□ 王 銳

通用技術(shù)沈陽機(jī)床股份有限公司 沈陽 110141

1 分析背景

臥式加工中心指主軸軸線與工作臺(tái)平行設(shè)置的加工中心,是軍工、航空、航天、能源、汽車、工程機(jī)械等領(lǐng)域中不可或缺的重要加工設(shè)備,具有加工范圍廣、加工效率高、剛性好的特點(diǎn),特別適用于箱體類零部件的加工。

臥式加工中心作為一種重要機(jī)床,是各機(jī)床廠家的主打產(chǎn)品,市場(chǎng)上種類繁多,各種新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)層出不窮。不同結(jié)構(gòu)的臥式加工中心有各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn),所適用的加工對(duì)象和場(chǎng)合也有所不同。

針對(duì)不同布局結(jié)構(gòu)的臥式加工中心,國(guó)內(nèi)外學(xué)者單獨(dú)研究較多[1-5],對(duì)于不同布局結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的綜合對(duì)比分析則較少。李永軍[6]研究了臥式加工中心的一些典型布局,分析了Z軸工作臺(tái)和Z軸立柱的結(jié)構(gòu)及相關(guān)特點(diǎn)。徐正平[7]對(duì)臥式加工中心的發(fā)展及主要布局結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論述。張傳思[8]對(duì)精密臥式加工中心的典型結(jié)構(gòu)及組成部分進(jìn)行了分析。馮軼等[9]在文獻(xiàn)中以HMC63e高速臥式加工中心為例,介紹了臥式加工中心的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。許立亭等[10]對(duì)十字滑臺(tái)臥式銑鏜加工中心的技術(shù)水平和發(fā)展前景進(jìn)行了分析與闡述。龔仲華[11]針對(duì)當(dāng)前臥式加工中心設(shè)計(jì)和選用過程中存在的問題,對(duì)型號(hào)、結(jié)構(gòu)形式、自動(dòng)換刀裝置、工作臺(tái)交換裝置、五軸加工功能等進(jìn)行了分析,指出不同形式臥式加工中心的特點(diǎn)與適用范圍。

筆者介紹臥式加工中心不同布局結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),以市場(chǎng)上較為常見的63規(guī)格臥式加工中心為對(duì)象,基于幾種典型布局結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,對(duì)不同布局結(jié)構(gòu)臥式加工中心的特點(diǎn)、主要優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍、衍生品種、代表廠家及機(jī)型等進(jìn)行分析,為臥式加工中心的設(shè)計(jì)和選型提供參考。

2 布局結(jié)構(gòu)

臥式加工中心的分類方法較多。根據(jù)不同的移動(dòng)部件,臥式加工中心可以分為動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)和定臺(tái)結(jié)構(gòu)。根據(jù)床身形式,動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)又可以分為正T結(jié)構(gòu)、倒T結(jié)構(gòu)、十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)。以上四種布局結(jié)構(gòu)是臥式加工中心最為典型和常見的布局結(jié)構(gòu),也是臥式加工中心最基本的布局結(jié)構(gòu)。

以63規(guī)格臥式加工中心為例,遵循相同參數(shù),按照不同布局結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。機(jī)床主要參數(shù)見表1。

表1 機(jī)床主要參數(shù)

正T結(jié)構(gòu)如圖1所示,倒T結(jié)構(gòu)如圖2所示,十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示,定臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 特點(diǎn)

3.1 正T結(jié)構(gòu)

正T結(jié)構(gòu)是臥式加工中心最常見的布局結(jié)構(gòu),特點(diǎn)為工作臺(tái)沿Z軸前后移動(dòng),立柱沿X軸左右移動(dòng),主軸箱布置在立柱上,沿Y軸上下移動(dòng)。X軸和Z軸均布置在床身上,Z軸在前,X軸在后。從臥式加工中心前部看,床身呈T字形。正T結(jié)構(gòu)以床身為固定基體,在加工時(shí)會(huì)形成兩條力流,一條為工件、工作臺(tái)、床身,一條為刀具、主軸箱、立柱、床身,每條力流傳遞長(zhǎng)度適中,各部件受力合理,移動(dòng)質(zhì)量分配均勻,可達(dá)到較高的剛性、精度和移動(dòng)速度。

正T結(jié)構(gòu)臥式加工中心后方X軸兩端需布置刀庫和電器柜,前部只需給工作臺(tái)留有移動(dòng)空間,這樣會(huì)導(dǎo)致前后比例不協(xié)調(diào),前窄后寬,占地面積大,空間利用率不高。對(duì)此,通常的做法是在Z軸前端增加旋轉(zhuǎn)式托盤交換機(jī)構(gòu),以充分利用臥式加工中心前部的空間。配備旋轉(zhuǎn)式托盤交換機(jī)構(gòu)的正T結(jié)構(gòu)如圖5所示,可以實(shí)現(xiàn)工件加工與上下料同時(shí)進(jìn)行,并且更適合組建柔性化生產(chǎn)系統(tǒng),大大提高生產(chǎn)效率和柔性程度。

另一方面,正T結(jié)構(gòu)臥式加工中心X軸導(dǎo)軌多采用階梯布局,即X軸后側(cè)導(dǎo)軌高于前側(cè)導(dǎo)軌,這樣做的好處是使X軸導(dǎo)軌更加靠近主軸軸線,可以更加有效地減小加工對(duì)立柱產(chǎn)生的傾覆力矩,同時(shí)減輕立柱質(zhì)量,提高移動(dòng)速度。

由于受旋轉(zhuǎn)式托盤交換機(jī)構(gòu)承載能力的限制,正T結(jié)構(gòu)臥式加工中心主要有50、63、80三種規(guī)格,工作臺(tái)尺寸一般為500 mm×500 mm、630 mm×630 mm、800 mm×800 mm。正T結(jié)構(gòu)臥式加工中心是臥式加工中心的基礎(chǔ)產(chǎn)品,通常也是企業(yè)的主推產(chǎn)品,生產(chǎn)企業(yè)眾多,市場(chǎng)上有代表性的正T結(jié)構(gòu)臥式加工中心主要有日本山崎馬扎克HCN系列、韓國(guó)斗山NHP系列、我國(guó)寧江TH系列等。

3.2 倒T結(jié)構(gòu)

倒T結(jié)構(gòu)同樣是臥式加工中心比較常見的布局結(jié)構(gòu),特點(diǎn)為工作臺(tái)沿X軸左右移動(dòng),立柱沿Z軸前后移動(dòng),主軸箱在立柱上沿Y軸上下移動(dòng)。X軸和Z軸均布置在床身上,X軸在前,Z軸在后。從臥式加工中心前部看,床身呈倒T形。倒T結(jié)構(gòu)臥式加工中心在加工時(shí)形成的兩條力流與正T結(jié)構(gòu)臥式加工中心類似,各部件受力合理,移動(dòng)質(zhì)量分配均勻。刀庫和電器柜布置在Z軸兩側(cè),布局緊湊合理,占地面積小,空間利用率高。

倒T結(jié)構(gòu)臥式加工中心在市場(chǎng)上主要分為兩類。一類是單工作臺(tái)形式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,配置較低,通常為中低端產(chǎn)品,以國(guó)產(chǎn)品牌為主,代表產(chǎn)品主要有日發(fā)精機(jī)RFMH系列、南通國(guó)盛HME系列。另一類配備平行式托盤交換機(jī)構(gòu),可以組建柔性化生產(chǎn)線,如圖6所示。平行式托盤交換機(jī)構(gòu)在交換時(shí),工作臺(tái)不需要抬起,承載能力高于旋轉(zhuǎn)式托盤交換機(jī)構(gòu),使帶平行式托盤交換機(jī)構(gòu)的倒T結(jié)構(gòu)臥式加工中心往往規(guī)格較大,工作臺(tái)尺寸通常在1 000 mm×1 000 mm以上,最大工件質(zhì)量可達(dá)5 t。由于工件較大,加工余量較大,由此所需加工時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)主軸扭矩、臥式加工中心剛性及穩(wěn)定性都提出較高要求。此類臥式加工中心技術(shù)含量較高,對(duì)生產(chǎn)企業(yè)綜合實(shí)力的要求較高,代表機(jī)型以國(guó)外品牌為主,如瑞士斯達(dá)拉格Heckert Athletic系列、韓國(guó)斗山HM系列等。

3.3 十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)

十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心的特點(diǎn)為Z軸布置在床身前部,滑鞍沿Z軸前后移動(dòng),工作臺(tái)布置在滑鞍上,沿X軸左右移動(dòng),立柱布置在后部,主軸箱布置在立柱上,沿Y軸上下移動(dòng),滑鞍與床身上下重疊,呈十字交叉形式。

由于滑鞍與床身上下重疊,因此占地面積相對(duì)較小,但同時(shí)導(dǎo)致其它問題。Z軸導(dǎo)軌需承受滑鞍重力、工作臺(tái)重力、工件重力之和,受力較大,加之Z軸移動(dòng)質(zhì)量大,移動(dòng)速度難以提升。滑鞍尺寸受X軸行程影響,外形較為細(xì)長(zhǎng),為保證穩(wěn)定性,Z軸導(dǎo)軌的跨距通常很大,由此導(dǎo)致滑鞍中段在重力及承載壓力的作用下容易向下彎曲。對(duì)此,可以在滑鞍中部下方增加導(dǎo)軌支撐,但是會(huì)增加成本?；芭c床身重疊,使工作臺(tái)面距地面的高度較高,為保證Y軸行程與工作臺(tái)面的相對(duì)位置關(guān)系,立柱也很高,由此導(dǎo)致臥式加工中心整體質(zhì)心偏高。以上問題使十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心承載能力有限,整機(jī)剛性不足,動(dòng)態(tài)性能較差。

十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心還存在一個(gè)特有的問題,即工件存在較大的干涉區(qū),如圖7所示。當(dāng)工件移動(dòng)到X軸與Z軸的負(fù)極限位置時(shí),工作臺(tái)有很大一部分區(qū)域位于刀庫換刀臂的下方,這會(huì)嚴(yán)重影響可加工工件的高度和加工范圍。對(duì)此,通常的解決方案是將刀庫上移,但這樣會(huì)增大換刀臂長(zhǎng)度,延長(zhǎng)換刀時(shí)間,并且刀庫上移距離不大,對(duì)于工件干涉問題的解決效果并不明顯。

十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心雖然存在一定缺點(diǎn)和不足,但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可以由十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)立式加工中心改進(jìn)得到。對(duì)于機(jī)床生產(chǎn)廠家而言,十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心技術(shù)門檻低,售價(jià)低,在低端市場(chǎng)還有應(yīng)用,以40、50等小規(guī)格為主,工作臺(tái)尺寸為400 mm×400 mm、500 mm×500 mm。

十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心代表機(jī)型有青海一機(jī)XH755G、海特TH50等。

3.4 定臺(tái)結(jié)構(gòu)

定臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心的工作臺(tái)直接固定安裝在床身上,不移動(dòng)。工作臺(tái)后方布置三坐標(biāo)加工單元,滑鞍沿床身上的X軸左右移動(dòng),立柱沿滑鞍上的Z軸前后移動(dòng),主軸箱沿立柱上的Y軸上下移動(dòng)。另外,也可以根據(jù)需要在床身上布置Z軸,將滑鞍作為X軸。

對(duì)于定臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心,通常將刀庫和電器柜布置在X軸兩端,由此導(dǎo)致后方寬度較大,而前側(cè)只有工作臺(tái),空間利用率不高。

與十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心的部分缺點(diǎn)類似,由于X軸、Y軸、Z軸羅列在一起,定臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心高度較高。主軸箱、立柱、滑鞍的重力都集中在X軸導(dǎo)軌上,使X軸導(dǎo)軌受力較大,動(dòng)態(tài)性能較差,移動(dòng)速度慢。切削力由刀具傳遞到床身基座所經(jīng)過的零部件數(shù)量較多,力流過長(zhǎng),各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的變形量相互累積,導(dǎo)致定臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心難以達(dá)到較高的精度。定臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心同樣存在滑鞍中段受壓彎曲的問題,需要增加X軸支撐導(dǎo)軌或提高滑鞍剛性,但都會(huì)增加成本。

定臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心在一些領(lǐng)域有得天獨(dú)厚的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),如工作臺(tái)直接安裝在床身上,承載能力很強(qiáng),也可以根據(jù)工件形狀,制作對(duì)應(yīng)形式的工作臺(tái)。定臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心常作為專機(jī)應(yīng)用在特定行業(yè),屬于為特定工件的加工量身定做。為了提高工件的生產(chǎn)效率,通常一臺(tái)定臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心內(nèi)配備兩套三坐標(biāo)加工單元,可同時(shí)對(duì)多個(gè)工件或同一個(gè)工件的不同位置進(jìn)行加工,如圖8所示。

市場(chǎng)上生產(chǎn)定臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心的企業(yè)不多,大多為定制機(jī)型,有代表性的機(jī)型主要有沈機(jī)SUC系列等。

4 優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

針對(duì)四種典型布局結(jié)構(gòu)臥式加工中心,從剛性、加工精度、加工效率、市場(chǎng)占有率、適用領(lǐng)域五個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比,見表2。

表2 臥式加工中心優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

由表2可以看出,正T結(jié)構(gòu)臥式加工中心在各方面均表現(xiàn)優(yōu)異,結(jié)構(gòu)成熟,綜合性能最好,應(yīng)用最為廣泛;倒T結(jié)構(gòu)臥式加工中心在市場(chǎng)上呈兩級(jí)分化狀態(tài),一類配備單工作臺(tái),主打低端市場(chǎng),另一類配備平行式托盤交換機(jī)構(gòu),主打高端市場(chǎng),綜合性能較好,技術(shù)含量高,市場(chǎng)占有率一般;十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心受結(jié)構(gòu)限制,難以發(fā)揮出高性能,主要為低端領(lǐng)域產(chǎn)品,在市場(chǎng)上應(yīng)用不多;定臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心由于結(jié)構(gòu)的特殊性,容易衍生得到行業(yè)專機(jī),應(yīng)用領(lǐng)域多集中在對(duì)生產(chǎn)效率要求較高的特定行業(yè),如汽車行業(yè)。

5 其它布局結(jié)構(gòu)

臥式加工中心除了上述四種典型布局結(jié)構(gòu),還有一些少見布局結(jié)構(gòu)。德國(guó)格勞博G500系列臥式加工中心如圖9所示,主要面向汽車零部件加工行業(yè),工作臺(tái)上下移動(dòng),對(duì)應(yīng)Y軸,滑鞍左右移動(dòng),對(duì)應(yīng)X軸,滑枕在滑鞍內(nèi)前后移動(dòng),對(duì)應(yīng)Z軸,布局結(jié)構(gòu)非常緊湊,移動(dòng)部件體積小,質(zhì)量輕,加工效率高。

德國(guó)埃斯維BAW06-22臥式加工中心如圖10所示,同樣面向汽車零部件加工行業(yè),加工效率高,主機(jī)為框架結(jié)構(gòu),前部配備翻轉(zhuǎn)式交換工作臺(tái),后部布置加工單元,橫梁上下移動(dòng),對(duì)應(yīng)Y軸,滑鞍在橫梁內(nèi)左右移動(dòng),對(duì)應(yīng)X軸,滑枕在滑鞍內(nèi)前后移動(dòng),對(duì)應(yīng)Z軸。這一臥式加工中心共有兩個(gè)主軸,可對(duì)兩個(gè)工件同時(shí)進(jìn)行加工,極大提高了生產(chǎn)效率。

6 結(jié)束語

筆者以常見的63規(guī)格臥式加工中心為例,基于四種典型布局結(jié)構(gòu)——正T結(jié)構(gòu)、倒T結(jié)構(gòu)、十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)、定臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,對(duì)不同布局結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

正T結(jié)構(gòu)臥式加工中心和倒T結(jié)構(gòu)臥式加工中心各部件受力均勻,移動(dòng)質(zhì)量分配合理,可以達(dá)到較高的剛性、加工精度和加工效率。正T結(jié)構(gòu)臥式加工中心適合配備旋轉(zhuǎn)式托盤交換機(jī)構(gòu),是機(jī)床生產(chǎn)廠家的主打產(chǎn)品,在市場(chǎng)上最為常見。十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心承載能力有限,剛性和加工精度較差,并且存在明顯的工件干涉區(qū)域,產(chǎn)品主要集中在低端領(lǐng)域,市場(chǎng)占有率較低。定臺(tái)結(jié)構(gòu)臥式加工中心工作臺(tái)承載能力強(qiáng),可加工工件尺寸大,剛性和加工精度一般,常以專機(jī)形式出現(xiàn),衍生種類豐富,主要應(yīng)用于特定行業(yè),如汽車行業(yè)等。此外,G500系列臥式加工中心、BAW06-22臥式加工中心等采用較為少見的布局結(jié)構(gòu),均面向汽車零部件加工行業(yè)。

臥式加工中心種類豐富,不同布局結(jié)構(gòu)有各自的優(yōu)缺點(diǎn),應(yīng)合理選擇適合的臥式加工中心布局結(jié)構(gòu)。筆者所做對(duì)比分析可以為臥式加工中心的設(shè)計(jì)和使用人員提供參考和借鑒。