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金切机床复合化技术的发展
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   为了迎接多品种小批量生产、变量变品种时代的到来,在今后激烈的国际市场竞争中取得胜利,金切机床加工的复合化技术成为关注的焦点。近年来复合加工机床发展迅速,把不同加工技术集中在同一台机床上,实现完全加工是机床技术发展的重点之一,也是近年来发展最活跃的技术之一。复合加工机床的最突出优点是可以大大缩短工件的生产周期、提高工件加工精度。

1.综 述

1.1 复合加工机的概念

  为了实现复杂形状工件的加工,使在一台机床上能完成复数工序和复数工种的加工,这样的机床称为复合加工机。就是说,在复合化机床上可以实现完全不同性质加工过程的加工。

复合加工机功能范围随着时代变化而变化。有一时期,曾经把加工中心称为复合加工机。可是,一般的加工中心不能超出某种切削加工范围。现在的复合加工机已不是那时的复合加工机,具有本质上差异。现代的复合加工机是更进一步复合化的开发,如在车削中心上装载有回转刀具的铣削功能,在加工中心上有车削功能,最近又出现了不同原理加工方法的集约如激光加工和切削加工的复合等,进一步提高机床复合化程度。

1.2 复合加工机的发展

日本复合加工机开始上市是在上世纪70年代末80年代初。现在的森精机制作所HITEC的前身日立精机株式会社,1979年开发了51‘C型数控复合车床,有铣削主轴和y轴、刀具自动交换装置、车削主轴分度功能(C轴)构成了复合加工机的原型。1983年,日本YAMAZAKI MAzAK株式会社也开发了有铣削功能的S乙ANT40ATC型CNC复合车床,成为今日复合加工机的基础。

欧洲最早出现的复合加工机原型在意大利和奥地利。意大利Mandelli公司(现下属于意大利RIELI0集团)开发的Mandelli 800U型卧式加工中心,除铣削功能外,还具有车削功能,是一台以铣削为基础的铣车复合加工机。奥地利WFL车铣技术公司在曲轴专用车铣加工机的基础上发展成现在的M系列大型车铣复合加工机。1995年EMAG公司开发了倒置型数控立式车床。在这台机床上,除主轴具有工件上下料功能的同时,还有工件库、测量功能,是一台综合的生产型复合加工机。由于是倒置式主轴结构,切屑容易排出,适合于干切削,是一台环保型机床,引人注目。最近,使用范围正在扩大,也可以加工重的工件。

现在已有很多机床制造企业都开发了用于复杂工件加工的复合加工机,有的可完成从粗加工到精加工的所有加工。

1.3 复合加工机的种类

1.3.1车削为主型

以车削加工为主的复合加工机是车削复合中心。车削复合中心是以车床为基础的加工机,除车削用工具外,在刀架上还装有能铣削加工的回转刀具,可以在圆形工件和棒状工件上加工沟槽和平面。这类复合加工机常把夹持工件的主轴做成2个,既可同时对2个工件进行相同的加工,也可通过在2主轴上交替夹持,完成对夹持部位的加工。

现在,加工2个工序以上的工件占车削加工的大多数。对这些工件进行高效、高精度加工,有以下3种技术。

(1)内外加工集中化 在机内装有1次加工(外表面)以及2次加工(内表面)的各种功能的1次/2次加工机。
(2)加工的复合化 除车削加工,机内还装有铣削加工、磨削加工等各种功能的工序集中的加工机。
(3)智能化 机内具有储存、运输、加工一体化、工件识别、工件夹持控制、适应控制、信息网络等最新监控技术的单元加工机。

1.3.2 铣削为主型

(1)加工中心的多轴化 五轴控制,除又、X、Y、Z三轴控制外,为适应使刀具姿势变化,可以使各进给轴回转到特定的角度位置并进行定位的五轴加工机。五轴加工机的使用方法有两种:①用回转轴分度,使工件相 对于刀具倾斜,在这个状态进行三轴控制加工。②同时使所有的控制轴作连续运动,即五轴联动,可以对叶轮等具有外延伸曲面形状的工件进行加工。五轴联动加工机的特点是可以避开切削速度变为零的加工条件;可以用伸出长度很短的刀具;可以在一次装夹下加工外延伸曲面形状的工件等。

六轴控制,用多轴控制铣削类加工机不能模拟复杂形状工件加工,而复合加工可以。例如对有锥度形状和四角形状槽类等工件的加工,以前不变换加工工种是无法完成加工的,必须把工件转到电加工机床上加工。可是如采用回转刀具,使刀具一边作6轴控制运动,一边作摆动切削加工,就可在一台机床上完成加工。而且精度、效率也可以提高。如使用非回转刀具,必须控制回转主轴的回转位置,此时六轴控制是必要的。用六轴控制加工时,采用非回转刀具时,切削速度同等于进给速度,不能进行高速加工;而用回转刀具则能适应原不能加工部位和形状的加工,无需转换工种,仅用切削加工就能一次完成全部加工,效率较高。

(2)加工中心的复合化 除铣削加工外,还装载有一个能进行车削的动力回转工作台。

1.3.3 磨削为主型

磨床的多轴化,原来只在无心磨床上可见,多数是以装卸作业自动化为目的。现在,开发了在一台机床上能完成内圆、外圆、端面磨削的复合加工机。例如在欧洲,开发了综合螺纹和花键磨削功能的复合加工机。

1.3.4 不同工种加工的复合化

把多种不同原理的加工类型集约,如切削与磨削、研磨的复合;用激光功能把加工后热处理、焊接、切割合并;加工和组装同时实施等。还有,集中车削和铣削功能,特别是齿轮加工功能等的独特的生产型复合加工机;与激光加工复合,开发了装有磨削功能和激光淬火功能的复合机床等。在欧洲还开发了机械铣削功能、激光三维加工功能等集约的复合加工机。

1.4 复合加工机优点举例比较

表1列出了日本YAMAZA田MAzAK株式会社、0KUMA株式会社和森精机制作所3个公司使用复合加工机与采用原方法的效果比较。由表中可知,采用复合加工机可以大幅度缩短工件制造周期,减少设备占地面积、降低制造成本。


工件   风力发电机机壳1   0英寸液压卡盘本体 纸杯模

项目   原来 MAZAK 效果  原来 0KUMA MacTum 效果  原来 森精机  效果
      方法 e410H     方法 350-2SM        方法 MT2000SZ

总工时  44h  6h43m 1/7   400min  85min   约1/5  21天 3h10min l/53
机床台数 4   1   1/4   5     1      1/5   4   1    1/4
操作者数 4人  1人  1/4   2-3人   1人          4人  1人    1/4
工序数  8   1   1/8  5     1       1/5   6   1    1/6
夹具数  6   0   -    5     2      2/5   5   0    -
夹具费用 360万 0   -    180万日元 60万日元   1/3   260万  0    -
工序管理 复杂 简便  -    1     1/2-1/3   1/2-l/3  1   1/10   l/10
占地   大  小   -    约66m2  约32m2   约l/2   大  小    约3/8

1.5 复合加工机的市场前景和今后发展

(1)市场前景 目前,还没有对复合加工机的生产和销售状况进行统计的数据,所以只能采用类推方法来分析,即从数控系统出厂台数的形式不同和数控系统的控制轴数来分析。根据日本机床工业协会统计,1992年数控系统出厂台数为35843台。其中,装备在复合加工机上的(4轴以上联动控制)为8117台,占全部的22.6%。而2001年数控系统出厂台数为42899台。其中,装备在复合加工机上的(4轴以上控制)为13143台,比重为30.1%,比1992年增加了7.5个百分点。虽然不能说13143台都是具有复合加工功能的加工机,但是足以说明,与10年前相比,数控系统多轴化的趋势在增强。

按参考数据,日本2001年数控车床和加工中心合计生产台数为31538台(数控车床18548台,加工中心12990台),2002年是22454台。由于数控系统控制不同型式的出厂台数与数控机床生产统计调查企业对象和企业数不匹配,因而不能进行简单比较。目前,可以估算,复合加工机约占数控车床和加工中心合计生产台数的20%。在3—4年后,复合加工机占数控车床和加工中心合计生产台数的50%—60%是可以想象的。其生产销售规模可以与加工中心相匹配,这就是复合加工机的未来。

(2)今后的方向 最近,伴随着复合加工机需求的增加,大多数机床制造厂都进入该市场。目前,在数控车床上增加加工功能的例子很多。欧洲机床制造厂也考虑增加在加工中心上加入车削功能的机床,复合加工机突然进入激烈的竞争时代。因此,工厂的产品如没有自己的独特之处,就难以在激烈的市场竞争中取得胜利。

今后,复合加工机不会仅停留在车削和铣削上。从淬火、磨削、压人到冷压成形、超声波加工、激光加工等不同工种将都可能组合到一台机床上,朝一台完成型加工机的方向发展。

2 欧洲复台加工机的最新发展

最近,欧洲复合技术的发展是以异质技术的复合为主流。下面主要介绍德国等欧洲机床制造厂开发的最新复合化技术。

(1)车削十磨削加工(图1) Emag公司是倒置式立式车床的鼻祖,收购了Reineker公司和Karstens公司磨床制造厂后,集中力量发展硬车十磨削加工技术。开发除进行车削加工外,还可进行铣削、磨削、齿轮加工等的复合加工机(该厂称为多功能中心)。面向轴类工件的卧式生产中心也正在商品化。

德国Schaudt Mikrosa BWF公司开发了STRATOS系列车磨中心,可对齿轮和类似工件的内孔、端面、锥面进行硬车和磨削。机床也采用倒置式主轴结构,其特点是在床身垂直面上最多可配置安装4—5个刀塔和磨头。系列有小中大3个品种,加工工件最大回转直径380mm、宽度(100/150/200)mm,卡盘直径(125—210/210—260/260—320)mm。

(2)超声振动切削技术(图2) 德国Hermann Sauer公司开发了全新的超声振动切削技术,额定激振频率为20kHz,用于加工硬脆材料。由于切削进给速度大大提高,使切削效率提高到普通切削方法的4—5倍。


图1 Emag/Reineker VSC250 HDS倒置式立式车磨复合机
在一台机床上可进行硬车和磨削加工


Deckel/Mcho/Hermann Sauser
制造的DMS35型超声波加工机

这项技术目前在DMS35型和DMS50型超声波加工机上作为标准配置装备。DMS35机床的3轴行程为240 mm(1/轴)、340mm(Z轴)和350mm(X轴);而对于DMS50机床的X轴行程为500 mm、电动机功率为1.8/1.3kW,主轴最高转速为3000r/min(选择60000√min),最大进给速度可达到5000mm/min 。

(3)磨削十电加工 德国WALTER公司是生产工具磨床、切削刀具和精密工具测量机的著名制造厂。该厂新近开发的Helitronic Power十Diamond型CNC工具磨床是以二变一概念开发的新品种。在这台机床上可以实现放电加工十磨削加工,非常适合金刚石工具的高效高精度加工。该工具磨床有生产型和装有上料装置等5个机型,磨削主轴电动机功率可在9—24kW范围内选择。

(4)铣削十棒料加工(图3) 德国HERMIE公司是从事铣床、加工中心生产的机床制造厂。该厂的新机型S100M棒料加工中心,与车削中心的区别是装备有高刚性的重负荷铣头,可对棒料工件进行铣削、孔槽加工、攻丝和车削加工。棒料工件回转360。(A轴)、铣头滑座回转270。(B轴)。加工捧料最大尺寸为480mm×l 000mm,用5轴控制可实现圆形、角形工件加工。机床配备有可储备7根棒料的自动上料装置,可长时间无人值守加工。


图3 Hermle公司S100M型摔材加工中心,
用五轴控制加工多边形件

德国DMG集团也开发了DMC60S棒料加工中心,可对棒料工件进行六面铣削加工。除棒料工件主轴进行360。回转(4轴)、工件主轴座上下移动(Z轴)、铣头150°摆动(B轴)、X/2,轴移动外,机床还装有可进行90。回转的翻转卡具。在加工时,翻转卡具的卡爪处于下方。当铣削加工工序完成后,要用片铣刀切断棒料时,翻转卡具回转180°,使卡爪转到上方并将工件夹住。工件被切断后,卡爪反时针回转90°,此时可用铣刀加工工件第六面。此外,机床还配有尾架,以提高被加工工件的刚性。尾架一般处于工件主轴下方,需要时向上移动到与工件主轴同一轴线上,用顶尖将工件顶紧。

瑞士Willemin—Macodel公司开发的具有棒料上料装置的W408B五轴棒料加工中心,适于小型工件的六面加工。加工棒料最大直径423mm;铣削主轴转速50—30000r/min,铣削主轴摆动范围—10°~十100°;工件主轴有A轴,分辨率0.001mm;机床采用动柱式结构。为了实现六面加工,在工件主轴下方设有一个翻转夹具,用以夹住被片铣刀切断的工件,并翻转90°,以便铣削主轴对切断面进行加工。

(5)多轴自动车床十滚刀切削头(图4、图5) 德国Index Werke公司收购了生产多轴自动车床和单轴自动车床的Truab公司,在立式车床上应用并联机构等新一代技术,其在技术上的挑战姿态受到世界机床界的关注。


图4 Indek公司MS32型6轴自动车床


图5 Indek公司MS32型6轴自动车床装载的滚削装置(选件)

Index公司的Multiline MS系列是具有高生产率的多轴自动车床,具有高精度、柔性、快换刀具等性能。由于采用模快化设计,18中刀架模块,能适应用户不同需要。

Multiline MS32G总共有6对双主轴,前面和背面可同时加工。12根主轴由12台电动机单独驱动。为得到最佳切削速度,均可以进行速度控制。机床上还可装载滚刀切削模快(选用)。机床主轴最高转速6300r/min,刀具滑板J/2轴行程68mnJl60 mm,主轴相对移动量240mm,加工最大棒料直径32mm。

(6)珩磨十激光加工(图6) 德国Gehring公司于上世纪80年代中开始专注于珩磨技术的发展。现在,它的用户主要在汽车制造行业,约占其销售总量的75%。该公司的最新技术是激光珩磨(成为激光强化)。它把激光器(60W/N/d.YAG)装在珩磨机上,用激光对缸体珩磨内壁表面进行强化加工,并强制形成润滑油腔。可以预料,这种激光珩磨加工技术将会在汽车等行业得到推广应用。


图6 Gehring公司独自开发的激光头(YGA/60W),
用激光在缸体内表面形成润滑油油腔

3 日本复台加工机的最新发展

日本的复合加工机主要是以车床为基础而发展的车铣复合中心。主要代表产品是YAMAzAKI MAZAK株式会社的INTEGREX系列车铣复合中心,并在实际生产上得到广泛应用,取得了可观的效益。此后0KUMA铣床株式会社和森精机制作所也开发了车铣复合中心。2l世纪初,YAMAzAKI MAzAK株式会社又开发了复合化程度更高的INTEGREX e系列复合加工机。现将日本复合加工机发展情况介绍于下。

3.1 工序完全集中方式

0KUMA株式会社的MACTURN 250/350系列车铣中心,采用对置主轴结构,9轴控制,可进行外径车削、倾斜面加工、滚齿加工、凸轮和偏心等加工。由于工序高度集中,因此可大幅度缩短工件加工周期,提高加工精度。

YAMAZAKI MAZAK株式会社的e—1060V/6铣车中心是以五轴卧式加工中心为基础开发的复合加工机。其最大特点是可实现大的y轴行程(1060 mm)和具有2700kg工件的承载能力。e—410H—S和e—650H车铣中心是车床与加工中心的集合,采用动柱结构,也具有大的y轴行程,铣头(B轴)摆角可达240。。根据需要还可配置长锤杆、激光淬火功能和磨削主轴,大大扩大了加工范围。

森精机制作所的MT—2500车铣中心是车床和五轴加工中心的复合,左右对置两个车削主轴,在车削主轴中心线上下有两个刀座,为双主轴双刀台结构。上刀座(刀具主轴)除具有X、I/、Z三轴直线运动外,还可以绕y轴作JZ平面回转(B轴功能)。上刀座装备ATC功能。下刀座可以沿X、I/轴移动,是塔式刀座。

CITIZEN精机也按照在一台机床上完成工件所有工序加工的理念,投入了CINCOM系列机床生产。CINCoM M32—5是双主轴、3刀台、10轴混合控制的多轴多系统机床,可进行高功能、高生产率加工。

中村留精密工业的SuPerNTJ复合加工机,是在原有4轴车床的上侧刀塔加装了回转轴(B轴)发展起来的。其最大特点是一个横向刀架可以进行径向、端面方向和斜方向加工。以前的机床,端面方向的加工用直线型刀架,角度于LA口工是必须用角度型刀架。对于SuperNTJ,因为有回转轴,上述这些刀架可以不要,所以,工序集中容易、刀具费用减少。还有,因装载大功率的铣削电动机,故可进行铣削加工。这样,更扩大了加工范围。

3.2 使用为主体的模式化方法

潼泽铁工所的TMM250是根据不同需求环境,确立各种完结型加工单元的,把复合加工机模式化,通过部件的组合,以短的交货期适应各种各样用户需要的机型。模式1为复合多系统车床,模式3为加强铣加工主轴型的复合加工机。TMM—250模式1,标准配置是2个主轴,左侧主轴配22kW主轴电动机,10英寸卡盘;右侧主轴配18.5kW主轴电动机,10英寸/8英寸卡盘。

森精机HITEC的SUPER HICELl250是用工序集中实现完全加工的5轴(X、Y、Z、B、C)机床,副主轴也有C/Z刀台,0.00l°分度(轴B)(选件)。

STAR精密的ECAS20,以复杂形状速成为理念,从机械、控制两方面达到高效率加工。采用混合系统和相对的刀台,以快速、容易地实现复杂工件的加工。在所有的面都装有回转刀具刀台,可以正反两用。机床追求提高操作性、作业性和生产率。

高松机械工业的XY—120,Y轴行程扩大到±30mm,两个主轴间距离扩大为100mm,加工范围大幅度扩大。12角刀塔都可装回转刀具,副主轴也设有Cs分度控制功能,可以实现内外面的完全加工。设有选用的VDI刀塔,缩短了工序作业时间。

MIYAN0的BNJ—34S,左右有两组主轴和刀塔,可完全独立地进行内外面同时加工。仅在副刀塔分度时,为避免干涉,副主轴必须左右移动。与一般的2个主轴、1个刀塔的机床相比,加工时间最大可缩短40%。

大限丰和机械的VTM—80YB,追求复杂工件立式车削加工的合理化。大工件、复杂形状工件采用APC方式(工作台自动交换系统)。由于有B、C轴回转,可用同一个刀具进行立、卧加工和斜孔加工,可以缩短加工时间和大幅度削减夹具费用。机床采用两面定位的刀柄,能适应重切削。

0—M制作所的0mega 60YB在X、Y、Z、C轴的基础上,附加了刀具主轴的回转分度功能(6轴),成为五轴控制机,可以加工复杂形状的曲面,达到加工工序的高度集中化。由于工序集中,缩短了总的工序时间和消除了由于工件装卸误差引起的精度下降。可以进行各种加工(凹槽、孔、螺纹、内表面台肩和T型槽)。由于各轴、APC的高速化,缩短了辅助时间。

本间金属工业的STAC—25MF,在原有的车削中心的X、2、C轴的基础上附加了Y轴(工作台前后进给定位),还装备有刚性好的角度头附件。因此,兼备有立、卧加工中心的功能,在多品种小批量生产中能发挥其作用。在一台机床上,从车削加工到多面、五面加工的铣削、钻孔、攻丝和锤孔能一次装卡完成。

3.3 磨台自动回转方式

磨削加工复合化机床有丰田工机的GU4—100R,由于磨台能自动回转,在一次装卡下,可完成外圆、内圆和端面磨削,内外圆的同轴度可达0.15μm,圆度可达0.2μm。它用大直径的斜角砂轮加工外径和端面;用大直径直砂轮加工圆柱面。

NAGSINTEGREX的超精密成形平面齿轮加工机,是以超精密平面磨床为基础,装载了超精密分度盘(±l/1000)、内齿磨削装置、平面磨削机台、超精密回转工作台,可以进行外、内齿的超精密加工、超高精度平面加工、超精密镜面加工。

现在的复合机加工方法包括切除加工和热处理。切除加工有车削、铣削、齿轮滚削、钻削、攻丝、锤孔、旋铣等切削加工和磨削加工。热处理,目前仅在部分机床上配备了激光淬火功能。今后,用YAG激光焊接和用C02激光作切除加工在提高精度等方面将会发挥积极作用,与机械切除加工等有机地融合,定会出现新的复合化的结合。

4 我国复合加工机发展

我国复合加工机刚刚起步,主要是车铣复合加工机。首台复合加工机出现在2001年中国国际机床展上,是由沈阳机床股份有限公司与德国MAX MULLER公司合作生产的车铣复合中心。刀库为盘形刀库、16个刀位,在机床右侧,采用无机械手换刀。2003年中国国际机床展上,沈阳机床股份有限公司展出了多台自行开发的车铣复合中心,有SSCK 40—5车铣复合中心、SSCK 80—5/2000车铣复合中心、CX6154车铣复合中心和SSK—U6035专用复合车铣中心。其中SSCK 80—5/2000车铣复合中心,最大加工直径¢800mm,加工轴类工件最大直径¢600 mm,加工长度2000mm,Y轴行程十200~—150mm,B轴摆动范围180°,工件主轴转速2800r/min,主轴功率37kW,铣削主轴转速4000r/min,主轴功率22kW,X、Y、Z、C、B五轴控制。江苏多棱数控机床股份有限公司展出了自行开发的CXH7525车铣复合中心,是车床和加工中心的组合。采用动柱式结构,有大行程的Y轴,为抛620mm,最大加工直径¢500mm,加工长度lO00mm,铣头摆动范围240°,可实现4—5轴联动。

虽然,我国复合加工机发展起步较晚,但是早已在实际生产上使用复合加工机。在上海汽车齿轮厂,使用了进口的德国EMAG公司的VSC250 HDS型车磨复合加工机和瑞士Reishauer公司的RZF蜗杆砂轮齿轮磨削十珩磨复合加工机。在曲轴加工和凸轮轴加工、以及科研、新产品制造上也已使用了不少进口的车铣复合加工机,如日本MAZAK公司INTEGREX系列车铣中心、德国INDEX公司的车铣复合中心、奥地利WFL铣车技术公司的车铣中心等等。

5 结束语

复合加工技术的发展将会给今后的生产带来革命性的巨变。工厂的生产的模式、生产的组织、生产的管理将发生变化。预示着一个完全加工时代即将到来,即在一台机床上从毛坯直接加工成工件成品,送入组装、总装进行装配,实现没有在制品、没有半成品、没有成品库的真正精益生产。
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