高效高速加工技術（shù）與裝備

      現今，在製造（zào）業高（gāo）速數控加工中（zhōng）（MC）機床已得到了極為廣泛的應（yīng）用，並已成（chéng）為現代數字化製造（zào）企業實現（xiàn）產品數字（zì）化製造的關鍵基礎裝備，是實現批量定製產品高效高速加工生產的核心設備。

      高效高速加工（HEM-HSM）通常包含有兩方麵的基本含義：

      高金屬切除率

      高效（xiào）加工，就意味著要（yào）求數控機床應具有高（gāo）金屬（shǔ）切除率，或者說要（yào）求（qiú）數控機床主軸應能提供足夠高的切削加工能（néng）力。金屬切除率（mrr）定義為單位主軸運行時間內切削金屬材體積或重量，典型單位為cm3/min。

      高（gāo）加工零件產出率

      高速加工（gōng），則意味著要求數控機床應具（jù）有高加工零件產出率。首先，這就要求數控機床加工（gōng）零（líng）件運行中非切削輔助運行（非增值運行，主要包括換刀與空行程等）時（shí）間應盡可能短，或者說要（yào）求機床應具有高（gāo）主（zhǔ）軸運轉率（主軸運（yùn）轉時間占零件加工周期時間（jiān）的百分比）。其次，要求零件加（jiā）工生產周期時間（jiān）盡可能短，或者說要求機床應（yīng）能提供高切削（xuē）速度、高加工進給速度和高坐標運動加/減速度以及快速刀具交換能力。

      為實現（xiàn）上述這兩個基（jī）本目標，數控機床設計師們在傳統高自動化數控MC機床基礎（chǔ）上（shàng），經過（guò）長期（qī）持續努力創新性地研（yán）發出高速電主軸、直線電機、高速滾（gǔn）珠絲杠、力矩電機、直驅式主軸擺角頭和直驅式數控轉台等數控機床各種關鍵功能部件，並對傳統數控機床結構進行優化與創新，研製出了能夠實現高效切削加工與高加工零件產出率的新型高速數（shù）控加工機（jī）床，主要包括有：

      高性能五坐標數（shù）控機床

      通過集成更多的運動坐（zuò）標軸，配置高功率、高（gāo）轉矩、高速主軸在一台高速數控MC機床上，並采用“一次裝夾完成全部加工” 工藝策略，實現高速粗精多工序加工（gōng）、或與3/4/5坐標聯動、或與多麵體多工序加（jiā）工一次完成，或者（zhě）說更（gèng）多地使用高（gāo）性能五坐（zuò）標數（shù）控MC機床進行複雜產品零件的高效、高速加工。

      多主軸高速數控機床

      將（jiāng）多個主軸集成在一台高速數控機床上（shàng）以實（shí）現大幅度提升數控機床的總切削加工能力，以（yǐ）取得高零件（jiàn）加工產出率，這就是多主軸高速數控機床（chuáng）。多主軸高速數控機床主要包括多主（zhǔ）軸高速數（shù）控加工中心（MSMC）機床（chuáng）和（hé）多主軸高速數控車（chē）削中心（MSTC）機床等。

      高（gāo）速複合（hé）數控加工機（jī）床

      基於“一次裝夾完成全部加工”工藝策略，優化與創新傳統高速數控機床結構設計，實現（xiàn）將銑、車、鑽、鏜（táng）等多種不同（tóng）加工工藝集成在一台高速數控MC機床上實現複合化加工，這（zhè）就（jiù）是高速複（fù）合數控機床。

      上述這幾類高速數（shù）控（kòng）機床和（hé）普通高速數控（kòng）機床相（xiàng）比（bǐ）具有更高的加工效率和加工零件產出（chū）率，可歸類於一種高效高速數控加工機床範疇。本（běn）文限於篇幅（fú）僅對其中（zhōng）多主軸數控（kòng）加工（gōng）中心（MSMC）機床相關技術進（jìn）行介紹和討（tǎo）論。

      多主軸數控MC機床

      眾所（suǒ）周知（zhī），對普通數控加（jiā）工（gōng）機床（無（wú）論（lùn）是數控MC機床，或（huò）是數控TC機床）通（tōng）常（cháng）都僅設計有一個主驅動裝置—主軸裝置。顧名思義（yì），MSMC機（jī）床則是它（tā）設（shè）計有多（duō）個（gè）主軸。對MSMC機床來說，一般設計有2～6個主軸。製造業中應用最多的是為雙主軸的MSMC機床，其次為3/4主軸的MSMC機床。

      實際上，在（zài）普通數（shù）控MC機床上，再增加1個、2個或（huò）更多的主軸，就（jiù）可構成最初始的MSMC機床。因此，MSMC機床（chuáng）保持了普通數控（kòng）MC機（jī）床的各種主要的先進功能（néng）特（tè）征，如（rú）自動刀具交換（ATC）、自（zì）動工件（jiàn）交換（AWC）和多坐標聯動加工等功能。同（tóng）時，和普通數控機床一（yī）樣，MSMC機床可設計為立式結構、臥式結構、典（diǎn）型低軌動龍門結（jié）構，以及高架橋式動龍門結構等，見圖1。

 
圖1 若幹不同結構的MSMC機床

      應指出的是，MSMC機床概念並不是新近才提出的。在某些應用領域，多主軸數控機（jī）床已經存在好（hǎo）多年，而傳統多主軸機械車床的使用則有近百年曆史。在航宇製造業（yè）中（zhōng），大型3主軸數控仿形銑床早就被推薦（jiàn）作為航（háng）宇工業標準，同時（shí）大型多主（zhǔ）軸數（shù）控龍門型麵銑（xǐ）床在航宇製造業中應用也已有較長年頭了。這些多主軸機床都是設計為可同時加工（gōng）多個零件，能有效地提高數控機（jī）床加工（gōng）效率與加工零件產（chǎn）出率。

      但是，當時工業界對MSMC機床技術並沒有引起（qǐ）太多關注和足夠重視。直至最（zuì）近20年間，隨著高速（sù）數控（kòng）機床技術快速發展和廣泛工業應（yīng）用，同時由於全球化巿場（chǎng）的變（biàn）化（huà），製造業產品生產方式更多（duō）轉向多（duō）品種（zhǒng）、小批量、定製（zhì）加工生產，傳（chuán）統高自動（dòng）化生產係統費用高，以及普通數控MC機床單機加工能力已（yǐ）趨向飽和，工（gōng）業界開始重新關注MSMC機床技術（shù），並在20世（shì）紀90年代中後（hòu）期得到了快速發展和更多應用，特別在歐洲汽車製造（zào）業（yè）和液壓件行業領域。可以說，現代（dài）MSMC機床實際上是基於傳統（tǒng）高速數控MC機床技術為基礎的（de）一種高（gāo）加工生產率（lǜ）的專（zhuān）用型高速數控MC機床。表1給出的為若幹數控（kòng）機床製（zhì）造商（shāng）推（tuī）出的商品化MSMC機床的主軸與坐標軸相關的基本速度參（cān）數，明顯呈現（xiàn）了高（gāo）速數控MC機床的最基本特征。這就是說，在普通（tōng）高速數控MC機床上再增加1、2個主軸，或更多主軸，則就（jiù）可構成（chéng）了現代MSMC機床（除非特別說明，後（hòu）文所述的MSMC機床均指現代MSMC機床）。但是，MSMC機床（chuáng）和普通（tōng）高速數控MC機床相比仍（réng）具有許多自己獨特的結構特征，其中最大的不同是為多主軸（zhóu）結構或與工件交換裝置（zhì）的結構設計。

      MSMC機床（chuáng）基本分類

      目前，MSMC機床在汽車製造業、液壓件行業和航宇製（zhì）造業領域中（zhōng）得到了較多實際應用，並還在日益擴展中。基於MSMC機床加工零件對象與加工批量不同，應用在汽車製造業和（hé）應用在航宇製造業的MSMC機床結構存在較大不同。但基本可分（fèn）為兩大類型：普通型（xíng）和大型MSMC機床。

      普通型MSMC機床（chuáng）

      應用於汽車製造業、液壓件（jiàn）行業領域的MSMC機床，其加工零件對（duì）象多為（wéi）中小尺寸範圍的複雜菱形類結構件，諸如汽車發動（dòng）機缸體、缸蓋、連杆、刹車構件（jiàn）等，多（duō）數需要進行空間孔係切削（xuē）加工（gōng），需使用4～5坐標軸數控MC機床實現空間多麵體分度定位（wèi）加工（gōng），見圖（tú）2（a）。同時這類零件加工生產的批量通常很大（dà），一般要求年產量能達數萬至數十（shí）萬件（jiàn），已屬大批量加工生產範（fàn）疇。零件大批量加工生產，相應刀具用量極大，一般（bān）要求配有大容量刀庫，並且對機床坐標運動（dòng）速（sù）度、加減（jiǎn）速（sù）度（dù）、快速工件裝夾（jiá）、加卸載操作性以及刀具交換（huàn）速（sù）度等（děng）都有較高要求，或者說這一類MSMC機床對速度和（hé）自動化水平均有極高要求。這（zhè）是因為單個零件加工生產周期哪（nǎ）怕（pà）僅是（shì）減少1s，但（dàn）對要求年產數十（shí）萬件的（de）大批量加工生產而言卻具有重要意義。

  
 
圖2 使用MSMC機床（chuáng）加工的典（diǎn）型零件

      目前，適合於大（dà）批量零件加（jiā）工應用的MSMC機床（chuáng）多采用如圖1（a）與圖1（b）結構設計。為敘述方便，將（jiāng）這一類的多主軸機床稱為（wéi）普通型或中小型MSMC機（jī）床。

      大型MSMC機床

      大（dà）型MSMC機床，主要是指應用於航宇製造業（yè）領（lǐng）域的（de）MSMC機床，其加工零件對象（xiàng）多為大尺寸或超（chāo）大（dà）尺寸範圍的複雜（zá）航宇整（zhěng）體結構件，諸如飛機梁、框、肋、壁板等構（gòu）件，且多為帶筋薄壁複雜（zá）空間曲麵零件（jiàn），大（dà）多數須使用5坐標軸數控MC機床實現聯（lián）動加工複雜空間曲麵輪廓，見圖2（b）。同時，這類（lèi）零件加工（gōng）生產，通常種類較多，批量（liàng）典型為數十至數千，屬（shǔ）典型多品種（zhǒng）小批量加工生產範疇。適合於這類零件加工應用的MSMC機床多采用如圖1（c）與圖1（d）結構設計，即為（wéi）典型大型動龍門機床結構。基於航宇結構件切削加工（gōng）時間通常較長，一般不特別要（yào）求配置有大（dà）容量刀庫，但（dàn）多要求配置大（dà）功率（lǜ）、高（gāo）轉矩、高速主軸（zhóu），以適應大型航宇輕硬合金材整（zhěng）體結構件高（gāo）金屬切除率的高（gāo）效、高速加工工藝需求（qiú），mrr通常要比汽車製造業中應用的普通型MSMC機床的要高出（chū）許多。

      此外，對MSMC機床來說，若按（àn）照其在實際生產應用中所允許采用的不同加工工藝方法，則還可被分為同步MSMC機床和柔性MSMC機床。

      同步MSMC機（jī）床（chuáng）

      所（suǒ）謂同步MSMC機床，是指在多個零件一次裝夾之後，MSMC機床的多個主軸（zhóu）能同時加工多個同樣的零件。通常（cháng），這一類MSMC機床的多個主軸驅動是和坐標運（yùn）動捆綁在一起的，或者說多個主軸共享（xiǎng）機（jī）床坐標（biāo）軸運動指令數據，實現多主軸同步（bù）運行（háng），因此被稱為（wéi）同步MSMC機床。應注意的是，相對應（yīng）的機床（chuáng）機械設計，驅動控製和加工編程技術等都應能適應這（zhè）種基本運動控製要求。普通型MSMC機床（chuáng）多設計為同步MSMC機床（chuáng）。

      柔性MSMC機床

      所謂柔性MSMC機床，主要（yào）是指某些雙主軸結構的MSMC機床，其雙主軸既可（kě）實現同時加工兩個同樣的零件（jiàn），又可采用交替加工同一個零件，或者加工兩個不同的零件（jiàn）。因呈現出較佳應用（yòng）柔性，而（ér）被稱為柔性MSMC機床（chuáng）。通常，這一類MSMC機床（chuáng）的多個主軸驅（qū）動和其相應的坐標（biāo）運動是設計為可（kě）獨立控製的（de）。同（tóng）樣，相對應的（de）機床機械設計（jì）、驅動控製和加工編程技術等都應能適應這種基本運動控製（zhì）要求。大型MSMC機床多設計為柔性MSMC機床。

      MSMC機床總體（tǐ）結構

      如前所述，MSMC機床是在傳統高（gāo）速數控機床基礎上（shàng）發展起來的，因此傳統高速數控（kòng）機床基本設計概念在MSMC機床（chuáng）上得到較多繼（jì）承。但是，MSMC機床和普通（tōng）高速數控MC機床相比，由於多主軸同時切削加工多個零件，因而機床高（gāo）剛性和低熱膨脹結構設計（jì）是極為關鍵的。

      為獲（huò）得MSMC機床高靜動態剛性，普通型MSMC機床總體結（jié）構多采用整體框架式箱中箱結構設計技術，並且一般都將X、Y、Z正交三直線運動集成在主軸刀具側，而旋（xuán）轉運動集（jí）成在工件側，使加工切削力合理地分配到主軸側與工件側（cè），並（bìng）盡（jìn）可能（néng）直接通過整體框架床身結構或整體床身基（jī）礎框架結構吸收消散（sàn），見圖3。

 
圖3 整體框架式（shì）箱（xiāng）中箱結構

      圖3（a）所示為德國SW公司推出（chū）的BA係列MSMC機床，可作為整體（tǐ）框架（jià）結構設計的典型實例。從圖3（a）可清晰看出，BA係列機床采用立體整體框架式箱形床身結（jié）構設計，即將構成機（jī）床的梁（liáng）、柱和基（jī）礎床身連成一（yī）體形成一個（gè）高剛性的整體（tǐ）箱形結構，突破了傳統數控MC機床的床身-立柱-橫梁式結構設（shè）計。SW公司（sī）BA係列機床整體框（kuàng）架承載有擺橋式旋轉工作（zuò）台和配置有2/4個主軸並采用了箱中箱結構設計的X、Y、Z坐（zuò）標軸運動構件，在有限（xiàn）封閉（bì）空間內結構極為緊湊，實（shí）現了主軸刀具和工作台（tái）間的最優動力傳（chuán）遞，提高（gāo）了機床靜（jìng）動態剛性（xìng），改善了加工精度和工藝可靠性。據SW公司宣稱，采用這種（zhǒng）專利整體框架式設計（jì）技術，該公司的BA 400係列MSMC機（jī）床靜剛（gāng）度已達7,582kg/mm（7.58 kg/μm），接近傳統單（dān）主軸數控（kòng）MC機床先進水平。

      圖（tú）3（b）所示為美國AFLING公司AL係列MSMC機床，也是采用了整體框架式結構設計（jì），可作為整體框（kuàng）架結構設計的另一（yī）典型實例。但和SW公司BA係列機床不同的是，其擺橋式旋（xuán）轉工（gōng）作台被設計為獨立的模塊選件，用戶可根據實際需（xū）求配置固定式的工作台、單軸（A）或多軸（n×B/A n×B）的擺橋式旋轉工作台。

      實際上，從圖3已可（kě）明（míng）顯看出，普通型MSMC機床基本上都采用了由（yóu）正交三軸高速數控（kòng）機床的床身 單軸（zhóu）或雙軸擺橋式旋轉工作台結構的設計方案。目（mù）前，絕大多數用於汽車製造業與液壓件行業的MSMC機（jī）床，製造商們都（dōu）采用了整體框架式箱中箱結構床身、上置（zhì）大容量刀庫和擺（bǎi）橋式旋轉（zhuǎn）工作台的設計方案，如德國的Grob公司（sī）G係列、Licon公司LiFLEXII係列以及意大利Riello公司的MC2/MC4係列等MSMC機床都采用了相類似（sì）的結（jié）構設計技術，各具（jù）特色。

      多主軸結構設計

      如前所述，MSMC機床的多主軸通常是和所有的坐標軸運動捆（kǔn）綁在一（yī）起，特（tè）別是用於大批量零件加（jiā）工生產的普通（tōng）型MSMC機床。在一般情況下，MSMC機床多主軸（zhóu）間距（主軸中心線（xiàn）間距離（lí））被設計為固定的，主軸間（jiān）距將取決（jué）於（yú）被加工零件的尺（chǐ）寸範圍（wéi），常見的有200～1,000mm不等，通常主軸越多，其間距就越小。同步MSMC機床的多主軸被設計為同步工（gōng）作，共享各坐標軸運動以同時加工多個同樣的零件。

      大（dà）多數MSMC機床的多主軸驅動都設計為可獨立控製的，僅（jǐn）少數被設計為主從式，一個主驅動主軸，其（qí）餘為從動主軸，每個主軸不能單獨控製與移動（dòng），這類MSMC機床主要（yào）為專用於多主軸同時（shí）進（jìn）行鑽削加工應用場合而設計的。同時，考慮到實際應用中刀具初（chū）始位置準確定位調整，MSMC機床的多主軸一般僅允許一個主軸（zhóu）Z軸向可設計為固定不（bú）能調（diào）整，其餘主軸（zhóu）Z向軸套都應設計（jì）成可手動或自動調節的。

 
圖4 MC2雙主軸數控MC機（jī）床

      一般地說，無論（lùn）立式結（jié）構，還是臥式（shì）結構的MSMC機床，其多個主軸通常（cháng）設計為（wéi）左右排列結構，見圖（tú）1～圖2。但（dàn）也有被設計成上下排列結構的。如意大利 Riello（利雅路）機床公司的MC2雙主軸數控MC機床，其（qí）雙主軸就（jiù）采用了上下排列結構設計，見圖4。利雅路公司MC2機床是麵（miàn）向鋁（lǚ）合金、鋼和鑄鐵材等中（zhōng）小型零件變批量 (5～20萬件（jiàn）/年)加工生產而設計的，機床采用帶加強筋的整體框架（jià）式結構設計，具有（yǒu）較高的靜動態剛性。主軸最大功率24kW，轉速12,000r/min，機床坐標進給速度指標可參閱表1。雙主軸間距320mm。主（zhǔ）軸套可沿（yán）Z軸運動，兩個刀庫（kù）設計在同一側，也被設計為上下排列結構，換刀速（sù）度僅1s（C-to-C）。工（gōng）件托盤和工作台可在立柱上實現上下運動（Y軸）和B軸旋轉運動，而X軸運動為立柱側在床身上的移動。X、Y、Z行程為500×400（720）×520mm，定位精度為（wéi）X、Y、Z：0.008mm，B：5弧度秒。機床采用三點支撐設計，無需特殊地基而且占地麵（miàn）積小（xiǎo），使得機床的整體運（yùn）輸（shū）裝配和在車間的移位都非常方便。

      應用於（yú）航宇製造（zào）業的大型MSMC機床，絕大多數都采（cǎi）用典型動龍門床身結構與立式多主軸左右並列結構，見圖1（c）與（d）。瑞士StarragHeckert（斯達拉格海科（kē）特）技術公司新推出的用於加（jiā）工大型鈦合金材構件的數控（kòng）型麵銑床（Big Titanium Profiler ）BTP5000，為雙主軸大型五坐標MSMC機床，X坐標軸行程可達5,000mm，其雙主軸為（wéi）臥式，采用了上下排列結（jié）構設計，見（jiàn）圖5。該MSMC機床重達（dá）200t，采用高剛性框架結構設計，為適應硬合（hé）金材料高效切削，使用機械齒（chǐ）輪傳動式主軸，單個主軸功率37kW，扭矩940Nm，最高轉速8,000r/min；X、Y、A、C 4個坐標軸運動集成在主軸刀（dāo）具側，僅Z軸運動集成在工（gōng）件側，具有高靜動態剛性，並可提高低頻顫震阻（zǔ）尼能力，可配有450把大容量模塊（kuài）化刀庫（kù）和雙換刀機械手，換刀可同時在雙主軸上進行。據報道，該MSMC機（jī）床加工鈦合金Ti 6Al4V時金屬（shǔ）切除率mrr達754cm3/min，加工鈦合金Ti5553時mrr已達295cm3/min。由於其主軸采用臥式結構設（shè）計，因而加工排屑效果優於典型動龍門結構的大型MSMC機床立式主軸結構。

圖5 BTP5000臥式雙主軸五坐標數控MC機床

      至此，已介紹的MSMC機床，無（wú）論其多主軸是設計為左右排列，還是設計為上下排列，均為臥式結構或立式結構（gòu）。德國Witzig & Frank有限公司推出的Twinflex MD四主軸（zhóu）、雙工作站（zhàn）的（de）五坐標數控MC機床（chuáng），則采用（yòng）了多立臥（wò）式主軸相結合的結構設（shè）計，即一對主（zhǔ）軸為臥式並列結構，一對主軸為立式並列結構，見（jiàn）圖（tú）6。

 
圖6 立臥式結合的四（sì）主軸數控MC機床

      Twinflex MD多軸數控MC機床每對主軸間距（jù）400mm，主軸功率26kW，最高轉度15,000r/min，刀具換（huàn）刀機械（xiè）手設計在每對主軸相應的兩（liǎng）側。每個工作站由可獨立驅動控（kòng）製（zhì）的擺橋式（shì）旋轉工作台組（zǔ）成，每個工作站都可實現五麵體加工，允許兩個工作站同時加工，或交替加工。X、Y、Z直線坐標軸行程450×450×500mm，采用直線電機驅動，快（kuài）速移動速度可達100m/min。該MSMC機床主要麵向多品種、中（zhōng）批量，且需多麵體加工的零件。由於采用雙工作站結構設計，加工切削與工件裝卸可同時進行，從而可減少機床空閑時間，大大提高了零件加工生產率。

      應該指（zhǐ）出的是，目前MSMC機床多主軸概念和結（jié）構設計技術仍在持續發展之中，出現了一些具有創新（xīn）性的（de）新型MSMC機床。圖7所示的為Emag LLC公司開發的一種新型多主軸數控加工機床可作為一典型實例。該機床創新性地綜合了傳統組合加工機床和高速數控MC機床的特點，采用了整體框架式結構設計技術，多主軸刀（dāo）具按零（líng）件加工需要設計在框架體（tǐ）的（de）上下左右的邊框固定板上，不（bú）設置自動刀具交換裝置，節省了輔助換刀時間與相應的輔助機（jī）構，並可使用（yòng）動力刀具或複合刀具，實現多工序（xù）一次加工。應用可進行X、Y、Z直線坐標軸與旋轉坐標軸（4軸（zhóu））、並帶有液壓夾緊裝置的高速移動（dòng）的工件裝夾（jiá）運動平台，采用“工件找（zhǎo）刀具（jù）”的控製策（cè）略實現零件高（gāo）效高速切削加工，通常可在1s內實現加工變換（C-to-C）。這種新型多主軸數（shù）控（kòng）加工機（jī）床主要麵向汽車製造業諸如底盤拉杆、齒輪箱（xiāng）體、箱蓋等須進行多麵體加工的（de）中小型複雜結構件的高效、高速、大批量加工生產。

 
圖7 Emag LLC公司（sī）新型多（duō）主軸數控加工機床