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數控逆向（xiàng）加工組合機（jī）床

2020-9-22 來源：江蘇恒力組合機床有限公司作（zuò）者：孫德洲仲（zhòng）秋（qiū）許（xǔ）興旺

【摘要（yào）】 針（zhēn）對傳統組合機床（chuáng）和加工中心進行批量加工時的局限性，創新設計了（le）數控逆向加工組合機床，詳細介紹了（le）該新型機床的結構（gòu）性能特（tè）點（diǎn）和（hé）工作過程，多軸箱疊加安裝（zhuāng）固定，由夾具工件進行三坐標運動進給，即可以多刀同時加工，又可以（yǐ）多工序依次加工，更換品種方便快捷，兼具組合機床的高效率和加（jiā）工中心的柔性（xìng）。

【關鍵（jiàn）詞（cí）】逆向加工；數控；組合機床

0、引言

汽車、發動機等批量生（shēng）產的工件，使用的機（jī）床一般分為兩種，組合機床和加（jiā）工中心，而這兩種機床（chuáng）各有優缺點。現有的加（jiā）工中心，以三坐標（biāo）單元型（xíng）式的臥式加工（gōng）中心為例，主（zhǔ）軸安裝在滑枕（滑枕進給式臥加）或滑板（滑台進給式臥加）端部（bù），刀具安裝在主（zhǔ）軸上，並（bìng）進行 X 、Y 、 Z 三軸方向運動，夾具及工件安裝在機床底座上固定不動，加（jiā）工工件時，由主軸進行三個坐標方向運動，對固（gù）定的工件進行加（jiā）工（gōng），一台機床可（kě）以依次完成工件的（de）全部工（gōng）序，如銑、鑽、擴、鉸、锪、攻、鏜等，功能很強，一次（cì）性投（tóu）資少，由於是通（tōng）用產品（pǐn），生產周（zhōu）期（qī）很（hěn）短，占地麵積小。在更換加工品種時（shí），隻需要（yào）更（gèng）換夾具和刀具，並調整新的加工程序即（jí）可，柔性好，時間短，花費少。但這樣的（de）機床也有問題，其隻有一個主軸，每次（cì）隻能安裝一把刀具加工一個工序，無（wú）法實現多（duō）刀同時加工。為了加工多個不同的工序內容，或對同一個工序內容進行多次加工，隻能不斷地更換刀具，用單刀一（yī）個一個（gè）地輪流依次完成各工序加工，工作效率較低，並且需要（yào）配備刀庫及換刀機構以實現自動換刀，輔助時間長，精度和剛性受到很大影響，可靠性也較低。如果需要加工工件的前後左右四個麵時，還需（xū）要在夾具（jù）下（xià）麵配置B軸回轉台，才能（néng）帶動工件回轉以加工四麵，但（dàn）仍（réng）然不能加工工件的（de）頂部，即不（bú）能進行五麵加工。為了盡量（liàng）提高工作效率，加（jiā）工中心往往采用高速加工方式，這樣對加工中心的（de）結構性（xìng）能提出更（gèng）高要求，價格也大（dà）幅上漲，即使這樣，加工中心的效率比傳統（tǒng）組合機床也要低不少，一般隻適合於多品種單（dān）件（jiàn）和小批量加工，多台加工中（zhōng）心配以手動或（huò）自動送料裝置，可以組成柔性生產線或自動線，生產方式較為（wéi）靈活。

為了提高加工效率，有的加工中心在主軸及箱（xiāng）體（tǐ）上配置多軸箱，在多軸箱的各個主軸上安裝相（xiàng）應刀具，這（zhè）樣就可以實現多刀同時加工，效率大大提高。但是這樣的工（gōng）作方式也有很大問題：由於主軸的剛性有限，使得能夠配（pèi）置的多軸箱軸數（shù）不能太多，箱（xiāng）中各個（gè）主軸的分布範圍也不能（néng）太大，這樣，當工件（jiàn）的加工內容（róng）很（hěn）多、或加工內容（róng）分布範圍很大、或同一個工藝內容需要分先後多次加工時，就不能用一個多軸箱完成全部加工，此時（shí），要麽設置多個多軸箱安（ān）裝在箱體或滑枕端麵並隨（suí）其運動輪（lún）流加工（gōng），而這從安裝結構及（jí）滑枕箱體（tǐ）剛性上來說是（shì）不可能的；要麽每次就使用一個多軸箱進行加工、並在加工過程中不斷地更換多軸箱，但這樣（yàng）又需要增（zēng）加多軸箱更換及聯接機構，還要設置龐大的多軸箱庫，很複雜（zá），可靠性會大（dà）大降低，而且加工精度也（yě）會大幅下降，對加工中心的結構剛性也提出了更高要求（qiú），很難完全滿足。

1、數控逆向（xiàng）加工組合機床特點

針對（duì）現有傳（chuán）統組（zǔ）合機（jī）床和加工中心的不足，為（wéi）了解決些各自存在的問題，恒力公（gōng）司進行了大膽創新，在滑枕式三坐標（biāo）加（jiā）工單元型式（shì）的臥式加工中心（xīn）基（jī）礎上，結合傳（chuán）統組合機床的特點，針對中小型工件及夾具單元一般相對較（jiào）小（xiǎo）較輕便於安裝便於運動、而完成全（quán）部工序所需的各多軸箱較大較重難以安（ān）裝難以運（yùn）動的特點（diǎn），將數控回轉台（tái）以及（jí）安裝在其上的工件（jiàn）及夾具由固定不動改為安裝在在滑枕端麵進行三軸方向運動，而（ér）將原本需要不斷更（gèng）換的、或需（xū）要全部安裝在滑枕端麵的各多軸箱按順序、分一到三個方（fāng）向安裝在機（jī）底底座上固（gù）定（dìng）不動。工作時，由（yóu）滑枕帶動工件在三個方向運動、並經回轉台帶動工件（jiàn）轉位，夾具工件在所需的不同位置定位，依次使用不同的多軸箱進行加工（gōng），就能完成對工件多麵多工序的加工。這樣，就徹底（dǐ）解決了工件的多工序（xù）加工效（xiào）率高與多軸箱運動或更換困難的矛盾，既（jì）可以進行多刀同時加工，又不需要運動又大又重的各多軸（zhóu）箱或頻繁更（gèng）換各多軸箱（xiāng），精度、剛（gāng）性都能得到保證，結構也大（dà）大簡化了。

該新型機床采（cǎi）用四（sì）個數控軸分別控製三（sān）個直線（xiàn）方向和一個回轉方向的（de）運動，分別為在底座上帶動立柱左右運動的X軸、在立柱上帶動滑板上下運動的Y軸、在滑板上帶動滑枕前後運動的Z軸、在滑枕上用回轉台帶動夾具和工件轉位的C軸（zhóu），構成四坐標（或簡化為三坐標）加工單元，工件的正麵及兩側麵同時固定安裝多個多軸箱及各（gè）主軸上的刀具，夾具安裝在滑枕端麵或其上的回轉台上，工件裝（zhuāng）夾在夾具內（nèi）。機床（chuáng）工（gōng）作（zuò）時，安裝在（zài）滑枕端部並進行 X 、Y 、 Z 三（sān）軸方向運動並定（dìng）位的是夾具及工件，安裝在機床底座（zuò）上固定不動的是多軸箱和刀具，由工件相對固定多軸箱的主軸而運動以進行加工。

與（yǔ）三坐標單元型式（shì）的（de）臥式加（jiā）工中心的工作方式相比，該機（jī）床同樣（yàng）具有三坐標加工單元，隻是加工單元中沒有主軸而代之以夾具，而工件夾具（jù）與主軸刀具的運動方式完全相反，是（shì）一種逆向工作的機床，而又（yòu）具有組合機床多軸加工的特點（diǎn），機床控製一般采用使用（yòng）數控係統，各運（yùn）動（dòng）部（bù）件都為（wéi）數控軸，因此稱其為數控逆向加工組合機床。該機床完全不同於傳統組合機（jī）床和加工中心，是一種（zhǒng）新型高效柔性組合機床，是對（duì）傳（chuán）統機床結構和（hé）加工方式的創新，工件三坐標移動、多軸箱固定（dìng）的機床總（zǒng）體結構及工作方式是本機床的最大創新。

2、數控逆（nì）向加工組合機床的結構

逆向組合機床的總體結構見圖 1 ，圖（tú）2是立柱縱剖麵視圖。圖中， 1 - 底座， 2 - 滑板， 3 - 立柱（zhù）， 4 - 滑枕，5 - X 軸伺服電機， 6 - X 軸滾珠（zhū）絲（sī）杆， 7 - X 軸導軌， 8 - Y 軸導軌， 9 - Y 軸滾珠絲杆（gǎn）（兩個）， 10 - Y 軸伺服電機（jī）（兩個）， 11 - 平衡油（yóu）缸， 12 - 工裝夾具， 13 - 多軸（zhóu）箱（若幹（gàn）個）， 14 - Z 軸伺服電機（jī）， 15 - C 軸回轉台， 16 - 多軸（zhóu）箱（xiāng）電機， 17 - 刀（dāo）具， 18 - 主軸， 19 - Z 軸滾珠絲杆， 20 - 活塞杆， 21 - Z 軸導（dǎo）軌。

機床由（yóu）底座、立柱、滑板、滑枕、回轉台、工（gōng）裝夾具、多（duō）軸箱（xiāng）、刀輔具、數控係統和其他（tā）功（gōng）能部件等組成，伺服電機、滾珠（zhū）絲杠、導軌及（jí）其聯接的不同運動部件構成 X 、Y 、 Z 三個方向的數控軸，立柱設於底座上並作水平左右直線運動，構成 X 軸，滑板（bǎn）設於立柱正麵並作豎直上下直線運動（dòng），構成 Y 軸，滑枕設於滑板的方孔內作（zuò）水平前後伸宿直線運動，構成 Z 軸，回轉台設於滑枕前端並作回轉運動（dòng），構成（chéng） C 軸（zhóu），工裝夾具可設於 C 軸回轉台上，也可以去（qù）掉回轉台直（zhí）接（jiē）安裝在滑（huá）枕端麵，被加工零件裝夾在夾具內，在（zài）夾具對麵和側麵疊加安裝若幹個多軸（zhóu）箱模塊，如可在左（zuǒ）側疊加安裝若幹（gàn）個多軸箱模塊，也可在右（yòu）側（cè）同樣疊加安（ān）裝若幹個多（duō）主軸箱模塊，也（yě）可在對麵疊（dié）加安裝若幹個多（duō）軸箱模塊（kuài），或同時在左右兩側以及對（duì）麵疊加安裝（zhuāng）若幹個多軸箱模塊。

圖 1 機床主視（shì）圖

立（lì）柱 3 設於底座 1 上，立柱 3 和底（dǐ）座 1 之間（jiān）設有 X 軸導軌 7 ，由 X 軸伺服電機 5 驅（qū）動，通（tōng）過 X 軸滾珠絲（sī）杆 6 傳動（dòng），帶動（dòng）立柱 3 沿（yán） X 軸導軌 7 左右運動；滑板 2 設於立柱 3 的正麵，滑（huá）板 2 和立柱 3 之間設有 Y軸導軌 8 ，兩個 Y 軸伺服（fú）電機 10 同時驅動，通過 Y 軸滾珠絲杆 9 傳動，帶動滑板 2 沿 Y 軸導軌 8 上下運動；在立柱 3 的頂部中間位置安裝平衡油缸 11 ，活塞杆 20 下端與滑板（bǎn） 2 連接；滑枕 4 設於滑（huá）板（bǎn） 2 的方孔（kǒng）內，滑（huá）板 2 和滑枕（zhěn） 4 之間設有 Z 軸導軌 14 ， Z 軸伺服電機 14 驅動，通過 Z 軸滾珠絲杆傳動，帶動滑枕 4 沿 Z 軸導軌 14 前後伸縮運動；工裝夾（jiá）具 12 可設於 C 軸回轉（zhuǎn）台 15 上， C 軸回轉台（tái） 15 設於（yú）滑（huá）枕 4 的（de）前端，或工裝夾具 12 也（yě）可直接（jiē）安裝在滑枕 4 端麵；在工裝夾具12 對麵疊加安裝若幹個（gè）多軸箱 13 ，多軸箱 13 都為固定不動，可在左側疊加安裝若（ruò）幹個多軸箱 13 ，也可在右側同樣疊加安裝若幹個多軸箱 13 ，或同時在左右兩側及對麵疊（dié）加安裝若幹個多軸箱 13 ，各（gè）多軸箱 13 的主（zhǔ）軸 18 上安裝（zhuāng）刀具 17 。底座上的 X 軸亦可設（shè）為雙滾珠（zhū）絲杆副驅動，被加（jiā）工工件裝夾在工裝夾具 12內。

圖 2 立柱縱剖麵視圖

機床的 Y 軸需要進行豎直方向的往複運動，受其組成零部件的重力因素影響較（jiào）大，容易造成運（yùn）動不（bú）平穩，並會導致損失部分運動精度。為了改（gǎi）善 Y 軸的（de）動力學性能，在滑板兩側采用雙滾珠絲杆副驅動，並與滑板中心線對稱設置，使得滑板進給力受（shòu）力中（zhōng）心與滑板承（chéng）受切削力的（de）中心重合，大大改善了導軌及滾珠絲杆副（fù）的受力狀況，進給機構（gòu）受力均勻，提高了（le）定位精度和加工精度。同時，滑板中間還設有一個平衡油缸，與（yǔ）滑枕中心線重合，用以平衡滑板和滑（huá）枕、回轉台、夾具的重量，使其（qí）重心與平（píng）衡油缸的平衡力作用中心重合，導軌及滾珠絲杆副受力均衡，進給機構承受的附加偏轉力矩很小，進一步改善了導軌（guǐ）及滾珠絲杆副的受力狀況。

3、數控逆向加工組（zǔ）合機床的（de）工作過程

逆向組合機床工作時，由人工或自動送料裝置將（jiāng）工件送入夾具中定位夾緊，立（lì）柱、滑板、滑枕進行三個（gè）直（zhí）線坐（zuò）標方向的進給運（yùn）動，將工件送（sòng）到相應多軸箱進行加工，完畢後再送到下（xià）一個多軸箱繼續加工，直至加工完該麵上的全部加工內容，經（jīng）回轉台帶動工件（jiàn）轉位，將另一個麵轉至加工所需位置，同樣進行上述加工過程（chéng），如此一個麵一個麵地輪流完成其正麵及四側麵共五個麵的加工，卸下工件，完成一個加工循環，再（zài）裝夾新工件，進行下一個（gè）加工循環。

4、結（jié）論

傳統組合機床及自動線采用多刀同時加工（gōng），效率（lǜ）高，但一次性投資大，換品種不便，生產周期長（zhǎng）。加工（gōng）中心采用單刀輪流加（jiā）工，工（gōng）藝安排靈活，投（tóu）資少，換品種方便，柔性好，生（shēng）產周（zhōu）期短，但效率較（jiào）低。針對這兩者（zhě）的局限性，創新提出數控逆向加工組合機床，采用多刀同（tóng）時加工，且可對同一麵依（yī）次進行（háng）多工序加（jiā）工，多軸箱在三側麵疊加固定，夾（jiá）具工件裝在滑枕端部進（jìn）行三（sān）坐標進給，依次使用不同的多軸箱進行加工，相當於小型組合機床自動線，功能強大，效（xiào）率高，換品種方便，柔性較好，投資（zī）少，占地麵積小，生產周期短，是新型機床，代表了（le）組合機床未來的發展方向之一。

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