中心(圖1)和車磨中心，實際上都是在以往車削中心的基礎上發(fā)展起來的，有的則是綜合了加工中心和車削中心的技術優(yōu)點而發(fā)展起來的復合機床。
        近年來，由于受用戶需求和技術進步的推動使復合機床出現(xiàn)了迅速發(fā)展的勢頭。鑒于產品市場壽命的不斷縮短和產品更新?lián)Q代的加快，以及產品零件的幾何形狀日趨復雜和精度要求愈來愈高，對于這類零件的加工，企業(yè)必然要尋求一種新的加工策略，也就是需要在一臺機床上通過工藝集成和多軸控制進行綜合加工的模式來實現(xiàn)，由此確保工件的加工精度、縮短工藝流程時間和降低制造費用。而近10年來，由于刀具、驅動和控制技術領域里的長足進步，致使目前眾多的復合機床進一步提高了工藝集成度(增加了硬車、硬銑、磨削、滾銑齒輪、激光淬火、激光雕刻、激光輔助加工和插補加工等)。
        擴大了加工柔性(配置多個轉塔刀架和主軸頭，配置B軸或配置刀庫等)，同時通過采用模塊化結構使機床配置更趨靈活，更易于滿足用戶實際加工任務的需求。
        加工精度因受最小切屑厚度的限制，在車削過程中無法實現(xiàn)µm范圍的測量和修整控制， 加工精度在磨削過程中可實現(xiàn)µm范圍的測量和修整控制
    圓度(0.5-1)µm
    (0.2-0.5)µm 
    粗糙度Ra (0.2-0.5)µm 
    (0.1-0.4)µm 
    精度等級 IT5 
    IT4
       目前，市場上最流行的復合機床要指車銑中心和車磨中心(見表1)。在這類機床上主要加工以棒料件為主的各種復雜零件。據(jù)報道，所有車削件有70%是用棒料加工而成的，而有60%的車削件，其銑削加工量約要占到整個加工量的35%。因此，也就十分自然地使兩種加工工藝集成到一臺機床上，形成以車、銑為主體工藝的車銑中心。機床配有轉塔刀架，有的設有上下兩個轉塔刀架，視加工需要，裝在兩個刀架上的刀具還可同時對工件進行加工。固定刀具用于車削、切槽、車螺紋和滾壓，驅動(旋轉)刀具則用來進行銑削、鉆削、攻內螺紋和插補加工等。
         有的車銑中心配有背主軸(C2軸)，當工件在一個主軸(C1軸)上完成加工后，可自動換夾到C2軸上實現(xiàn)工件的調頭加工，這樣就可實現(xiàn)工件的六面加工或全部加工。目前，在車銑中心上軸數(shù)多的達(9～12)個，在轉塔刀架上一般可實現(xiàn)X、Y和Z三個線性軸的移動，并設有B軸，有的還配置了刀庫，通過機械手實現(xiàn)自動換刀，由此使這類車銑中心具有了加工中心的特性。
        當轉塔刀架或刀具主軸頭設有B軸后，刀具主軸頭可在一定的角度范圍內實現(xiàn)擺動回轉，如Niles Simmons公司用于曲軸綜合加工的CNC車銑加工中心，其車銑頭可以在 -105°～+95°范圍內回轉，這樣，裝在車銑頭上的刀具就可以從所有側面和任何角度位置對工件進行加工。
         車磨中心是硬車和磨削進行復合以用來對淬硬軸類工件進行綜合加工的一種精密機床。盡管刀具技術已取得長足進步，硬車替代磨削獲得很大進展，但根據(jù)目前刀具和機床的技術水平，硬車能達到的加工精度最高為IT5(表2)。原因是，由于受刀具最小刀尖半徑和其強度的限制，用硬車尚不能切下μm大小的切屑。因此，硬車還不能完全替代磨削，所以在加工高于IT5精度加工時，仍要通過磨削來實現(xiàn)。硬車和磨削可以分別用于加工不同精度要求的部位，而這兩種加工工藝的復合其主要優(yōu)點還在于：用預硬車可以減少磨削余量，從而顯著地降低磨削的基本時間。在這里，從加工空心錐柄(HSK)(圖2)的實例中，可以看出硬車和磨削復合的技術經濟效果。空心錐柄是一種高精度復雜零件，其定位錐面d2和d3的精度要求相當于IT2。在車磨中心上，工件內輪廓上的夾緊斜面和換刀用的夾持槽可以用硬精車進行加工，而外輪廓上公差要求很嚴的定位錐面和支承錐面先進行預硬車，留一定的磨削余量，然后通過采用測量控制的磨削進行終加工。
        由于采用預硬車，從而降低了磨削時間，并且也減少了砂輪的修整時間。由于磨削余量小，每磨削一個工件也并非都要對砂輪進行一次修整。并由于上述工序是在HSK刀柄一次裝夾下完成的，從而保證了這些功能表面間的相互位置精度。對于HSKA 63規(guī)格的刀柄，完成上所述工序也僅需(95～120)s，顯著地縮短了加工時間。在車磨中心上，還可以利用背主軸對HSK刀柄進行第二次裝夾，以實現(xiàn)工件調頭加工。
         車磨中心通常也是按模塊化原理設計的，可按用戶具體的加工任務進行選擇裝配。例如Index公司的車磨中心可根據(jù)用戶要求配置內圓或外圓磨削主軸頭、剛玉砂輪修整系統(tǒng)、電氣機械自動動平衡裝置、測量裝置和識別砂輪磨削切入的固體聲監(jiān)控裝置等。除上面所述的各種不同型式的車銑和車磨中心外，機床的復合化同樣也在向加工中心和專能機床范圍發(fā)展。
         車磨中心通常也是按模塊化原理設計的，可按用戶具體的加工任務進行選擇裝配。例如Index公司的車磨中心可根據(jù)用戶要求配置內圓或外圓磨削主軸頭、剛玉砂輪修整系統(tǒng)、電氣機械自動動平衡裝置、測量裝置和識別砂輪磨削切入的固體聲監(jiān)控裝置等。除上面所述的各種不同型式的車銑和車磨中心外，機床的復合化同樣也在向加工中心和專能機床范圍發(fā)展。這種發(fā)展旨在使以往需要幾臺機床才能完成的工件加工，通過工藝集成而轉向采用一臺機床進行綜合加工。例如Niles Simmons公司的車-銑加工中心，就是在曲軸專能機床的基礎上通過集成多種不同加工模塊而組成的復合機床，在該機床上曲軸在一次裝夾下實現(xiàn)綜合加工，這不僅替代了以往采用的多臺專能機床，并且由于免去了重復裝夾而顯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藝對渦輪葉片和空氣壓縮機殼進行綜合加工。在加工葉片時表明，加工精度可得到明顯提高，工藝能力指數(shù)(Cpk)從1.33提高到2.5以上，而加工時間從以往的2.2小時降低到36分鐘。
         從復合機床的發(fā)展和應用中，我們可以看出，產品構件幾何形狀愈來愈變得復雜和加工精度日益的高質量要求，只能通過把許多加工工藝盡可能集成到一臺機床上并在一次裝夾下的加工模式來實現(xiàn)。由此避免工件工序間的換夾而影響工件的形狀精度和位置精度。
         工序集成，多軸控制，實現(xiàn)綜合加工的這種發(fā)展趨勢，對機床配置，刀具技術，換刀技術和控制技術進而提出了高要求。對電主軸不僅要求結構緊湊，而且要求其除能進行粗、精加工外，還應實現(xiàn)高速切削。
        可以預料，隨著相關技術的進一步發(fā)展，以及新的加工工藝的出現(xiàn)，機床的復合化還將有很大的發(fā)展。并仍將是機床發(fā)展的一個重要方向。
        復合機床的大量出現(xiàn)，必將使機床在類別的界線上變得越來越模糊起來，統(tǒng)一機床主軸與刀夾、刀夾與刀具之間的接口將越來越具有重要意義。