許立亭 劉 欣

作者通聯(lián)：沈陽機(jī)床設(shè)計(jì)研究院 沈陽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)大路17甲1號(hào) 110142

臥式銑鏜加工中心在我國生產(chǎn)制造已經(jīng)有幾十年的歷史，其制造技術(shù)比較成熟，一般生產(chǎn)機(jī)床工作臺(tái)規(guī)格都在2000mm以下。20世紀(jì)80年代開始，由最初國內(nèi)幾家企業(yè)到如今制造該產(chǎn)品的企業(yè)達(dá)幾十家，產(chǎn)品技術(shù)水平也有了質(zhì)的飛躍。但在幾十余年的發(fā)展歷程中，該產(chǎn)品雖然在技術(shù)性能、精度、主軸轉(zhuǎn)速及坐標(biāo)移動(dòng)速度等方面不斷突破，但在產(chǎn)品規(guī)格上最大也只是2000mm工作臺(tái)。大規(guī)格、重大形式臥式銑鏜加工中心近幾年才開發(fā)出來?，F(xiàn)如今2500mm或以上規(guī)格工作臺(tái)、帶交換工作臺(tái)站的重大型臥式加工中心，開創(chuàng)了該類產(chǎn)品歷史先河，為我國航空、航天、軍工、電力、船舶、工程機(jī)械和其他機(jī)械制造業(yè)行業(yè)提供了大型關(guān)鍵設(shè)備。

一、臥式銑鏜加工中心總體布局的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與技術(shù)分析

本文僅對(duì)傳統(tǒng)上刨臺(tái)式及十字滑臺(tái)式臥式加工中心進(jìn)行分析，不包括落地式及五軸加工中心。

臥式加工中心產(chǎn)品的總體布局有立柱固定式和移動(dòng)式結(jié)構(gòu)；主軸箱有正掛箱和側(cè)掛箱；主軸形式有固定和移動(dòng)式，移動(dòng)式主軸有鏜桿式、滑枕式、平旋盤式等多種結(jié)構(gòu)。側(cè)掛箱、平旋盤主軸結(jié)構(gòu)機(jī)床如圖1所示。

1.立柱固定式的結(jié)構(gòu)

采用立柱固定式結(jié)構(gòu)的機(jī)床，其機(jī)床布局不外乎有這么幾種形式：

（1）立柱固定在床身上，工作臺(tái)沿X向、Z向作十字運(yùn)動(dòng)，主軸箱沿Y向上下運(yùn)動(dòng)。

圖1 側(cè)掛箱、平旋盤主軸結(jié)構(gòu)機(jī)床

主軸箱可以是正掛箱、側(cè)掛箱兩種形式。此類機(jī)床適用于中型復(fù)雜零件的鏜、銑等多工序加工。

（2）固定式框架立柱結(jié)構(gòu)，主軸箱沿X、Y向作十字運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)沿Y向運(yùn)動(dòng)。此類機(jī)床適用于中、小型零件的鏜、銑等多種工序加工。

（3）立柱固定在床身上，主軸箱側(cè)掛在立柱上，主軸箱沿Y、Z向作運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)沿X向運(yùn)動(dòng)。此類機(jī)床適用于中型零件鏜、銑等多工序加工。正掛箱、固定式主軸結(jié)構(gòu)機(jī)床如圖2所示。

圖2 正掛箱、固定式主軸結(jié)構(gòu)機(jī)床

2.立柱移動(dòng)式結(jié)構(gòu)

立柱移動(dòng)式機(jī)床特點(diǎn)是整體車床身大多呈T字形布局，它包括以下幾種結(jié)構(gòu)形式：

（1）床身呈T字布局刨臺(tái)式結(jié)構(gòu)，立柱在縱床身上沿Z向運(yùn)行，工作臺(tái)在橫床身上沿X向運(yùn)動(dòng)。主軸箱在立柱上有正掛箱、側(cè)掛箱兩種形式，沿Y向運(yùn)動(dòng)。這類機(jī)床適用于中、大型零件，特別是長度較大零件的鏜、銑等多工序加工。

（2）床身呈倒T字形布局結(jié)構(gòu)，立柱在橫床身上作X向運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)在縱床身上作Z向運(yùn)動(dòng)。主軸箱在立柱上有正掛箱、側(cè)掛箱兩種形式，沿Y向運(yùn)動(dòng)。這類機(jī)床適用于中、大型零件的鏜、銑等多工序加工。

（3）床身呈倒十字形布局結(jié)構(gòu)，立柱沿X、Z向十字運(yùn)動(dòng)，主軸箱在立柱上作Y向運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)固定在前床身上。這種機(jī)床可適用于中、小型復(fù)雜零件的鏜、銑等多工序加工。

目前，國內(nèi)外臥式加工中心機(jī)床布局大多采用T字形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床技術(shù)比較成熟。從上述結(jié)構(gòu)布局分析可以看出，一般中、小型機(jī)床采用倒T字形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床可配備多個(gè)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)快速交換。運(yùn)動(dòng)部件也可高速移動(dòng)，并能高速切削加工，提高工作效率。而T字形刨臺(tái)式結(jié)構(gòu)適用于大、重型機(jī)床，可配備雙工作臺(tái)交換加工，機(jī)床工作的同時(shí)可以在待加工區(qū)進(jìn)行工件的裝夾，提高機(jī)床加工效率。這種結(jié)構(gòu)布局可作為柔性單元，搭配自動(dòng)線構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)。

3.主軸箱正掛箱結(jié)構(gòu)分析

主軸箱為正掛箱即是主軸箱體在龍門框架式熱對(duì)稱立柱中央沿立柱導(dǎo)軌上下移動(dòng)。由于是正掛箱結(jié)構(gòu)，主軸處于箱體的對(duì)稱中心部位，機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生箱體溫升變形對(duì)主軸軸線位移影響較小。因此，主軸箱為正掛箱的機(jī)床更容易保證零件加工精度。而主軸箱裝在龍門框架立柱內(nèi)部，其裝配工藝復(fù)雜，必須有特殊工藝、工裝才保證主軸箱與龍門式立柱的裝配。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床工藝制造成本較高。

4.主軸箱側(cè)掛箱結(jié)構(gòu)分析

側(cè)掛箱是主軸箱側(cè)掛于立柱外側(cè)沿立柱導(dǎo)軌上下移動(dòng)。立柱一般都是采用封閉式矩形箱形結(jié)構(gòu)，其抗彎、抗扭、抗變形能力較強(qiáng)。由于主軸箱掛于立柱側(cè)面，機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生箱體溫升或受其他熱輻射使箱體變形而使主軸軸線產(chǎn)生偏移，影響工件的加工精度。這種結(jié)構(gòu)機(jī)床可承受較大的切削力，且裝配較正掛箱相對(duì)容易簡單。

加工中心是一種高精度機(jī)械加工設(shè)備，以提高零件加工精度為前題。因此，國內(nèi)外企業(yè)的臥式加工中心大多數(shù)采用正掛箱結(jié)構(gòu)。

5.主軸部件分析

（1）固定式主軸結(jié)構(gòu)

①機(jī)械主軸：當(dāng)今一般都采用結(jié)構(gòu)緊湊集成主軸組結(jié)構(gòu)，通過獨(dú)立伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)齒輪有級(jí)傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。由于采用齒輪降速傳動(dòng)，主軸變速范圍大，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩、重切削加工要求。另外還有采用齒型帶同步傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)主軸無級(jí)調(diào)速。無論采用哪種傳動(dòng)的主軸結(jié)構(gòu)，主軸軸徑頭部位置與箱體間存在有間隙。一般在箱體或主軸法蘭藍(lán)盤設(shè)計(jì)成迷宮式結(jié)構(gòu)，并以氣幕加以保護(hù)，避免切削液和粉塵等滲入，以保證主軸的精度和使用壽命。

②電主軸：這種主軸通常采用內(nèi)藏式電機(jī)主軸單元結(jié)構(gòu)，以零傳動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)主軸高速旋轉(zhuǎn)。主軸內(nèi)部裝有編碼器，通過伺服裝置對(duì)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，可完成主軸準(zhǔn)停、急停等功能。由于是電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，無傳動(dòng)鏈，可使主軸達(dá)幾萬轉(zhuǎn)或更高轉(zhuǎn)速，并可減少機(jī)床的噪聲、發(fā)熱、振動(dòng)和功率損失。一般適用于切削力小、薄壁、復(fù)雜曲面、精密零件的加工。

（2）移動(dòng)式主軸結(jié)構(gòu)。

移動(dòng)式主軸結(jié)構(gòu)一般用在中、大型機(jī)床上。它克服了固定式主軸接長刀桿加工易使刀桿變形而帶來的弊端，通常用以較深孔的鏜削或平面銑削加工。鏜桿或滑枕伸出時(shí)會(huì)產(chǎn)生撓度誤差，而影響工件加工質(zhì)量，因此，對(duì)于采用移動(dòng)式主軸的機(jī)床這是一個(gè)比較關(guān)鍵項(xiàng)目。國內(nèi)外企業(yè)對(duì)此不斷進(jìn)行深入研究，采用新材料，改進(jìn)設(shè)計(jì)、工藝，采用主軸集成技術(shù)等方法提高移動(dòng)部件的剛性，利用控制及補(bǔ)償技術(shù)修正移動(dòng)誤差來保證加工精度。

圖3 鏜桿式移動(dòng)主軸結(jié)構(gòu)

①鏜桿式移動(dòng)主軸（圖3）：這種主軸結(jié)構(gòu)可以由獨(dú)立伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠拖動(dòng)鏜軸移動(dòng)，鏜軸移動(dòng)位置由位置控制器監(jiān)控。它作為機(jī)床一個(gè)坐標(biāo)軸可自行或參與機(jī)床坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工。通常定義該軸為W軸。另外還有以液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力，液壓油缸為執(zhí)行元件拖動(dòng)鏜軸活動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)鏜軸的移過程沒有位置監(jiān)控，不能成為機(jī)床的坐標(biāo)軸。

②滑枕式移動(dòng)主軸（圖4）：這種主軸結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行滑枕大行程對(duì)工件加工，比鏜桿移動(dòng)式結(jié)構(gòu)達(dá)到更深的孔或面的加工。這是由于在滑枕移出的基礎(chǔ)上主軸在滑枕內(nèi)繼續(xù)移出，總行程一般可達(dá)1000mm以上。由于滑枕截面是矩形結(jié)構(gòu)，滑枕行程移動(dòng)的間隙類似于機(jī)床矩形導(dǎo)軌其間隙可調(diào)，保證了滑枕運(yùn)動(dòng)中的高剛性和可重復(fù)性。因此，它的導(dǎo)向性能和移動(dòng)精度優(yōu)于純鏜桿移動(dòng)式主軸結(jié)構(gòu)。

③平旋盤式主軸（圖 5）：平旋盤可分為固定式和可拆式兩種。固定式平旋盤是安裝在機(jī)床上不可拆卸的，而可拆式平旋盤拆卸與否可根據(jù)加工的需要來確定。平旋盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由主電機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)完成主切削運(yùn)動(dòng)；平旋盤滑塊的徑向進(jìn)給移動(dòng)是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)齒輪行星機(jī)構(gòu)傳遞完成。平旋盤還可以帶有兩個(gè)滑塊同向或反向沿徑向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給加工。這種平旋盤結(jié)構(gòu)與普通機(jī)床上的平旋盤不同，平旋盤滑塊的進(jìn)給是由伺服電機(jī)控制完成，稱為U軸。平旋盤徑向滑塊上帶有刀具自動(dòng)夾緊裝置，可實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)交換，故稱其為數(shù)控平旋盤，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件回轉(zhuǎn)面及溝槽的車鏜加工。

二、高精度、高速度、重大型是臥式銑鏜加工中心技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向

目前國內(nèi)生產(chǎn)制造臥式加工中心企業(yè)有幾十家，工作臺(tái)從300mm到2500mm等各種規(guī)格，有些企業(yè)是近兩年才轉(zhuǎn)入機(jī)床行業(yè)并自行開發(fā)、制造臥式加工中心，其機(jī)床制造技術(shù)不是很成熟，機(jī)床指標(biāo)與性能還處于一般水平，但有的企業(yè)卻是高起點(diǎn)，利用國外先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)制造中、大型臥式加工中心及其他類型高端數(shù)控產(chǎn)品。

圖4 滑枕式移動(dòng)主軸結(jié)構(gòu)

圖5 數(shù)控平旋盤主軸結(jié)構(gòu)

圖6 大型雙交換工作站臥式加工中心

從市場上看，一般工作臺(tái)規(guī)格在630mm以下的中、小規(guī)格機(jī)床，機(jī)械主軸最高轉(zhuǎn)速大多在8000r/min以下；各直線坐標(biāo)最大位移速度在60m/min以下；定位精度在0.01mm左右。而中、大型規(guī)格的臥式加工中心機(jī)床指標(biāo)低于上述指標(biāo)。通過資料顯示，有些企業(yè)機(jī)床性能、參數(shù)可作為選項(xiàng)，根據(jù)用戶需要，采用不同配制。例如：有些中、小規(guī)格的加工中心，采用了電動(dòng)主軸，使機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)上萬轉(zhuǎn)/分鐘甚至幾萬轉(zhuǎn)/分鐘，滿足了汽車工業(yè)中的模具制造，以及動(dòng)力設(shè)備制造業(yè)中難加工材料（如：鈦合金、鉻、鎳、鐵等合金）的加工。

提高機(jī)床進(jìn)給速度、縮短零件加工時(shí)間，是提高生產(chǎn)效率的重要保證。因此在高速進(jìn)給技術(shù)方面，已采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)或采用大導(dǎo)程滾珠絲杠為驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給加速度達(dá)1.5～2g，快速進(jìn)給速度達(dá)120mm/min。此類產(chǎn)品在于機(jī)體的小型化，通過采用相應(yīng)的技術(shù)手段是不難達(dá)到的，這類產(chǎn)品更易于形成柔性線體系。

在機(jī)床行業(yè)追求高精度、高速度的同時(shí)，我國航空、航天、軍工、能源裝備和重型機(jī)械工程等重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域正在快速發(fā)展，對(duì)金切機(jī)床技術(shù)水平、性能指標(biāo)要求越來越高。這些行業(yè)的突出特點(diǎn)是零件基體龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、品種繁多，精度要求高，通常為小批量生產(chǎn)，無法采用大規(guī)模流水生產(chǎn)方式來提高效率和降低成本。特別是大型箱體零件惟有重、大型臥式加工中心水平軸切削加工比較適合。

國內(nèi)生產(chǎn)的重、大型臥式加工中心，如型號(hào)HTM—160HA、HMSD250P等，其工作臺(tái)規(guī)格分別達(dá)2000mm、2500mm和1600mm，并采和雙交換工作站結(jié)構(gòu)（圖6）。這類機(jī)床可承載大型零件，一般最大可承載零件重達(dá)二十多噸。該類機(jī)床均采用鏜桿式移動(dòng)主軸結(jié)構(gòu)，鏜軸直徑130～160mm。采用大功率和高轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)，可進(jìn)行強(qiáng)力、高速切削加工。目前帶雙交換工作站結(jié)構(gòu)最大規(guī)格工作臺(tái)已達(dá)到3000mm×2500mm，鏜軸直徑160mm。而固定工作臺(tái)結(jié)構(gòu)機(jī)床，工作臺(tái)最大可達(dá)4500mm×3000mm。

三、結(jié)束語

上述產(chǎn)品基本代表了國內(nèi)企業(yè)機(jī)床制造的最高水平。中、小規(guī)格臥式加工中心產(chǎn)品涉足廠家較多，產(chǎn)品的整體制造技術(shù)比較成熟，產(chǎn)品的技術(shù)性能與技術(shù)指標(biāo)已接近國外發(fā)達(dá)國家產(chǎn)品水平。這類產(chǎn)品市場容量大、但競爭也較為激烈，面臨著產(chǎn)能過剩的危機(jī)。而國內(nèi)重、大型臥式加工中心制造技術(shù)還處于發(fā)展階段，國內(nèi)能夠掌握其核心技術(shù)生產(chǎn)制造的企業(yè)不多，重、大型產(chǎn)品競爭遠(yuǎn)不如中、小規(guī)格產(chǎn)品競爭激烈，致使企業(yè)缺少產(chǎn)品創(chuàng)新意識(shí)，產(chǎn)品的技術(shù)挖潛升級(jí)步伐較慢，導(dǎo)致重、大型產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展還落后于中、小規(guī)格產(chǎn)品。若要實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)突破，企業(yè)應(yīng)積極跟蹤市場和國外產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，踏實(shí)做好核心技術(shù)的攻關(guān)研究工作，如大型移動(dòng)部件的剛性拖動(dòng)技術(shù)以及熱變形補(bǔ)償技術(shù)的研究等，使之提高機(jī)床的精度和穩(wěn)定性，真正實(shí)現(xiàn)從提供機(jī)床產(chǎn)品到機(jī)床商品的轉(zhuǎn)變，為我國重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域及新興產(chǎn)業(yè)提供先進(jìn)適用的機(jī)床裝備。