高效高速加工（gōng）技術與裝備

      現今，在（zài）製造（zào）業高速數控加工中（MC）機床已（yǐ）得到了極為廣泛（fàn）的應用，並已成為現代數字化製造（zào）企業實（shí）現產品數字化製（zhì）造的關（guān）鍵基礎裝備，是（shì）實現批量定製產品高效高速加工生產（chǎn）的核心設備。

      高效高（gāo）速加工（gōng）（HEM-HSM）通常包含有兩方麵的基本含義：

      高金屬切除率

      高效加工，就意味著要求數控機（jī）床應具有高金屬切除率，或（huò）者（zhě）說要求（qiú）數控機床主軸應能提（tí）供足夠高的（de）切削加工能力。金屬切除率（mrr）定（dìng）義為單位主軸運行時間內切削（xuē）金（jīn）屬材體積或重量，典型單位為cm3/min。

      高加工零件產（chǎn）出率

      高速加工，則意味（wèi）著要求數控機床（chuáng）應具有高加工零件產出率。首先，這就要求數控機床加工零件運行中非切（qiē）削輔助運行（非增值運行（háng），主要（yào）包括換刀與空（kōng）行程等）時間應盡可能短（duǎn），或者說要求機床（chuáng）應具有高主軸（zhóu）運轉（zhuǎn）率（主軸運轉時間（jiān）占零件加工周期時間的百分比）。其次，要求零件加工生產周期時間盡（jìn）可能短，或（huò）者說要求機床應能提供高切削速度、高加工進給速度和高坐標運動加/減速度以及快速刀具（jù）交換能力。

      為實現上述這兩（liǎng）個基本目標，數控機床設計師（shī）們在傳統高自動化數控MC機（jī）床基礎上（shàng），經過長期持續努力創新性地研發出高（gāo）速電主軸（zhóu）、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（děng）數控機床各種關鍵功能（néng）部件，並（bìng）對傳統數控機床結構進行優化與創新（xīn），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控加工機床，主要包括有：

      高性能五（wǔ）坐標數控機床

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

      多主軸高速（sù）數控機床

      將多個主軸集成在一台高速數控機床上以實現大幅度提升數控機床的總切削加工能力，以取得高零件加工產出率，這（zhè）就是多主軸高速數控機床。多主軸高速（sù）數控機床主（zhǔ）要包括多主軸高速數控加工中心（MSMC）機（jī）床（chuáng）和多主軸高速數（shù）控車削中心（MSTC）機床等。

      高速複（fù）合數控加工機床

      基於“一次裝夾（jiá）完成全部加工”工藝策（cè）略，優化與創新傳統高速數控（kòng）機床結構設計（jì），實現將銑（xǐ）、車、鑽、鏜等多種（zhǒng）不同加工工藝集成在一台高（gāo）速數控MC機床上實現複合化加工，這就是高速複合數（shù）控機床（chuáng）。

      上述這（zhè）幾類高速數控機床（chuáng）和普通高速數控機床相比具有（yǒu）更高的加工效率和加工零件產出率，可歸類於一種（zhǒng）高效高速數控加工（gōng）機床範疇。本文限於篇幅僅對其中多主軸（zhóu）數控加工（gōng）中心（MSMC）機床（chuáng）相關技術進行介紹和討論。

      多主軸數控MC機床

      眾所周知，對普（pǔ）通數控加工（gōng）機床（無論是數控MC機床，或是數控TC機床）通常都僅設計有一個主驅動裝置—主軸裝置。顧（gù）名思義，MSMC機床則是它設計有（yǒu）多個主軸。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（de）MSMC機床，其次為3/4主軸的MSMC機床。

      實際上，在普通數控MC機床上，再增加1個、2個或更多的主軸，就可構成最初始的MSMC機床。因此，MSMC機床保（bǎo）持了普通數控MC機床的各種主要的先進功能特征，如自（zì）動（dòng）刀具（jù）交換（ATC）、自動工件交換（AWC）和多坐（zuò）標聯動（dòng）加工等功能。同時，和普通數控機床一樣，MSMC機床可設計為（wéi）立式結（jié）構、臥式（shì）結構、典型低軌動（dòng）龍門結構，以及高架橋式動龍（lóng）門結構等，見（jiàn）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（xīn）近才提出（chū）的。在某些應用領域，多主軸數控機床已經存在好多年，而傳統多主軸機械車床的使（shǐ）用則有近百年曆史。在航宇製造（zào）業中，大型3主軸數控仿形銑床早就被推薦作為航宇工業標準（zhǔn），同（tóng）時大型多主軸數控龍門型麵銑床在航宇製造業中應用也已有較長年頭了。這些多主（zhǔ）軸機床都是設計為可同（tóng）時加工多個零件，能有效地提高數控機床加工效率與加（jiā）工零件產出率。

      但是，當（dāng）時工業界對（duì）MSMC機床技術並沒（méi）有引（yǐn）起太（tài）多關注和足（zú）夠重視。直至最近20年間，隨著高速數控機床（chuáng）技術快速（sù）發展和廣（guǎng）泛工業（yè）應用，同時由於全球化巿場的變化（huà），製（zhì）造業產品生產方式更多轉向多品種、小批（pī）量、定製（zhì）加工生產，傳統高自動化生產係統費用高，以及普通數控MC機床單機加工能力已趨向飽和，工業界開始重新關注MSMC機床技術，並在20世紀90年代中後期得到了（le）快速發展（zhǎn）和更多應用，特別在歐洲汽車製造業和液壓件行業領（lǐng）域。可以說，現代MSMC機（jī）床實際上是基於傳統高（gāo）速數控MC機床技（jì）術為基（jī）礎的一種高加工生產率的專用型（xíng）高速（sù）數控MC機床。表1給出的為若幹數控機床製造商推出的商品化MSMC機床的主軸與坐標軸相關的基本速度參數，明（míng）顯呈現了高速數控MC機床的最基本特征（zhēng）。這就是說，在普通高速（sù）數控MC機（jī）床上再增加1、2個主軸（zhóu），或更多主軸，則就可構成了現代MSMC機床（除非特別說明，後（hòu）文所述的MSMC機床均指現代（dài）MSMC機床）。但是，MSMC機（jī）床和（hé）普通高速數控MC機床相比仍具有許多自（zì）己獨特的結構特征，其中最大的不同是為多主軸結（jié）構或與工件交換（huàn）裝（zhuāng）置的結構設計。

      MSMC機床基本分類（lèi）

      目前，MSMC機床在汽車製造業、液壓件行業和航宇製造業領域中得到了較多實際應用，並還在日益擴展中。基於MSMC機床（chuáng）加工（gōng）零件（jiàn）對象（xiàng）與加工批量不同，應用在汽車製造業和應（yīng）用在航宇製造業的MSMC機床結構存在較大不同（tóng）。但基本可分為兩（liǎng）大類型：普通型和大型MSMC機床。

      普通（tōng）型MSMC機床

      應用於汽車製造業、液壓件行業領域的MSMC機床，其加工零件對象多為中小尺寸範圍的複雜菱形類結構件，諸（zhū）如（rú）汽車（chē）發動機缸體、缸蓋、連杆、刹車構件等，多數需要進行空（kōng）間（jiān）孔係切削加工，需使用4～5坐標軸數控MC機床實現空間多麵體（tǐ）分度定（dìng）位加（jiā）工（gōng），見圖2（a）。同時這類零件（jiàn）加工生產的批量通常很大，一（yī）般（bān）要求（qiú）年產量能達數萬至數十萬件，已屬大（dà）批量加（jiā）工生產範疇。零件大批量加工生產，相應刀具用量極大，一般要求配有大容量刀庫，並且對機床坐標運動速度（dù）、加（jiā）減速度（dù）、快速工件裝夾、加卸（xiè）載操作（zuò）性以及刀具交換速度等都有較高要求，或者說這一類MSMC機床對速度（dù）和（hé）自動化水平均有極高要求。這是因為單個（gè）零件加工生產周期哪怕僅是（shì）減少1s，但對要求年產數十萬件的大批（pī）量加工生產而言卻具有重要意義（yì）。

  
 
圖2 使用MSMC機床加工的典型零（líng）件（jiàn）

      目前，適合於大批量零件加工應用的MSMC機床多采用如圖1（a）與圖1（b）結構設（shè）計。為敘述方便，將這一類的多主（zhǔ）軸機床稱為普通型或中小型（xíng）MSMC機床。

      大型MSMC機床

      大（dà）型MSMC機床，主要是指應用於（yú）航宇製造業領域的MSMC機床（chuáng），其加工零件對象多（duō）為大尺寸或超大尺寸範圍的複雜航宇整體結構（gòu）件（jiàn），諸如飛機梁、框、肋、壁板等構件，且多為帶筋薄壁複雜空間曲麵零件，大多數須使用5坐標軸（zhóu）數控MC機床實現聯動加（jiā）工複雜空間曲麵（miàn）輪廓，見圖2（b）。同時，這類零件加工生產，通常種類較多，批量典型為數十至數千，屬典型多品種小批量加工生產（chǎn）範疇。適（shì）合於這類零件加工應用的MSMC機（jī）床多采用如圖1（c）與圖1（d）結構設計，即為典型大型動龍門機床結構（gòu）。基於航宇結構件切削加工時間通常較長，一般不特別要求（qiú）配置有大容量刀庫，但多要求配置大功率、高轉矩、高速主軸，以適應大型航宇輕硬合金材整體結構件高金屬（shǔ）切除率（lǜ）的高（gāo）效、高速加（jiā）工工藝需（xū）求，mrr通常要比汽車製造業中（zhōng）應用的普通型MSMC機床的要高出許多。

      此外，對（duì）MSMC機床來說，若（ruò）按照其在實際生（shēng）產應（yīng）用中所允許采用的不同（tóng）加工工藝方法，則（zé）還（hái）可被（bèi）分為同步MSMC機床和柔性MSMC機床。

      同步MSMC機床

      所謂同步MSMC機床，是指在多個零件一次裝夾（jiá）之後，MSMC機床的多（duō）個主軸能同時加（jiā）工多個同樣（yàng）的零（líng）件。通常，這一類MSMC機床的多個主（zhǔ）軸驅動（dòng）是和坐標運動捆綁（bǎng）在一起的，或者說多個主軸共享機床坐標軸運（yùn）動指令數據，實（shí）現多主軸（zhóu）同步運行，因此被稱為（wéi）同步MSMC機床。應注意的是，相對（duì）應的機床機械設（shè）計（jì），驅動（dòng）控製和加工（gōng）編程技術等都應能適應這種基本運動控製要求。普通（tōng）型MSMC機床多設（shè）計為同步MSMC機床（chuáng）。

      柔性MSMC機床

      所謂柔性（xìng）MSMC機床，主要是指某些雙主軸結（jié）構的MSMC機床，其雙主軸既可實現（xiàn）同（tóng）時加工兩個同樣的零件（jiàn），又可（kě）采用交替加工（gōng）同一個零件，或（huò）者加工兩個不同的零件（jiàn）。因呈現出較佳應用柔性，而被稱為柔性MSMC機床。通常，這一類MSMC機床的多個主軸驅動和其相應（yīng）的坐標運動是設計為可獨立控製的。同樣，相對應的機床機（jī）械設計、驅動控製和加工（gōng）編程技術等都應能適應這種基本運動控（kòng）製要求。大型MSMC機床多設計為柔性MSMC機床。

      MSMC機床（chuáng）總體結（jié）構

      如（rú）前所述，MSMC機床是在傳統高（gāo）速數控機床基礎上發展起來（lái）的，因（yīn）此傳統高速數控機床基本設計概念在MSMC機床（chuáng）上得（dé）到（dào）較多繼承（chéng）。但是，MSMC機床和普通高速數（shù）控MC機床相比，由於多主軸同時切（qiē）削加工多個零件，因而機（jī）床（chuáng）高剛（gāng）性和低熱膨脹（zhàng）結構設計是極為關鍵的。

      為獲得MSMC機床高靜動態剛性，普通型MSMC機床總體結構多采用整體框架式箱中箱結構設計技術，並且（qiě）一般都將X、Y、Z正交三直線運動集成在（zài）主軸（zhóu）刀具側（cè），而旋轉運動集成在工件側，使加工切削力合理地分配到主軸側與（yǔ）工件側，並盡可能直接（jiē）通過整體框架床身結構或整體床（chuáng）身基（jī）礎框架結構吸收消散（sàn），見圖3。

 
圖3 整（zhěng）體框架式箱中箱結構

      圖（tú）3（a）所示（shì）為德國SW公司推出的BA係列MSMC機床，可作為整體（tǐ）框架結構設（shè）計（jì）的典型實例。從圖3（a）可清晰看出，BA係列機（jī）床采用立體整體框架式箱形床身結構設計，即將構成機床（chuáng）的梁、柱和（hé）基（jī）礎床身連成一體形成一個高剛性的整體箱形結構，突破了傳統數控MC機床的床身-立柱-橫梁式結構設計。SW公司BA係列機床整體框架承載有擺橋式旋轉工作台（tái）和配置有2/4個主軸並采用了箱中箱結構設計的X、Y、Z坐標軸運動構件（jiàn），在有限封閉空間內（nèi）結構極為緊湊，實現了主軸刀（dāo）具和工作台間的最優動力傳遞，提高了機床靜動態剛性，改善了加工精度和工（gōng）藝可靠性（xìng）。據SW公司宣稱，采用這種專利整體（tǐ）框架式設計技術，該公司的BA 400係列MSMC機床靜剛度已達7,582kg/mm（7.58 kg/μm），接近傳統單主軸數控MC機床先進（jìn）水平。

      圖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，可作為整體框架結構設計的另一典型實例。但和SW公司BA係列機床不同的是，其擺橋式旋轉工作台（tái）被設計為獨立的（de）模塊選件，用戶可根據實際需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）明顯看出，普通（tōng）型MSMC機床基本上（shàng）都采用了由正交（jiāo）三軸高速數控機床的床身 單軸或雙（shuāng）軸擺橋式旋轉工作台結（jié）構的設計方案。目前，絕大多數（shù）用於汽車製造業與液壓件行業的MSMC機床，製造商們都采用了整體框架式箱中箱結構床身、上置大容量刀庫和擺橋式旋轉工作台（tái）的設計方案，如德國的Grob公司G係列、Licon公司LiFLEXII係列以及意大利Riello公（gōng）司的MC2/MC4係列等MSMC機床都采用（yòng）了相（xiàng）類似的結構設計（jì）技術，各具特色。

      多主軸結構設計（jì）

      如（rú）前所述，MSMC機床的多（duō）主軸通常是和所有的坐標軸運動捆綁在一（yī）起，特別是用於大批（pī）量零件加工生產的普通型MSMC機床（chuáng）。在一般情況下，MSMC機床（chuáng）多主軸間（jiān）距（主軸中（zhōng）心線間距離）被設計為固（gù）定的，主軸間距將取決於被加工零件的尺寸（cùn）範圍，常（cháng）見的有200～1,000mm不等，通常主軸越多，其間距就越小（xiǎo）。同步MSMC機床的多主軸被設計為同（tóng）步工作，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（de）多主軸驅動都設計為可（kě）獨立控製的，僅少數被設計為主（zhǔ）從式，一個主驅動主（zhǔ）軸，其（qí）餘為從動主軸，每個主軸不能單獨控製與移動，這類MSMC機床主要（yào）為專用於多主軸同時進行鑽削加工應（yīng）用場合而設（shè）計的。同時，考（kǎo）慮到實際應用中刀具初始位置準（zhǔn）確定位調整，MSMC機床的多主軸一般僅允許一個主軸Z軸向可（kě）設計（jì）為固定不能調整，其餘主軸Z向軸套都應設（shè）計成可手動或自動（dòng）調節的。

 
圖4 MC2雙（shuāng）主軸數控MC機床

      一（yī）般地說，無論（lùn）立式結構（gòu），還是臥式結構的MSMC機（jī）床，其多個主軸通常設計為左右排列結構，見圖1～圖2。但也有被設計（jì）成上下（xià）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，其雙主軸（zhóu）就采用了上下排列結構設計（jì），見圖4。利雅路公司MC2機床是麵向鋁合金（jīn）、鋼和鑄鐵材等（děng）中小型零件變批量 (5～20萬件/年（nián）)加（jiā）工（gōng）生產而設（shè）計的，機床采用帶加強筋的整體（tǐ）框架式結構（gòu）設計，具有較（jiào）高的靜動（dòng）態剛性（xìng）。主（zhǔ）軸最大功率24kW，轉速12,000r/min，機床坐標進（jìn）給速度指（zhǐ）標可參閱表1。雙主軸間距（jù）320mm。主（zhǔ）軸套可沿Z軸運動，兩個刀庫設（shè）計在（zài）同一側，也被設計為上下排列結（jié）構，換刀速度僅（jǐn）1s（C-to-C）。工件托盤和工作台可在立柱上實現（xiàn）上下運動（Y軸）和B軸旋轉運動，而X軸運動為立（lì）柱側在床身上的（de）移動。X、Y、Z行程為（wéi）500×400（720）×520mm，定位精度為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積小，使得機床的整體運輸裝配（pèi）和在車間的（de）移位都非常方便。

      應用於航宇製造業的大型MSMC機床，絕大多數都采用典型動（dòng）龍門床身結構（gòu）與（yǔ）立式多主軸左右並列結構（gòu），見圖1（c）與（d）。瑞士StarragHeckert（斯達拉格海科特）技（jì）術公司新推出的用於加工大型（xíng）鈦合金材構（gòu）件的數控型麵銑床（Big Titanium Profiler ）BTP5000，為雙主軸大型五坐標MSMC機床，X坐標軸行（háng）程（chéng）可達5,000mm，其雙主軸為臥（wò）式，采用了上下排列結構設計，見圖5。該MSMC機床重達200t，采用高剛性框架結構設計，為適應硬合金材料（liào）高效切削，使用機械齒輪傳動（dòng）式主軸，單個主軸功率37kW，扭矩940Nm，最高轉速（sù）8,000r/min；X、Y、A、C 4個（gè）坐標軸運動集成（chéng）在主（zhǔ）軸（zhóu）刀具側，僅Z軸運動集成在工件側，具有高靜動態（tài）剛（gāng）性，並可（kě）提高（gāo）低頻顫震阻尼能力，可配有450把大容量模塊化刀庫和雙換（huàn）刀機械手，換刀可同時在雙主軸（zhóu）上進行。據報道，該MSMC機床加工（gōng）鈦合金Ti 6Al4V時金屬切除率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（xíng）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（zhì）此，已介紹的MSMC機床，無論其多主軸是設計為（wéi）左右排列，還是設計為上下排列，均為臥式結構或立式結構。德國Witzig & Frank有限公司推出的（de）Twinflex MD四主軸、雙工作站的（de）五坐標數控MC機床，則采用了多（duō）立臥式（shì）主軸相結合的結構設計，即一對主（zhǔ）軸（zhóu）為臥式並（bìng）列結構，一對（duì）主軸為立式並列結構，見（jiàn）圖6。

 
圖6 立臥式結合的四主軸數控MC機床

      Twinflex MD多軸數控MC機床每對主軸（zhóu）間距400mm，主軸功率26kW，最高轉度15,000r/min，刀具換（huàn）刀機械手設計在每對主軸相應的兩側。每個工作站由可獨立驅動控製的擺橋式旋轉工作（zuò）台（tái）組成（chéng），每個工作站都可實現五麵體加工，允許兩個（gè）工作站同時加工，或交替加工。X、Y、Z直線坐標軸行程（chéng）450×450×500mm，采用直線電機驅動，快速移動速度可達100m/min。該（gāi）MSMC機床主要麵向多品種、中批量，且需多麵體加工的零件。由於采用雙工作站結構設計，加（jiā）工切削與工件裝卸可同時進行，從（cóng）而可（kě）減少機床空閑時（shí）間，大大提高了零件加（jiā）工生產率。

      應該指出的是，目前MSMC機床多主軸概念和結構設計（jì）技術仍在持（chí）續發展之中，出現了（le）一些具有創（chuàng）新（xīn）性的新型MSMC機（jī）床。圖（tú）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（jī）床創（chuàng）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（zhěng）體框架式結構設計技術，多主軸刀具按零件加工需要（yào）設計在框架體的上下（xià）左右的邊框固定板上，不設置自動刀具交換裝置（zhì），節省了輔助換刀時間與相應的（de）輔助機構（gòu），並可使用動力刀具或複合刀具，實（shí）現多工序一次（cì）加工。應用可進行X、Y、Z直線坐標軸與旋轉坐標軸（4軸）、並帶有液壓夾緊裝置（zhì）的高速移動的工件裝（zhuāng）夾運動平台，采用“工（gōng）件找刀具（jù）”的控製策（cè）略實現（xiàn）零件高效高速（sù）切削加工，通常可在1s內實現加工變換（C-to-C）。這種新型多主軸數控（kòng）加工機床主要麵向汽車製造業諸如底盤拉杆、齒輪箱體、箱蓋等須（xū）進行多麵體加工的中小型複雜（zá）結構件（jiàn）的高效、高速（sù）、大批量加工生產。

 
圖7 Emag LLC公司新（xīn）型（xíng）多主軸數控加（jiā）工（gōng）機床