数控复合加工机床的发展

腾逸风 收藏 0 360
导读:数控复合加工机床的发展

引言

加工质量好、效率高、成本低历来是机床用户对机床产品的基本要求,同时也是机床产品研发的主要目标和方向。为了在日趋激烈的市场竞争中求得生存并发展,机床的设计与制造者们一直在为此作出不懈的努力。


机床的加工质量(含尺寸、形位精度及表面质量)问题,主要取决于机床设备(含工具和夹具)的结构刚度,几何精度,运动精度和定位精度,当然还有环境条件(如温度、振动等)的控制与保证。因此,它需要通过研发精密、高精密乃至超精密的加工技术和机床来解决。


生产效率主要是由零件从毛坯到成品的制作周期来衡量。零件的制作周期包含直接用于改变零件材料的性(能)、(形)状(如切削成形,热处理等)所需的时间和非加工(即不改变零件性状的)时间(如零件生产过程中所需的等待、传送、检测、装调、夹紧等的时间)两大部分组成。为了减少切削加工时间,首先需要提高切削速度和进给速度。为此,人们研发了高速切削技术与机床,而为了缩短非加工时间,人们则要研发更多的技术措施和装备,包括机械自动化、数控柔性化的机床与生产线(制造系统)和现在正处于蓬勃发展的数控复合加工机床等。


加工成本包括直接成本(如材耗、能耗、工人工资等)和间接成本(含厂房、设备的折旧费,安全环保费和管理费等)。为了降低成本,这里牵涉的问题就很多了,既有技术方面的问题,也有组织管理方面的问题,所以需要进行更为综合的研究来解决。


本文不拟,也不可能讨论上述所有的问题,只想就数控复合加工机床的发展作些简要的介绍并谈点笔者的看法。

组合加工机床的出现和数控复合加工机床的兴起

一般情况下,一个机械零件的生产,从毛坯到成品,中间都要经过采用某些(一种或多种)加工艺方法(如冲压、焊接、切削、磨削、特种加工或车、铣、钻、镗、齿形加工等)的多工序(如车削中的车外圆、车端面、车槽、车内圆、车螺纹、车锥面等)加工过程。由于不同的工艺方法有着不同的加工原理和特点,不同的加工工序有着不同的加工目的和要求,因此它们各自用着不同的加工设备来实现,故在传统的制造中,一个零件的制造往往就需要有多种、多台不同的的加工设备来完成。这不仅增加了设备的台数和生产厂房的占地面积,从而增加了企业的投入,而且由于生产过程中工件需在工艺和工序设备间等待、转移、检查和重新定位装夹等,既影响加工精度,也增加了不少非加工时间。有专家分析,这部分非加工时间将占到零件生产总周期的70%~95%左右,从而大大地制约了生产效率的提高。


为了提高生产效率,减少非加工时间,人们早就有了尽可能多地把一些加工原理和要求相近或相似的加工工序,乃至不同的工艺过程集中到一台或少数几台设备上来实现。这种一次装夹后对零件进行复合加工的想法,在机械自动化生产过程中出现的组合加工机床和多刀半自动六角(转塔)车床等,就是其最初的体现。因为组合机床是以一些通用部件(如动力头、滑台、底座立柱、回转工作台等)为基础,配以根据具体零件的加工要求(含零件的形状、尺寸、加工部位、加工工序和精度等)专门设计的夹具,多轴箱和部分刀具集装而成,它可以对某一特定加工件,如汽车发动机壳体、箱盖或变速箱体等,实现一次装夹完成全部或大部分加工工序,包括铣平面、钻孔、镗孔、铰孔、攻螺纹等;而多刀半自动转塔车床,根据被加工工件的工序要求,在其转塔刀架上装上所需的切削刀具后,也即可实现一次装夹对某一特定的轴或盘、套件进行全部或大部分工序的加工,如车削内、外圆柱面、端面、沟槽、倒角、加工内外螺纹等。因此,组合机床和多刀半自动转塔车床都体现了集中工序进行复合加工的理念,大大地减少了非加工时间,从而显著地提高了生产率。但是,这些机床均属于刚性自动化范畴,当加工对象变换时,设备也必须更换或重新调整配置,所需的时间和资金投入都较大,因此只宜用于单一品种零件的中、大批量生产,而不适合用于多品种零件的单件和小批量生产。


随着数控机床的出现和数控技术(含数控伺服系统,功能部件及编程、软件等)的日益发展与性能的提高,大大增强了数控机床的柔性自动化能力,加上机电产品个性化的发展,市场对多品种小批量生产的需求日益增多,从而为数控机床加工复合化的发展提供了广阔的天地。事实上,早在数控机床问世后不久,1958年第一台镗铣类加工中心的出现,复合加工就已成为数控机床的重要技术发展方向之一了,时至今日,已经出现了许多种类的数控复合加工机床,以适应当今市场对多品种小批量零件进行高效低成本生产的需求。


数控复合加工机床的门类及其代表性产品

数控复合加工机床是以现代柔性自动化的数控机床为基础,以组合机床和多刀半自动转塔机床的“集中工序、一次装夹实现多工序复合加工”的理念为指导发展起来的新一类数控机床。当工件在其上一次装夹后,通过对加工所需工具(切削刀具或模具)的自动更换,便能自动地按数控程序依次进行同一工艺方法中的多个工序或不同工艺方法中的多种工序的加工,从而减少非加工时间,缩短加工周期,达到提高生产效率的目的。因此,数控复合加工机床从其加工的复合性来分,可分为工序复合型和工艺复合型两大类。前者如一般的镗铣加工中心、车削中心、磨削中心等,在一台机床上只能完成同一工艺方法的多个工序加工;而后者则如车-铣复合中心、车-磨复合中心、车削-激光加工中心等,在一台机床上不仅可以完成同一工艺方法的多个工序,而且可以完成多种不同工艺方法的多个工序。如车-铣复合中心,既可完成车削的多种工序,又能完成铣、钻、镗、攻丝等工艺的多种工序,好似把一台数控车床和一台中小型加工中心复合在一起。


如果从数控复合加工机床的加工对象、机床结构的配置方式和功能特点等特徵来分,数控复合加工机床的门类就很多了。比如按加工对象分,就有面向回转体件加工的、棱柱体件加工的和复杂形体件(由回转体和棱柱体面组合)加工的。这里不拟就门类详加讨论,下面仅对一些常见常用和具有代表性的几种数控复合加工机床作简要介绍。

镗铣加工中心: 以普通数控铣、镗床为基础,配以相应的刀库和自动换刀装置等功能部件及控制系统发展而成,如一般3轴联动控制的立式、卧式和龙门式镗铣型加工中心,图1是美国哈斯公司生产的立式加工中心,它以加工棱柱体零件(含箱体、壳体和板块件等)为主要对象,工件在其上一次装夹后,通过机械手按加工程序从刀库上选取并更换主轴上的刀具,便可对工件的水平面进行1-3维铣削加工,如铣平面、铣轮廓、铣型腔曲面,以及钻孔、镗孔、攻丝等加工工序。这是最常见常用、也是最普通的棱柱体加工用的数控复合加工机床,但这种机床的工艺能力有限,如工件的一次装夹只能在垂直于主轴的一个面内进行加工,对箱体件上垂直于此面的其他平面则不能加工,更不能对工件上处于任意空间位置的平面进行加工。与此类似,3轴联动的卧式加工中心虽然可以通过工作台的转位加工箱体件的4个侧面,但却不能加工箱体件的顶面。


图2 米克朗公司的五轴联动立式加工中心


五面加工和五轴联动加工中心: 为了克服普通镗铣加工中心存在的上述工艺局限性,人们在以普通镗铣加工中心为基础,将原来固定指向的主轴头换成可以立、卧自动转换的主轴头和采用可回转分度的工作台,这样的机床就可以在工件一次装夹的条件下,获得5面(如箱体类工件)甚至更多面的加工能力,成为5面乃至多面加工中心。如果将普通镗铣加工中心的主轴换成具有数控单摆(A或B轴)或双摆(C和A或B轴)功能的电主轴,或在工作台上配上具有C轴或C和B轴转动功能的数控回转工作台,当然还有相应的5轴联动控制的数控系统,则机床就发展成为五轴联动的加工中心。图2为米克朗公司生产的5轴联动立式加工中心。其三个直线轴分配在主轴头和工作台上,两个回转轴则由回转工作台来完成。

5面或多面加工中心与普通加工中心的功能区别主要在于:它不仅能在直垂于主轴的平面内完成普通加工中心所能完成的全部加工工序,还能在与该平面相互垂直的其他平面(除工件的装夹面外)内完成同样的加工任务。而5轴联动加工中心则既具有多面加工中心的全部加工功能和能力,还具有对工件上任意空间位置的表面(平面、斜面或曲面等)进行铣、镗、钻的加工的能力。所以它的工艺范围更广,能力更强。



图3 Spinner公司的车削中心


车削中心: 通常是以普通数控车床为基础,配以一个或多个具有多刀位的转塔刀架发展而成,加工对象主要是轴类和盘套类等回转体零件。由于回转体件中约有一半左右的零件,除主要需车削加工外,还需部分的铣削、钻削和攻丝等加工,因此为了在一台车床上一次装夹便可对回转体件进行全部或大部分的加工,车削中心的转塔刀架上,除了装有车削刀具外,还能装上铣刀、钻头和丝锥等旋转的动力刀具,而且机床主轴具有数控精确分度的C轴功能和C与Z轴或和C与X轴联动的功能。这样一台车削中心不仅可以像普通数控车床那样能对回转体件的内外表面(含圆柱面、锥面、曲面等)、端面进行车削加工,还可以利用C-Z轴联动功能车螺纹,利用C轴分度功能和刀架的X或Y轴控制以及其上的动力旋转刀具进行偏离回转体件中心线的钻孔和铣削,从而大大地扩展了数控车床复合加工的能力。图3是SPINNER公司车削中心。但是,对于单主轴的车削中心而言,无论其工艺能力如何扩大,也无法解决回转体件一次装夹下的背面(原装夹端)二次加工问题,这正是单主轴车削中心存在的不足和开发新型车削中心的原因所在。


图4 双主轴车削中心


双主轴车削中心: 为了克服单主轴车削中心存在的不足,机床的设计制造者采取了在单主轴车削中心的基础上,增添一个与原主轴在轴线上对置的副主轴和一个多刀位的副转塔刀架,使机床成为双主轴双刀架的车削中心(图4)。正副两主轴同步同向旋转并都具有C轴控制的功能,副主轴还能沿轴向Z移动,以拾取在正主轴上完成右端加工的零件。副主轴拾取完工件退至适当位置后即由副刀架上的刀具对其左端(原夹持端)进行加工。正、副两个刀架分别位于正、副主轴的上、下方,并可分别单独编程工作,因此双主轴、双刀架车削中心就能对回转体件实现一次装夹完成全面加工。


图5 DMG公司的Linear系列车铣中心


车-铣复合加工中心和铣-车复合加工中心: 前者多以单主轴或双主轴的车削中心为基础,将上转塔刀架改为配有刀库和换刀机构的电主轴铣头而成,如日本山崎马扎克公司生产的Integrex-IVST系列和德国DMG公司生产的GMX Linear系列(图5)的车铣复合加工中心等,其电主轴铣头既可沿X1、Z1轴移动,还有Y轴行程和B轴的转动。后者——铣、车复合加工中心则多以五面或五轴联动的铣镗加工中心为基础,并将旋转工作台换成转速比普通转台高得多的力矩电机驱动的转台发展而成。无论是前者还是后者,两者均同时具有数控车床和加工中心的功能,都是为了满足既具有回转体件特徵,又具有棱柱体件特徵的复杂形状零件的加工需要而发展起来的。但值得一提的是:在铣-车复合加工中心上执行车削任务时,力矩电机驱动的转台将作为车床的工件主轴用,而原来作为铣削加工中心的铣头主轴,现在则必须锁住并装上车刀作为车床的刀架用。由于多轴控制、五轴联动的车-铣中心和铣-车中心既能完成各种车削工序,又能完成各种钻、铣、镗、攻丝等工序;不仅可分别加工回转体件和棱柱体件,而且都特别适合加工形状很复杂的混合体件,其工艺范围之广和能力之强,可谓是当今切削复合加工机床的佼佼者。


图6 STUDER生产的磨削中心


磨削中心: 一般是以数控外圆磨床为基础发展而成。为此通常采用了两项主要的技术措施;(1)工件主轴改用具有C轴控制和锁住功能的电主轴;(2)砂轮头架采用双滑台和或具有B轴摆动功能的转塔式砂轮头架,以安装2个以上的砂轮(如适于外圆和内圆磨削用的,适于端面磨削和成形磨削用的等),以满足不同磨削工序的需要。由于数控外圆磨床一般都有控制工作台左右移动的Z轴和砂轮头架前后移动的X轴功能,这样回转体件在机床上一次装夹后,便不仅可以磨削外圆、内圆、台肩端面等,还可以利用工件轴的C轴控制功能在工件的外表面上磨削平面和多棱面;通过X轴和C轴的联动控制磨削各种圆形表面和非圆形表面;通过C轴和Z轴的联动控制磨削螺纹;利用砂轮头架的B轴摆动磨削各种不同锥度的圆锥面等。图6就是STUDER公司在以数控外圆磨床为基础发展起来的磨削中心。




a) Schaudt的KAIROS车磨中心



b) EMAG的倒置式车磨中心

图7 车—磨复合加工机床

车-磨复合加工机床: 一般是在现代数控车床应用的基础上,为适应某些经淬硬的回转体零件,如主轴、传动齿轮和轴承环等盘套类零件的加工要求而发展起来的。为此通常在数控车床上配备了高速CBN砂轮磨削单元和相应的磨削测量与控制系统,如EMO 2005上Schaudt公司展出KAIROS车-磨复合加工中心(图7.a)和EMAG公司展出的倒置式车-磨复合加工中心(图7.b)就是例子。标准型的KAIROS机床一般配置2~3个滑台,分别用来安装高速磨削主轴头和车、铣刀具的转塔刀架。砂轮直径Φ400mm,转塔刀架有8个刀位,机床可用于车削和磨削长达1000mm的轴类零件。EMAG倒置式车-磨复合加工机床的主轴(带工件)头架在上方,作X和Z轴运动,主轴端的下方配有可安装车刀和砂轮主轴的转塔刀架,它们只作分度旋转而不作移动,机床既能像普通数控车床一样完成车削加工工序,也能像普通数控外圆磨床一样完成磨削加工工序。主要用于淬硬的盘、套类零件加工。

除了上述门类和结构型式外,数控复合加工机床还有许许多多的其他门类和结构配置型式,在此就不一一介绍了。

数控复合加工机床的发展趋势与方向

从近年国内、外举办的国际性机床产品展览会上所展出的数控机床新产品和有关的评论分析资料来看,数控复合加工机床的主要技术发展趋势和方向,较集中的表现如下:

继续扩大单台数控机床的复合加工能力。通过对工艺过程和工序的优化(如合并、简化加工过程)、刀具结构的改进(如采用组合刀具、专门刀具等)减少工艺、工序及所需工具的数量;通过机床结构和配置的创新(如多轴控制的主轴头、多刀位的转塔式刀架和砂轮头架等),增加机床的灵活度、刀具的储备量和自动提供(更换)刀具的能力,从而提高机床复合加工的能力,使有更多的零件、更多的工艺的和工序都能在一台机床上一次装夹后来加工完成。例如现在不仅有了各种单一工艺的多工序复合加工机床,如车削中心、铣削中心、磨削中心、冲压加工中心等,而且还有了车-铣复合、车-磨复合、车削-制齿复合乃至切削加工和激光加工复合、冲压和钻孔复合等多种工艺的多工序复合加工机床的出现和发展。日本MAZAK公司新近推出Integrex-Ⅲst和Integrex-Ⅳ st系列的双主轴五联动的车-铣复合加工机床,除了具有车削、铣削功能外,还具有曲轴加工、滚齿、内外圆磨削和激光淬火等加工功能。


图8 Chiron的DZ15W双主轴立式加工中心


为了进一步提高生产率,特别是单台复合加工机床的产出率,数控复合加工机床在向多主轴、多刀架、多工位的方向发展。如EMO-2005上Chiron公司的新产品DZ15KW,DZ18W,DZ12KS等都是双主轴的加工中心;MAKINO公司的TWINFLEX MD为双卧主轴或双立主轴的加工中心,并各有换刀机械手;MAZAK的Integrex 300IV和德国STAMA的MC726/MT均为两个车削主轴和一个铣削主轴的三主轴车-铣复合加工机床;德国INDEX公司的V160D为双主轴、双转塔刀架的倒置式数控车床,可同时加工两个相同的零件;日本NAKAMURA-TOME公司的Super NTY3为双主轴,三转塔刀架的车-铣加工中心,德国TRAUB公司的TNX80/65为双主轴四转塔刀架的车-铣中心等。这些机床之所以采用多主轴、多刀架的结构,除部分是出于加工工艺和工序的需要外,不少则是出于采用多主轴同时加工多个相同的零件和多刀架同时对同一零件进行多工序加工,可以在加工时间上相互重合,从而能成倍地提高复合加工机床单位时间内的产出成果。因为这些多主轴、多刀架的机床实质上是相当于两台或多台相同的数控复合加工机床组合在一起,只是采用了共同的床身和由同一个数控系统进行控制罢了。不过这样的一台多主轴多刀架机床的成本要比多台独立的单主轴机床的总成本要便宜,所以在经济上还是合算的。

向大型的方向发展。因为复合加工的主轴优点之一是减少零件在多工序和多工艺加工过程中的多次重新安装调整和夹紧的时间,由于大型零件一般多是结构复杂、要求加工的部位和工序较多、安装定位也较费时费事的零件,所以采用数控机床进行复合加工比较有利。因此为了适应大型重型机械行业发展大型产品的加工需要,数控复合加工机床有向大型化发展的趋势。如在CIMT-2005上,北京市机电院高技术有限公司展出的MC2000龙门式五面加工中心,工作台面为1250mm×2200mm;秦川机床集团展出VTM-180双柱立式车-铣中心,最大车削直径为Φ2400mm。在JIMTOF-2004上,日本大隈公司展出的五轴联动的动梁龙门加工中心工作台面为2000mm×3000mm;德国瓦德里希‧科堡公司新近推出的龙门式车铣复合加工中心,工作台面宽度达4500mm~6500mm。今年CCMT-2006上,沈阳机床股份有限公司展出的Schiess VMG 1.28龙门立式车-铣复合加工机床最大车削直径达Φ3200mm,车削高度2500mm;SSCKZ80/4000大型车削中心的加工直径×长度=Φ800mm×4000mm;桂林机床股份公司展出的XHZ2320/4-5轴龙门式加工中心,工作台面为2000mm×4000mm;济南二机床集团展出的五轴定梁式镗铣加工中心,工作台面亦为2000mm×4000mm等。这就足以说明数控复合加工机床大型化的发展趋势了。

向结构模块化和功能可快速重组的方向发展。因为结构模块化是数控复合加工机床快速发展的基础,而数控复合加工机床的功能可快速重组则是其能快速响应市场需求,并能抢占市场的重要条件,因此国外许多有名的机床制造厂商早已为此而努力研发。事实上,一些技术先进的厂家(如瑞士的Mikron公司,美国的哈斯和哈梃公司,德国DMG,EMAG和TRAUB公司等)的许多产品都已实现结构模块化的设计了,并正在向如何实现功能快速重组的方面努力。



结语:几点看法和建议

综上所述,由于数控复合加工机床集多种工序乃至多种工艺于一身,工件一次装夹后便可在其上完成全部或大部分加工,这不仅减少了工件的装夹次数和许多非加工时间,提高了加工精度和效率,而且还减少了零件加工所需的设备台数和生产厂房的占地面积,从而也减少了企业相关的人、财、物的投入,降低了生产成本,提高了企业的经济效益,因此,数控复合加工机床肯定是数控机床和制造技术的重要发展方向之一。


从理论上讲,一台数控机床所复合的加工工艺和工序愈多愈好,但实际上总是有限的。因为要受到具体所要复合的工艺和工序之间的相互关系和要求,以及实现复合加工在技术(含软、硬件设计、实施)上的可能性和经济上的合理性等诸多因素的制约。因此,在扩大数控复合加工机床的复合能力时,必须对所要复合的工艺和工序进行深入的技术和经济方面的研究分析,切忌盲目地求大求全地扩大复合加工能力。


就目前的技术水平而言,单一工艺(如车、铣、磨等)的多工序复合加工在经济上比较合理,技术上也较易于实现,而跨工艺的多工序复合加工,除车铣(或铣车)复合、车磨复合的加工技术较成熟外,其他的多工艺多工序复合,如车削、激光加工复合;铣削、电火花加工复合;制齿工艺过程的全复合等,实施起来则还有一定的难度,主要是与工艺和工序变换过程中,所需刀具(或工具)如何自动交换和定位夹紧的结构设计问题有关,尚有待于进一步的研究与开发。


为了加速我国数控复合加工机床的发展,建议首先应全面加强我国数控机床的发展,特别是高性能、高质量的数控机床功能部件(含数控系统)的研发;同时大力研究和开发适用于复合加工用的工艺模块,如带C轴功能的快速自动夹紧工件的车削主轴头,具有C和B(或A)轴控制功能的快速更换与夹紧刀具的铣削主轴头和砂轮头架,用于非切削刀具(如磨削用的砂轮、激光加工头、超声波头、各种测量头等)的工具库和自动更换装置等。因为这些都是发展数控复合加工机床的基础部件。


数控复合加工机床虽说是在不同的类型的数控机床基础上发展而来的,但好的数控复合加工机床绝不是、也不可能是由单台不同工序或工艺的数控机床简单地拼装而成,而必须是在优化已有的传统工艺工序过程和机床结构配置型式的基础上创新开发出来的。所以,为了生产出具有我国自主知识产权的数控复合加工机床产品,必须加强对新工艺、新方法、新刀具和机床新部件结构的研发,即必须加强对机械制造技术的科技创新的投入,并有计划、有组织地进行基础技术与应用技术相结合的研究。只有这样我们才有可能更好地发展我国的数控复合加工机床并将我国的机械制造技术提高到一个更新更高的水平。



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