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                技術文章

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                復合加工機床的發展

                供稿:中國工控網 2016/9/27 9:12:06

                0 人氣:257

                • 關鍵詞: 復合加工機床
                • 摘要:自數控機床發明以來,復合加工就是數控機床的一個重要技術發展趨向。1958年問世的加工中心,便是最早出現的復合加工數控機床。

                  在面向大批大量生產的組合機床上,多工序復合加工概念便已得到一定的體現,但這屬於剛性自動化範疇。而當今所謂復合加工,則是指在柔性自ξ 動化的數控加工條件下,當工⌒件在機床上一次裝夾後,能自動進行同一類工藝方法的多工序加工(比如同屬切削方法的車、銑、鉆、鏜等加工)或者不同類工藝方法的多工序加工(比如切削加工和激光加工),從而能在一臺機床上順序地完成工件的全部或大部分加工工序。顯而易見,把許多加工工序集中到一臺機床上完成,不僅消除了分散◆加工時工件在各工序流通過程中的運輸和等待時間,相應縮短工件的加工周期和降低車間的在制品數量,而且由於工件不需要在不同(或同一)機床上重新定位裝夾,從而既減少了加工輔助時間,又提高了工件的加工精度特別是形位精度。所以自數控機床發明以來,復合加工就是數控機床的一個重要技術發展趨向。1958年問世的加工中心,便是最早出現的復合加工數控機床。

                  加工中心是通過自動換刀和工作臺分度來對棱柱體類零件進行多工序(銑、鉆、鏜、攻絲等)和多面復合加工的。實踐證明,加工中心確實有利於解決中、小批量機械制造企業交貨期長、資源利用率低、在制品多和資金周轉慢的弊端,因而在工業生產中獲得愈來愈普遍的應用。據專家估算,2001年全世界加工中心的擁有量已超過40萬臺,同年全球的產量也近5萬臺,加工中心業已成為機械▃制造業的主力加工設備。其後,人們又通過加工中心主軸頭自動旋轉90度立臥轉換等方式,使加工中心不僅可以加工箱體件的4個側面,而且可以加工第5個面-頂面,從而紛紛推出所謂5面加工中心,這也可以算作加工中心復合加工功能的一個∞提高。近年來,隨著5軸聯動數控系統和編程軟件的降價與普及,5軸聯動的5面(或多面)加工中心已經成為近期國際機床展一個新的熱點。最近推出的可在一次裝夾下對棒料的6個面進行銑、鉆等加工的棒料加工中心,則是加工中心多面復合加工能力〖的新發展。

                  棱柱體類零件方面不同工藝方法的復合加工,目前引人矚目的傾向是切削加工與激光加工或超聲加工相復合。德國DMG公司幾年前就在高速銑床的基礎上增加了一個激光加工頭,推出了銑削與激光復合加工的機床DMU60L(現在的型號是DML60HSC)。該機裝有1個功率為100W的Q開關YAG激光器,光束直徑0.1mm、加工效率20mm3/min。工件(主要Ψ是模具)在這種機」床上一次裝夾後,先用高速銑頭完成絕大部分工作量,再用激光頭以層切方式進行精加工,去掉型面的銑削痕跡和加工出精細部分,包括雕刻花紋和圖案。

                  玻璃、陶瓷、硬質合金等硬脆材料,用傳統的工藝方法是很難加工︽的,然而,如果在傳統的銑削、鉆削、磨削的過程中加上高頻振動運動,即把超聲技術與切削加工技術相結合,則加工效率會顯著提高。德國DMG公司之DMS系列超聲加工機床,就是借助主軸上的轉換器把超聲發生器的電氣高頻信號轉換成20KHz的機械振動運動(縱向運動),然後由調壓器放大和∩控制振動幅值,再通過獲得專利的Sauer圓錐形刀夾,把振動全部傳給金剛石顆粒制成的銑刀、鉆頭或砂輪,使刀具在加工過程中對工件表面進行20,000次/秒的連續敲擊,將零件表面材料以微小顆粒形式分離出來。不僅其加工效率比傳統方式提高5倍,而且表面粗糙度也可達到Ra<0.2μm。DMS系列超聲加工機床,有3軸聯動控制和5軸聯動控制兩種類型,主軸轉速20~6000r/min,還可選↑配刀庫和自動換刀裝置,從而成為既具有超聲加工功能,又能進行鉆、銑、磨等多工序復合加工的機床。

                  有相當一部分回轉體類零件(有人估計占1/2左右),除了車削外,還需要進行銑削、鉆孔、攻絲等操作,加上回轉體件每道工序的加工時間相對較短,因此迫→切需要在一臺機床上一次裝夾下對回轉體件進行多工序復合加工,從而終於在上世紀70年代開發出車削中心。與普通數控車床相比,車削中心的轉塔刀架上裝有可使銑刀、鉆頭、絲錐旋轉的動力卐刀具,同時機床主軸上還具有可按數控程序精確分度和與X軸或(和)Z軸進行插補聯動的C軸功能。這種能在一次裝夾下對回轉體件進行車、銑、鉆、鏜、攻絲的3軸(X、Z、C)控制車削中心,迄今仍是工業生產中用得最多的回轉體件復合加工機床。其後,車削中心又進一步向擴大加工工藝範圍方向發展,為了鉆削或銑削偏↙離回轉體件中心線的孔或槽,又開發出帶Y軸控制的轉塔刀架,並相應推出了4軸(X、Y、Z、C)控制的車削中心。

                  不過,單主軸車削中⌒心無論怎樣擴大工藝範圍,仍無法解決回轉體件在一次裝夾下的背面二次加工(即工件夾持」端的加工)問題,因而在上世紀80年代又出現了雙主軸車削中心。這種機床的兩根主軸大多是在同一軸線上對置排列,以便在加工完回轉體件的主要一端後,由第二主軸將工件從主軸上自動摘取過來以加工夾持端。由於夾持端的加工任務一般都相對簡單一些,故第二主軸通常稱為副主軸,其功率也相對小一點。雙主軸車削中心可以配一個刀架,但大多是兩個刀架,以利於提高加工效率和更充分發揮機床設備的潛能。

                  從車削中心基礎上發展起來,90年代後期開始成為熱點的5軸控制(X、Y、Z、B、C)車銑中心,則不僅進一步增加了B軸控制(使刀架繞Y軸轉動),以鉆斜孔和銑斜面,並且不采用車削中心傳統的轉塔刀架型式,而代之以高轉速和更大功率的電主軸刀架。由於刀架上這根電主軸每次只能裝1把刀具(車削時電主軸被鎖住,不轉動),故也要像加工中心那樣配備自動換刀機構和刀庫。這種機床的銑、鉆能力相當於1臺小型乃至中型加工中心,其實質是把數控車床和加工中心融為一體,故命名♀為車銑中心。

                  除了上述從數控車床基礎上發展起來的車銑中心外,近期又從加工中心基礎◣上派生出另一♀類車銑中心。這類車銑中心工作臺回轉速度高於原來的加工中心,同時機床的(電)主軸還要能被鎖住而且可以裝上車削刀具,德國DMG公司新近開發的車銑中心DMU80FD便屬於這一類型。DMU80FD的結構與該公司DMU P系列加工中心完全相同,而且具有P系列加工中心的5軸和5面高速銑削等全部加工功能,該機工作臺采用了直接驅動技術,最高轉速為〖500r/min,同時機床主軸的最高轉速也達12000r/min,因此工件在這種機床上一次裝夾後便可高效率地實現5面和5軸加工以及從銑、鉆、鏜、攻絲到車削的復合加工。

                  10年前,德國Traub公司就可提供配備有YAG激光頭的車削中心,但應用較少並未形成潮流。不過從目前情況看,這類不同工藝方法的復合加工,一般更適合在單件和批量較小的條件下使用。但也不盡然,近年來出現的車磨中心,就適合包括汽車制造等大批量生產在內的各種批量生產情況使用。現在市場上所謂的車磨中心,是指對淬硬的回轉體件進行硬車和精磨的復合加工機床。

                  對於回轉體工件而言,完全可以在數控磨床上實現多工序復合磨削。比如數控外圓磨床,一般有控制砂輪架前後移動的X軸,控制工作臺左右移動的Z軸,並可配備控制工件主軸旋轉的C軸。借助X軸和C軸的聯動控制,可以磨削不同心的圓形表面和各種非圓形表面,通過C軸和Z軸的聯動控制,可以磨削螺紋,若再加上砂輪架繞中心回轉的B軸,則可自動磨削各種錐度。同樣的道理,工件在數控凸輪磨床∩上一次裝夾後,可以磨削凸輪軸的桃形、主軸頸、止推面和端部,數控曲軸磨床則可在一次裝夾下磨削曲軸的主軸頸和曲柄銷(比如德國Schaudt Mikrosa BWF公司的ZEUS磨床)。

                  世界上頗有名聲的德國Junker公司的高速點磨(Quickpoint Grinding)外圓磨床,就是使用寬度為4~6mm的薄砂輪,在砂輪軸線與工件軸線成一傾角的條件ぷ下進行磨削(這時砂輪與工件理☆論上變為點接觸,故稱點磨)。憑借此種磨床的數控(聯動)功能,在工件一次裝夾的條件下可以用高達140m/s的磨削速度對工件的錐面、臺肩、外圓、螺紋、圓角和非圓表面進行多工序復合磨削。此外,市場上還流行一種在一次裝夾條件下磨削軸類零件外圓、端面和內孔的復合磨床,在它的回轉式砂輪架上裝∩有2個外圓砂輪(或外圓、端面砂輪各1個)和1個內圓磨頭,通過砂輪架的回轉分度來實現內外圓及端面磨削。這種數控磨床在X軸和Z軸的基礎上增加了控制砂輪架回轉的B軸,還可選配控制工件主軸回轉的C軸,瑞士Studer公司的S21和S31磨床便是此類復合磨床的代表。

                  采用多工序復合加工數控機床,無疑可以顯著縮短工件加工的過程鏈,因而愈來愈受到多品種、中小批量機械制造企業的青睞。現在,隨著消費的個性化和產品更新換代速度的加快,大批大量生產的柔性化已是大勢所趨,工序分散的剛性自動化裝備已開始部分被工序集中的柔性自動化裝備所取代。所以總的說來,柔性自動化條件下的復合加工具有發展潛力,特別是不同工藝方法的復合加工,目前發展得尚不充分。雖然復合加工是發展方向,但從裝備結構設計和加工經濟性的角度看,數控機床多工序復合加工能力還是有一個界線為好。以面向回轉體件的數控機床為例,目前的工序集中度基本上以熱處理為分界線,而且在多數情況下,齒形等特殊加工仍以使用專門化機床為宜。在一臺機床上一次裝夾下從毛坯到成品的全部加工,當前僅僅適用於一定範圍的零件和生產方式。


                審核編輯(王靜)
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