數(shù)控機(jī)床復(fù)合加工的新發(fā)展

         復(fù)合加工是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要技術(shù)發(fā)展趨向。本文介紹了復(fù)合加工的基本概念，并分別闡述了棱柱體類(lèi)零件和回轉(zhuǎn)體類(lèi)零件復(fù)合加工機(jī)床的發(fā)展過(guò)程與現(xiàn)狀。
        概述
        在面向大批大量生產(chǎn)的組合機(jī)床上，多工序復(fù)合加工概念便已得到一定的體現(xiàn)，但這屬於剛性自動(dòng)化范疇。而當(dāng)今所謂復(fù)合加工，則是指在柔性自動(dòng)化的數(shù)控加工條件下，當(dāng)工件在機(jī)床上一次裝夾後，能自動(dòng)進(jìn)行同一類(lèi)工藝方法的多工序加工(比如同屬切削方法的車(chē)、銑、鉆、鏜等加工)或者不同類(lèi)工藝方法的多工序加工(比如切削加工和激光加工)，從而能在一臺(tái)機(jī)床上順序地完成工件的全部或大部分加工工序。
         顯而易見(jiàn)，把許多加工工序集中到一臺(tái)機(jī)床上完成，不僅消除了分散加工時(shí)工件在各工序流通過(guò)程中的運(yùn)輸和等待時(shí)間，相應(yīng)縮短工件的加工周期和降低車(chē)間的在制品數(shù)量，而且由于工件不需要在不同(或同一)機(jī)床上重新定位裝夾，從而既減少了加工輔助時(shí)間，又提高了工件的加工精度特別是形位精度。所以自數(shù)控機(jī)床發(fā)明以來(lái)，復(fù)合加工便是其重要的技術(shù)發(fā)展方向之一。1958年問(wèn)世的加工中心，便是最早出現(xiàn)的復(fù)合加工數(shù)控機(jī)床。下文將分別對(duì)棱柱體類(lèi)零件(如箱、殼、板等)和回轉(zhuǎn)體類(lèi)零件(如軸、套、盤(pán)等)的復(fù)合加工機(jī)床進(jìn)行闡述，重點(diǎn)放在充滿生機(jī)和活力的回轉(zhuǎn)體類(lèi)零件復(fù)合加工上。
         棱柱體類(lèi)零件的復(fù)合加工機(jī)床
         加工中心是通過(guò)自動(dòng)換刀和工作臺(tái)分度來(lái)對(duì)棱柱體類(lèi)零件進(jìn)行多工序(銑、鉆、鏜、攻絲等)和多面復(fù)合加工的。實(shí)踐證明，加工中心確實(shí)有利于解決中、小批量機(jī)械制造企業(yè)交貨期長(zhǎng)、資源利用率低、在制品多和資金周轉(zhuǎn)慢的弊端，因而在工業(yè)生產(chǎn)中獲得愈來(lái)愈普遍的應(yīng)用。據(jù)專家估算，2001年全世界加工中心的擁有量已超過(guò)40萬(wàn)臺(tái)，同年全球的產(chǎn)量也近5萬(wàn)臺(tái)，加工中心業(yè)已成為機(jī)械制造業(yè)的主力加工設(shè)備。
         其后，人們又通過(guò)加工中心主軸頭自動(dòng)旋轉(zhuǎn)90度立臥轉(zhuǎn)換等方式，使加工中心不僅可以加工箱體件的4個(gè)側(cè)面，而且可以加工第5個(gè)面－頂面，從而紛紛推出所謂5面加工中心，這也可以算作加工中心復(fù)合加工功能的一個(gè)提高。近年來(lái)，隨著5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的降價(jià)與普及，5軸聯(lián)動(dòng)的5面(或多面)加工中心已經(jīng)成為近期國(guó)際機(jī)床展一個(gè)新的熱點(diǎn)。最近推出的可在一次裝夾下對(duì)棒料的6個(gè)面進(jìn)行銑、鉆等加工的棒料加工中心，則是加工中心多面復(fù)合加工能力的新發(fā)展。
         棱柱體類(lèi)零件方面不同工藝方法的復(fù)合加工，目前引人矚目的傾向是切削加工與激光加工或超聲加工相復(fù)合。德國(guó)DMG公司幾年前就在高速銑床的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)激光加工頭，推出了銑削與激光復(fù)合加工的機(jī)床DMU60L(現(xiàn)在的型號(hào)是DML60HSC)。該機(jī)裝有1個(gè)功率為100W的Q開(kāi)關(guān)YAG激光器，光束直徑0.1mm、加工效率20mm3/min。工件(主要是模具)在這種機(jī)床上一次裝夾后，先用高速銑頭完成絕大部分工作量，再用激光頭以層切方式進(jìn)行精加工，去掉型面的銑削痕跡和加工出精細(xì)部分，包括雕刻花紋和圖案。
         玻璃、陶瓷、硬質(zhì)合金等硬脆材料，用傳統(tǒng)的工藝方法是很難加工的，然而，如果在傳統(tǒng)的銑削、鉆削、磨削的過(guò)程中加上高頻振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，即把超聲技術(shù)與切削加工技術(shù)相結(jié)合，則加工效率會(huì)顯著提高。德國(guó)DMG公司之DMS系列超聲加工機(jī)床，就是借助主軸上的轉(zhuǎn)換器把超聲發(fā)生器的電氣高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成20KHz的機(jī)械振動(dòng)運(yùn)動(dòng)(縱向運(yùn)動(dòng))，然后由調(diào)壓器放大和控制振動(dòng)幅值，再通過(guò)獲得專利的Sauer圓錐形刀夾，把振動(dòng)全部傳給金剛石顆粒制成的銑刀、鉆頭或砂輪，使刀具在加工過(guò)程中對(duì)工件表面進(jìn)行20,000次/秒的連續(xù)敲擊，將零件表面材料以微小顆粒形式分離出來(lái)。不僅其加工效率比傳統(tǒng)方式提高5倍，而且表面粗糙度也可達(dá)到Ra<0.2μm。DMS系列超聲加工機(jī)床，有3軸聯(lián)動(dòng)控制和5軸聯(lián)動(dòng)控制兩種類(lèi)型，主軸轉(zhuǎn)速20～6000r/min，還可選配刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置，從而成為既具有超聲加工功能，又能進(jìn)行鉆、銑、磨等多工序復(fù)合加工的機(jī)床�；剞D(zhuǎn)體類(lèi)零件的復(fù)合加工機(jī)床車(chē)削中心的發(fā)展有相當(dāng)一部分回轉(zhuǎn)體類(lèi)零件(有人估計(jì)占1/2左右)，除了車(chē)削外，還需要進(jìn)行銑削、鉆孔、攻絲等操作，加上回轉(zhuǎn)體件每道工序的加工時(shí)間相對(duì)較短，因此迫切需要在一臺(tái)機(jī)床上一次裝夾下對(duì)回轉(zhuǎn)體件進(jìn)行多工序復(fù)合加工，從而終於在上世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)出車(chē)削中心。
         與普通數(shù)控車(chē)床相比，車(chē)削中心的轉(zhuǎn)塔刀架上裝有可使銑刀、鉆頭、絲錐旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力刀具，同時(shí)機(jī)床主軸上還具有可按數(shù)控程序精確分度和與X軸或(和)Z軸進(jìn)行插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)的C軸功能。這種能在一次裝夾下對(duì)回轉(zhuǎn)體件進(jìn)行車(chē)、銑、鉆、鏜、攻絲的3軸(X、Z、C)控制車(chē)削中心，迄今仍是工業(yè)生產(chǎn)中用得最多的回轉(zhuǎn)體件復(fù)合加工機(jī)床。其后，車(chē)削中心又進(jìn)一步向擴(kuò)大加工工藝范圍方向發(fā)展，為了鉆削或銑削偏離回轉(zhuǎn)體件中心線的孔或槽，又開(kāi)發(fā)出帶Y軸控制的轉(zhuǎn)塔刀架，并相應(yīng)推出了4軸(X、Y、Z、C)控制的車(chē)削中心。不過(guò)，單主軸車(chē)削中心無(wú)論怎樣擴(kuò)大工藝范圍，仍無(wú)法解決回轉(zhuǎn)體件在一次裝夾下的背面二次加工(即工件夾持端的加工)問(wèn)題，因而在上世紀(jì)80年代又出現(xiàn)了雙主軸車(chē)削中心。這種機(jī)床的兩根主軸大多是在同一軸線上對(duì)置排列，以便在加工完回轉(zhuǎn)體件的主要一端后，由第二主軸將工件從主軸上自動(dòng)摘取過(guò)來(lái)以加工夾持端。由于夾持端的加工任務(wù)一般都相對(duì)簡(jiǎn)單一些，故第二主軸通常稱為副主軸，其功率也相對(duì)小一點(diǎn)。雙主軸車(chē)削中心可以配一個(gè)刀架，但大多是兩個(gè)刀架，以利于提高加工效率和更充分發(fā)揮機(jī)床設(shè)備的潛能。該機(jī)在床身上方的同一軸線上，配備有相互對(duì)置的主軸(18.65kW)和副主軸(11kW)，兩主軸的轉(zhuǎn)速均為0~4000r/min，并都可以有C軸控制，副主軸還可沿軸線方向運(yùn)動(dòng)以摘取在主軸上加工完一端的工件。在主軸的上方和副主軸的下方各配有一個(gè)10刀位的轉(zhuǎn)塔刀架，轉(zhuǎn)塔刀架上每個(gè)刀位均可配備功率為3.7kW、轉(zhuǎn)速為80～8000r/min的動(dòng)力刀具，上刀架為3軸(X1、Y1、Z1)控制，下刀架為2軸(X2、Z2)控制。車(chē)銑中心的興起從車(chē)削中心基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，90年代后期開(kāi)始成為熱點(diǎn)的5軸控制(X、Y、Z、B、C)車(chē)銑中心，則不僅進(jìn)一步增加了B軸控制(使刀架繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng))，以鉆斜孔和銑斜面，并且不采用車(chē)削中心傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)塔刀架型式，而代之以高轉(zhuǎn)速和更大功率的電主軸刀架。由于刀架上這根電主軸每次只能裝1把刀具(車(chē)削時(shí)電主軸被鎖住，不轉(zhuǎn)動(dòng))，故也要像加工中心那樣配備自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)和刀庫(kù)。這種機(jī)床的銑、鉆能力相當(dāng)於1臺(tái)小型乃至中型加工中心，其實(shí)質(zhì)是把數(shù)控車(chē)床和加工中心融為一體，故命名為車(chē)銑中心。
         日本山崎馬扎克公司在CIMT 2003上展出的車(chē)銑中心Integrex 200-ⅢST，是該公司Integrex系列中較新的一種，增加了可沿X2和Z2軸運(yùn)動(dòng)的下轉(zhuǎn)塔刀架。機(jī)床上對(duì)置排列有主軸和副主軸，兩主軸最高轉(zhuǎn)速均為5000r/min，功率分別為22/15kW和18/15kW。主軸的C軸功能最小分度值0.0001°，可實(shí)現(xiàn)輪廓加工，副主軸則能沿主軸中心線移動(dòng)以摘取工件。上面的電主軸刀架除可沿X1、Z1軸移動(dòng)外，還有Y軸行程±80mm、B軸轉(zhuǎn)角225°，電主軸上的刀具自然可以更換，相應(yīng)的刀庫(kù)容量20把(任選40或60把)，換刀時(shí)間1.3s(刀到刀)。為了減少換刀次數(shù)，Mazak公司開(kāi)發(fā)了一種名為Flash Tool的圓柱形刀柄，沿刀柄圓周上安裝有多個(gè)刀片而成為復(fù)合刀具，在加工過(guò)程中可以充分利用這種復(fù)合刀具上的不同刀片以及同一刀片上的不同刃邊(電主軸分度後可在不同方位被鎖住)，使其最多能代替12把不同的刀具使用。車(chē)銑中心多為臥式布局，但也有類(lèi)似于立式車(chē)床布局的車(chē)銑中心，以加工大直徑、短長(zhǎng)度的回轉(zhuǎn)體零件。比如Mazak公司的Integrex V系列立式車(chē)銑中心，其回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是為強(qiáng)功率、高精度車(chē)削加工大直徑零件設(shè)計(jì)的，但同時(shí)也秉承了Integrex機(jī)床的設(shè)計(jì)思路，除有X、Y、Z三個(gè)移動(dòng)軸外，還有控制工作臺(tái)回轉(zhuǎn)的坐標(biāo)軸，特別是安裝刀具的電主軸(需要自動(dòng)換刀)可在立/臥范圍內(nèi)擺動(dòng)，從而好似把1臺(tái)數(shù)控立式車(chē)床和1臺(tái)可進(jìn)行立臥轉(zhuǎn)換的多面加工中心集成在一起。
        除了上述從數(shù)控車(chē)床基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的車(chē)銑中心外，近期又從加工中心基礎(chǔ)上派生出另一類(lèi)車(chē)銑中心。這類(lèi)車(chē)銑中心工作臺(tái)回轉(zhuǎn)速度高于原來(lái)的加工中心，同時(shí)機(jī)床的(電)主軸還要能被鎖住而且可以裝上車(chē)削刀具，德國(guó)DMG公司新近開(kāi)發(fā)的車(chē)銑中心DMU80FD便屬於這一類(lèi)型。DMU80FD的結(jié)構(gòu)與該公司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軸和5面高速銑削等全部加工功能，該機(jī)工作臺(tái)采用了直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，最高轉(zhuǎn)速為500r/min，同時(shí)機(jī)床主軸的最高轉(zhuǎn)速也達(dá)2000r/min，因此工件在這種機(jī)床上一次裝夾後便可高效率地實(shí)現(xiàn)5面和5軸加工以及從銑、鉆、鏜、攻絲到車(chē)削的復(fù)合加工。不同工藝方法的復(fù)合加工及新興的車(chē)磨中心 10年前，德國(guó)Traub公司就可提供配備有YAG激光頭的車(chē)削中心，但應(yīng)用較少并未形成潮流。上文所述的Integrex 200-ⅢST車(chē)銑中心，也能為回轉(zhuǎn)體件提供可實(shí)現(xiàn)其它加工工藝方法的各種選件，例如可以提供激光淬火裝置和砂輪軸，能夠在車(chē)、銑、鉆、鏜等操作之后進(jìn)行表面淬硬和內(nèi)、外圓磨削。
         不過(guò)從目前情況看，這類(lèi)不同工藝方法的復(fù)合加工，一般更適合在單件和批量較小的條件下使用。但也不盡然，近年來(lái)出現(xiàn)的車(chē)磨中心，就適合包括汽車(chē)制造等大批量生產(chǎn)在內(nèi)的各種批量生產(chǎn)情況使用。圖7 德國(guó)Emag公司的VSC 250 DS 車(chē)磨中心 圖8 SchaudtMikrosaBWF公司的STRATOS M 圖9 快速點(diǎn)磨外圓磨床多工序復(fù)合磨削示意 現(xiàn)在市場(chǎng)上所謂的車(chē)磨中心，是指對(duì)淬硬的回轉(zhuǎn)體件進(jìn)行硬車(chē)和精磨的復(fù)合加工機(jī)床。1998年德國(guó)Emag公司展出了全球首臺(tái)倒置式車(chē)磨中心，2000年投入生產(chǎn)使用。圖7所示的Emag車(chē)磨中心，配置有車(chē)刀和磨削主軸的轉(zhuǎn)塔刀架在主軸下方，只進(jìn)行分度轉(zhuǎn)動(dòng)不移動(dòng)，主軸在上作X軸和Z軸運(yùn)動(dòng)(由主軸內(nèi)的套筒完成Z軸運(yùn)動(dòng))并負(fù)責(zé)上下料。它主要用於加工淬硬的盤(pán)、套類(lèi)零件，如傳動(dòng)齒輪、滑動(dòng)聯(lián)軸器、外星輪、軸承環(huán)等。凡是硬車(chē)能達(dá)標(biāo)的部位都由車(chē)削完成，需要磨削的部位硬車(chē)后也只留下幾μm的余量，這樣不僅生產(chǎn)效率高，而且加工質(zhì)量好。
         如今Emag的車(chē)磨中心已有多種類(lèi)型，其中有的還增加了Y軸控制功能，刀具配置則更加靈活，根據(jù)需要最多可配置4個(gè)磨削軸、12把車(chē)刀。德國(guó)Schaudt Mikrosa BWF公司最近推出了另一種結(jié)構(gòu)型式的車(chē)磨中心STRATOS。這種車(chē)磨中心沒(méi)有轉(zhuǎn)塔刀架、刀具(車(chē)刀、內(nèi)圓與外圓磨削裝置)在主軸下方沿X向的T形槽柔性配置而形成不同的工位(最多為5個(gè)工位)，居於上方的主軸可進(jìn)行X軸(由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng))和Z軸移動(dòng)并能自動(dòng)上下料。在主軸旁邊還配備有砂輪修整系統(tǒng)、磨削區(qū)和車(chē)削區(qū)則采用隔斷門(mén)分開(kāi)。多工序復(fù)合磨削對(duì)于回轉(zhuǎn)體工件而言，完全可以在數(shù)控磨床上實(shí)現(xiàn)多工序復(fù)合磨削。比如數(shù)控外圓磨床，一般有控制砂輪架前后移動(dòng)的X軸，控制工作臺(tái)左右移動(dòng)的Z軸，并可配備控制工件主軸旋轉(zhuǎn)的C軸。借助X軸和C軸的聯(lián)動(dòng)控制，可以磨削不同心的圓形表面和各種非圓形表面，通過(guò)C軸和Z軸的聯(lián)動(dòng)控制，可以磨削螺紋，若再加上砂輪架繞中心回轉(zhuǎn)的B軸，則可自動(dòng)磨削各種錐度。同樣的道理，工件在數(shù)控凸輪磨床上一次裝夾后，可以磨削凸輪軸的桃形、主軸頸、止推面和端部，數(shù)控曲軸磨床則可在一次裝夾下磨削曲軸的主軸頸和曲柄銷(xiāo)(比如德國(guó)Schaudt Mikrosa BWF公司的ZEUS磨床)。
         世界上頗有名聲的德國(guó)Junker公司的高速點(diǎn)磨(Quickpoint Grinding)外圓磨床，就是使用寬度為4～6mm的薄砂輪，在砂輪軸線與工件軸線成一傾角的條件下進(jìn)行磨削(這時(shí)砂輪與工件理論上變?yōu)辄c(diǎn)接觸，故稱點(diǎn)磨)。憑借此種磨床的數(shù)控(聯(lián)動(dòng))功能，在工件一次裝夾的條件下可以用高達(dá)140m/s的磨削速度對(duì)工件的錐面、臺(tái)肩、外圓、螺紋、圓角和非圓表面進(jìn)行多工序復(fù)合磨削。此外，市場(chǎng)上還流行一種在一次裝夾條件下磨削軸類(lèi)零件外圓、端面和內(nèi)孔的復(fù)合磨床，在它的回轉(zhuǎn)式砂輪架上裝有2個(gè)外圓砂輪(或外圓、端面砂輪各1個(gè))和1個(gè)內(nèi)圓磨頭，通過(guò)砂輪架的回轉(zhuǎn)分度來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外圓及端面磨削。這種數(shù)控磨床在X軸和Z軸的基礎(chǔ)上增加了控制砂輪架回轉(zhuǎn)的B軸，還可選配控制工件主軸回轉(zhuǎn)的C軸，瑞士Studer公司的S21和S31磨床便是此類(lèi)復(fù)合磨床的代表。結(jié)語(yǔ)采用多工序復(fù)合加工數(shù)控機(jī)床，無(wú)疑可以顯著縮短工件加工的過(guò)程鏈，因而愈來(lái)愈受到多品種、中小批量機(jī)械制造企業(yè)的青睞�，F(xiàn)在，隨著消費(fèi)的個(gè)性化和產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快，大批大量生產(chǎn)的柔性化已是大勢(shì)所趨，工序分散的剛性自動(dòng)化裝備已開(kāi)始部分被工序集中的柔性自動(dòng)化裝備所取代。
         所以總的說(shuō)來(lái)，柔性自動(dòng)化條件下的復(fù)合加工具有發(fā)展?jié)摿�，特別是不同工藝方法的復(fù)合加工，目前發(fā)展得尚不充分。雖然復(fù)合加工是發(fā)展方向，但從裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工經(jīng)濟(jì)性的角度看，數(shù)控機(jī)床多工序復(fù)合加工能力還是有一個(gè)界線為好。以面向回轉(zhuǎn)體件的數(shù)控機(jī)床為例，目前的工序集中度基本上以熱處理為分界線，而且在多數(shù)情況下，齒形等特殊加工仍以使用專門(mén)化機(jī)床為宜。在一臺(tái)機(jī)床上一次裝夾下從毛坯到成品的全部加工，當(dāng)前僅僅適用于一定范圍的零件和生產(chǎn)方式�？偟膩�(lái)說(shuō)，復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展需要從三個(gè)方面一起推進(jìn)：一是復(fù)合加工機(jī)床設(shè)計(jì)制造技術(shù)的優(yōu)化改進(jìn)；二是相應(yīng)的高性能數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展；三是應(yīng)用技術(shù)水平的提高。應(yīng)該看到，車(chē)銑中心、五軸五面加工中心等高層次復(fù)合加工機(jī)床能否在工業(yè)生產(chǎn)中成功運(yùn)行，與應(yīng)用技術(shù)水平密切相關(guān)，特別是應(yīng)用技術(shù)中的編程技術(shù)(含後置處理)、防止干涉和碰撞的仿真檢查技術(shù)、刀具技術(shù)等至關(guān)重要。