金切机床复合化技术的发展金切机床复合化技术的发展为了迎接多品种小批量生产、变量变品种时代的到来，在今后激烈的国际市场竞争中取得胜利，金切机床加工的复合化技术成为关注的焦点。近年来复合加工机床发展迅速，把不同加工技术集中在同一台机床上，实现完全加工是机床技术发展的重点之一，也是近年来发展最活跃的技术之一。复合加工机床的最突出优点是可以大大缩短工件的生产周期、提高工件加工精度。 1.1.综综 述述1 11 1 复合加工机的概念复合加工机的概念为了实现复杂形状工件的加工，使在一台机床上能完成复数工序和复数工种的加工，这样的机床称为复合加工机。就是说，在复合化机床上可以实现完全不同性质加工过程的加工。复合加工机功能范围随着时代变化而变化。有一时期，曾经把加工中心称为复合加工机。可是，一般的加工中心不能超出某种切削加工范围。现在的复合加工机已不是那时的复合加工机，具有本质上差异。现代的复合加工机是更进一步复合化的开发，如在车削中心上装载有回转刀具的铣削功能，在加工中心上有车削功能，最近又出现了不同原理加工方法的集约如激光加工和切削加工的复合等，进一步提高机床复合化程度。1 12 2 复合加工机的发展复合加工机的发展日本复合加工机开始上市是在上世纪 70 年代末 80 年代初。现在的森精机制作所 HITEC的前身日立精机株式会社，1979 年开发了 51C 型数控复合车床，有铣削主轴和 y 轴、刀具自动交换装置、车削主轴分度功能(C 轴)构成了复合加工机的原型。1983 年，日本 YAMAZAKI MAzAK 株式会社也开发了有铣削功能的 S 乙 ANT40ATC 型 CNC 复合车床，成为今日复合加工机的基础。欧洲最早出现的复合加工机原型在意大利和奥地利。意大利 Mandelli 公司(现下属于意大利 RIELI0 集团)开发的 Mandelli 800U 型卧式加工中心，除铣削功能外，还具有车削功能，是一台以铣削为基础的铣车复合加工机。奥地利 WFL 车铣技术公司在曲轴专用车铣加工机的基础上发展成现在的 M 系列大型车铣复合加工机。1995 年 EMAG 公司开发了倒置型数控立式车床。在这台机床上，除主轴具有工件上下料功能的同时，还有工件库、测量功能，是一台综合的生产型复合加工机。由于是倒置式主轴结构，切屑容易排出，适合于干切削，是一台环保型机床，引人注目。最近，使用范围正在扩大，也可以加工重的工件。现在已有很多机床制造企业都开发了用于复杂工件加工的复合加工机，有的可完成从粗加工到精加工的所有加工。1 13 3 复合加工机的种类复合加工机的种类131 车削为主型以车削加工为主的复合加工机是车削复合中心。车削复合中心是以车床为基础的加工机，除车削用工具外，在刀架上还装有能铣削加工的回转刀具，可以在圆形工件和棒状工件上加工沟槽和平面。这类复合加工机常把夹持工件的主轴做成 2 个，既可同时对 2 个工件进行相同的加工，也可通过在 2 主轴上交替夹持，完成对夹持部位的加工。现在，加工 2 个工序以上的工件占车削加工的大多数。对这些工件进行高效、高精度加工，有以下 3 种技术。(1)内外加工集中化 在机内装有 1 次加工(外表面)以及 2 次加工(内表面)的各种功能的 1次2 次加工机。(2)加工的复合化 除车削加工，机内还装有铣削加工、磨削加工等各种功能的工序集中的加工机。(3)智能化 机内具有储存、运输、加工一体化、工件识别、工件夹持控制、适应控制、信息网络等最新监控技术的单元加工机。132 铣削为主型(1)加工中心的多轴化 五轴控制，除又、X、Y、Z 三轴控制外，为适应使刀具姿势变化，可以使各进给轴回转到特定的角度位置并进行定位的五轴加工机。五轴加工机的使用方法有两种：用回转轴分度，使工件相 对于刀具倾斜，在这个状态进行三轴控制加工。同时使所有的控制轴作连续运动，即五轴联动，可以对叶轮等具有外延伸曲面形状的工件进行加工。五轴联动加工机的特点是可以避开切削速度变为零的加工条件；可以用伸出长度很短的刀具；可以在一次装夹下加工外延伸曲面形状的工件等。 六轴控制，用多轴控制铣削类加工机不能模拟复杂形状工件加工，而复合加工可以。例如对有锥度形状和四角形状槽类等工件的加工，以前不变换加工工种是无法完成加工的，必须把工件转到电加工机床上加工。可是如采用回转刀具，使刀具一边作 6 轴控制运动，一边作摆动切削加工，就可在一台机床上完成加工。而且精度、效率也可以提高。如使用非回转刀具，必须控制回转主轴的回转位置，此时六轴控制是必要的。用六轴控制加工时，采用非回转刀具时，切削速度同等于进给速度，不能进行高速加工；而用回转刀具则能适应原不能加工部位和形状的加工，无需转换工种，仅用切削加工就能一次完成全部加工，效率较高。 (2)加工中心的复合化 除铣削加工外，还装载有一个能进行车削的动力回转工作台。133 磨削为主型磨床的多轴化，原来只在无心磨床上可见，多数是以装卸作业自动化为目的。现在，开发了在一台机床上能完成内圆、外圆、端面磨削的复合加工机。例如在欧洲，开发了综合螺纹和花键磨削功能的复合加工机。134 不同工种加工的复合化把多种不同原理的加工类型集约，如切削与磨削、研磨的复合；用激光功能把加工后热处理、焊接、切割合并；加工和组装同时实施等。还有，集中车削和铣削功能，特别是齿轮加工功能等的独特的生产型复合加工机；与激光加工复合，开发了装有磨削功能和激光淬火功能的复合机床等。在欧洲还开发了机械铣削功能、激光三维加工功能等集约的复合加工机。14 复合加工机优点举例比较表 1 列出了日本 YAMAZA 田 MAzAK 株式会社、0KUMA 株式会社和森精机制作所 3 个公司使用复合加工机与采用原方法的效果比较。由表中可知，采用复合加工机可以大幅度缩短工件制造周期，减少设备占地面积、降低制造成本。工件风力发电机机壳10 英寸液压卡盘本体纸杯模项目原来方法MAZAKe4 10H效果原来方法0KUMA MacTum350 2SM效果原来方法森精机MT 2000SZ效果总工时44h6h43min17400min85min约 1521 天3h10minl53机床台数411451154114操作者数4 人1 人142-3 人1 人4 人1 人14工序数811851156116夹具数60-522550-夹具费用360 万日元0-180 万日元60 万日元13260 万日元0-工序管理复杂简便-1121312l31110l10占地大小-约 66m2约 32m2约 l2大小约 38 1 15 5 复合加工机的市场前景和今后发展复合加工机的市场前景和今后发展(1)市场前景 目前，还没有对复合加工机的生产和销售状况进行统计的数据，所以只能采用类推方法来分析，即从数控系统出厂台数的形式不同和数控系统的控制轴数来分析。根据日本机床工业协会统计，1992 年数控系统出厂台数为 35843 台。其中，装备在复合加工机上的(4 轴以上联动控制)为 8117 台，占全部的 226。而 2001 年数控系统出厂台数为42899 台。其中，装备在复合加工机上的(4 轴以上控制)为 13143 台，比重为 301，比1992 年增加了 75 个百分点。虽然不能说 13143 台都是具有复合加工功能的加工机，但是足以说明，与 10 年前相比，数控系统多轴化的趋势在增强。按参考数据，日本 2001 年数控车床和加工中心合计生产台数为 31538 台(数控车床 18548 台，加工中心 12990 台)，2002 年是 22454 台。由于数控系统控制不同型式的出厂台数与数控机床生产统计调查企业对象和企业数不匹配，因而不能进行简单比较。目前，可以估算，复合加工机约占数控车床和加工中心合计生产台数的 20。在 34 年后，复合加工机占数控车床和加工中心合计生产台数的 5060是可以想象的。其生产销售规模可以与加工中心相匹配，这就是复合加工机的未来。(2)今后的方向 最近，伴随着复合加工机需求的增加，大多数机床制造厂都进入该市场。目前，在数控车床上增加加工功能的例子很多。欧洲机床制造厂也考虑增加在加工中心上加入车削功能的机床，复合加工机突然进入激烈的竞争时代。因此，工厂的产品如没有自己的独特之处，就难以在激烈的市场竞争中取得胜利。今后，复合加工机不会仅停留在车削和铣削上。从淬火、磨削、压人到冷压成形、超声波加工、激光加工等不同工种将都可能组合到一台机床上，朝一台完成型加工机的方向发展。2 2 欧洲复台加工机的欧洲复台加工机的最新最新发展发展最近，欧洲复合技术的发展是以异质技术的复合为主流。下面主要介绍德国等欧洲机床制造厂开发的最新复合化技术。(1)车削十磨削加工(图 1) Emag 公司是倒置式立式车床的鼻祖，收购了 Reineker 公司和 Karstens 公司磨床制造厂后，集中力量发展硬车十磨削加工技术。开发除进行车削加工外，还可进行铣削、磨削、齿轮加工等的复合加工机(该厂称为多功能中心)。面向轴类工件的卧式生产中心也正在商品化。德国 Schaudt Mikrosa BWF 公司开发了 STRATOS 系列车磨中心，可对齿轮和类似工件的内孔、端面、锥面进行硬车和磨削。机床也采用倒置式主轴结构，其特点是在床身垂直面上最多可配置安装 45 个刀塔和磨头。系列有小中大 3 个品种，加工工件最大回转直径 380mm、宽度(100150200)mm，卡盘直径(125210210260260320)mm。(2)超声振动切削技术(图 2) 德国 Hermann Sauer 公司开发了全新的超声振动切削技术，额定激振频率为 20kHz，用于加工硬脆材料。由于切削进给速度大大提高，使切削效率提高到普通切削方法的 45 倍。图 1 Emag/Reineker VSC250 HDS 倒置式立式车磨复合机在一台机床上可进行硬车和磨削加工Deckel/Mcho/Hermann Sauser制造的 DMS35 型超声波加工机这项技术目前在 DMS35 型和 DMS50 型超声波加工机上作为标准配置装备。DMS35 机床的 3 轴行程为 240 mm(1轴)、340mm(Z 轴)和 350mm(X 轴)；而对于 DMS50 机床的 X 轴行程为 500 mm、电动机功率为 1813kW，主轴最高转速为 3000rmin(选择 60000min)，最大进给速度可达到 5000mm/min 。(3)磨削十电加工 德国 WALTER 公司是生产工具磨床、切削刀具和精密工具测量机的著名制造厂。该厂新近开发的 Helitronic Power 十 Diamond 型 CNC 工具磨床是以二变一概念开发的新品种。在这台机床上可以实现放电加工十磨削加工，非常适合金刚石工具的高效高精度加工。该工具磨床有生产型和装有上料装置等 5 个机型，磨削主轴电动机功率可在 924kW 范围内选择。(4)铣削十棒料加工(图 3) 德国 HERMIE 公司是从事铣床、加工中心生产的机床制造厂。该厂的新机型 S100M 棒料加工中心，与车削中心的区别是装备有高刚性的重负荷铣头，可对棒料工件进行铣削、孔槽加工、攻丝和车削加工。棒料工件回转 360。(A 轴)、铣头滑座回转 270。(B 轴)。加工捧料最大尺寸为 480mml 000mm，用 5 轴控制可实现圆形、角形工件加工。机床配备有可储备 7 根棒料的自动上料装置，可长时间无人值守加工。图 3 Hermle 公司 S100M 型摔材加工中心，用五轴控制加工多边形件图 4 Indek 公司MS32 型 6 轴自动车床图 5 Indek 公司 MS32 型 6 轴自动车床装载的滚削装置（选件）图 6 Gehring 公司独自开发的激光头(YGA/60W)，用激光在缸体内表面形成润滑油油腔德国 DMG 集团也开发了 DMC60S 棒料加工中心，可对棒料工件