機(jī)床的復(fù)合化發(fā)展

         隨著經(jīng)濟(jì)的全球化，產(chǎn)品的市場競爭日益加劇，這促使企業(yè)不斷縮短產(chǎn)品的創(chuàng)新和開發(fā)周期，提高產(chǎn)品性能、加快產(chǎn)品更新?lián)Q代和增加產(chǎn)品品種。同時，在生產(chǎn)上積極推行優(yōu)化的生產(chǎn)工藝流程，以便確保產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和縮短生產(chǎn)周期，增強(qiáng)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(fù)合機(jī)床對復(fù)雜工件進(jìn)行綜合加工的明顯趨向。用戶已不需要單純進(jìn)行車削工序的機(jī)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(jī)床。通過在一臺機(jī)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(dá)到減少機(jī)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(fù)合機(jī)床對復(fù)雜件進(jìn)行綜合加工，就可以減少設(shè)備投資、降低生產(chǎn)成本、提高加工質(zhì)量和縮短生產(chǎn)周期，由此獲得顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。
        這類復(fù)合機(jī)床采用多軸控制，視機(jī)床的加工任務(wù)而配有轉(zhuǎn)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(jī)床調(diào)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(fù)合機(jī)床特別適合于工件投產(chǎn)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(chǎn)中使用，而在大批量生產(chǎn)中使用復(fù)合機(jī)床，主要是為了確保工件較嚴(yán)的加工公差。
         從機(jī)床技術(shù)的發(fā)展歷程看，這類復(fù)合機(jī)床也并非是最近才發(fā)展起來的一種新型機(jī)床。其實早在二十世紀(jì)50年代末期出現(xiàn)的鏜銑類加工中心就是一種多功能復(fù)合機(jī)床，這類機(jī)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(zhuǎn)分度工作臺和立、臥自動轉(zhuǎn)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(fù)合機(jī)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(jī)床上，工件軸(C軸)除了可以實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)外，還可進(jìn)行回轉(zhuǎn)分度。通過配置轉(zhuǎn)塔刀架、固定刀具和旋轉(zhuǎn)刀具可進(jìn)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(jī)床上已出現(xiàn)配置多個轉(zhuǎn)塔刀架，有的還配置雙主軸(兩個C軸)，由此進(jìn)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(chǔ)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(shù)優(yōu)點而發(fā)展起來的復(fù)合機(jī)床。
        近年來，由于受用戶需求和技術(shù)進(jìn)步的推動使復(fù)合機(jī)床出現(xiàn)了迅速發(fā)展的勢頭。鑒于產(chǎn)品市場壽命的不斷縮短和產(chǎn)品更新?lián)Q代的加快，以及產(chǎn)品零件的幾何形狀日趨復(fù)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(jī)床上通過工藝集成和多軸控制進(jìn)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(qū)動和控制技術(shù)領(lǐng)域里的長足進(jìn)步，致使目前眾多的復(fù)合機(jī)床進(jìn)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(bǔ)加工等)。
        擴(kuò)大了加工柔性(配置多個轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)使機(jī)床配置更趨靈活，更易于滿足用戶實際加工任務(wù)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(fù)合機(jī)床要指車銑中心和車磨中心(見表1)。在這類機(jī)床上主要加工以棒料件為主的各種復(fù)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(jī)床上，形成以車、銑為主體工藝的車銑中心。機(jī)床配有轉(zhuǎn)塔刀架，有的設(shè)有上下兩個轉(zhuǎn)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(jìn)行加工。固定刀具用于車削、切槽、車螺紋和滾壓，驅(qū)動(旋轉(zhuǎn))刀具則用來進(jìn)行銑削、鉆削、攻內(nèi)螺紋和插補(bǔ)加工等。
         有的車銑中心配有背主軸(C2軸)，當(dāng)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(diào)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(dá)(9～12)個，在轉(zhuǎn)塔刀架上一般可實現(xiàn)X、Y和Z三個線性軸的移動，并設(shè)有B軸，有的還配置了刀庫，通過機(jī)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(dāng)轉(zhuǎn)塔刀架或刀具主軸頭設(shè)有B軸后，刀具主軸頭可在一定的角度范圍內(nèi)實現(xiàn)擺動回轉(zhuǎn)，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(nèi)回轉(zhuǎn)，這樣，裝在車銑頭上的刀具就可以從所有側(cè)面和任何角度位置對工件進(jìn)行加工。
         車磨中心是硬車和磨削進(jìn)行復(fù)合以用來對淬硬軸類工件進(jìn)行綜合加工的一種精密機(jī)床。盡管刀具技術(shù)已取得長足進(jìn)步，硬車替代磨削獲得很大進(jìn)展，但根據(jù)目前刀具和機(jī)床的技術(shù)水平，硬車能達(dá)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(qiáng)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(fù)合其主要優(yōu)點還在于：用預(yù)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(fù)合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果�？招腻F柄是一種高精度復(fù)雜零件，其定位錐面d2和d3的精度要求相當(dāng)于IT2。在車磨中心上，工件內(nèi)輪廓上的夾緊斜面和換刀用的夾持槽可以用硬精車進(jìn)行加工，而外輪廓上公差要求很嚴(yán)的定位錐面和支承錐面先進(jìn)行預(yù)硬車，留一定的磨削余量，然后通過采用測量控制的磨削進(jìn)行終加工。
        由于采用預(yù)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(jìn)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(jìn)行第二次裝夾，以實現(xiàn)工件調(diào)頭加工。
         車磨中心通常也是按模塊化原理設(shè)計的，可按用戶具體的加工任務(wù)進(jìn)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(nèi)圓或外圓磨削主軸頭、剛玉砂輪修整系統(tǒng)、電氣機(jī)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(jī)床的復(fù)合化同樣也在向加工中心和專能機(jī)床范圍發(fā)展。
         車磨中心通常也是按模塊化原理設(shè)計的，可按用戶具體的加工任務(wù)進(jìn)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(nèi)圓或外圓磨削主軸頭、剛玉砂輪修整系統(tǒng)、電氣機(jī)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(jī)床的復(fù)合化同樣也在向加工中心和專能機(jī)床范圍發(fā)展。這種發(fā)展旨在使以往需要幾臺機(jī)床才能完成的工件加工，通過工藝集成而轉(zhuǎn)向采用一臺機(jī)床進(jìn)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(jī)床的基礎(chǔ)上通過集成多種不同加工模塊而組成的復(fù)合機(jī)床，在該機(jī)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(jī)床，并且由于免去了重復(fù)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(jī)殼進(jìn)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(fù)合機(jī)床的發(fā)展和應(yīng)用中，我們可以看出，產(chǎn)品構(gòu)件幾何形狀愈來愈變得復(fù)雜和加工精度日益的高質(zhì)量要求，只能通過把許多加工工藝盡可能集成到一臺機(jī)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(jī)床配置，刀具技術(shù)，換刀技術(shù)和控制技術(shù)進(jìn)而提出了高要求。對電主軸不僅要求結(jié)構(gòu)緊湊，而且要求其除能進(jìn)行粗、精加工外，還應(yīng)實現(xiàn)高速切削。
        可以預(yù)料，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及新的加工工藝的出現(xiàn)，機(jī)床的復(fù)合化還將有很大的發(fā)展。并仍將是機(jī)床發(fā)展的一個重要方向。
        復(fù)合機(jī)床的大量出現(xiàn)，必將使機(jī)床在類別的界線上變得越來越模糊起來，統(tǒng)一機(jī)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。