0 引言
在現(xiàn)代金屬切削加工中，加工中心占有非常重要的地位。近二十多年來(lái)，為了適應(yīng)社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的需求，加工中心的設(shè)計(jì)制造在結(jié)構(gòu)、性能、功效以及其對(duì)環(huán)境的影響等方面都有了巨大的進(jìn)步。就加工中心基本結(jié)構(gòu)而言，我們常將加工中心分為立式( 主軸垂直布置) 和臥式( 主軸水平布置) 兩大類，它們的加工特點(diǎn)也因此而有較大的區(qū)別。一般而言，臥式加工中心具有較多的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)剛性較高、加工時(shí)易于排屑、有利于實(shí)現(xiàn)多面加工和加工自動(dòng)化等等［1-3］。因此，臥式加工中心越來(lái)越受到使用者的重視。
然而，臥式加工中心的設(shè)計(jì)制造相對(duì)于立式加工中心來(lái)說(shuō)也具有更高的技術(shù)要求和難度。從加工中心發(fā)展歷史來(lái)看，臥式加工中心的問(wèn)世和普及應(yīng)用也較之立式加工中心晚許多，這正是兩者技術(shù)要求的差異所決定的。雖然我國(guó)加工中心生產(chǎn)廠商數(shù)量龐大，人們對(duì)臥式加工中心的研發(fā)也在日益重視［4-7］，但是真正能夠成熟生產(chǎn)臥式加工中心的廠家卻為數(shù)不多。
在臥式加工中心的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和技術(shù)進(jìn)步方面，德國(guó)機(jī)床制造行業(yè)一直走在全世界的最前列。其對(duì)技術(shù)的精益求精和勇于革新的實(shí)踐，為國(guó)際機(jī)床業(yè)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。例如，德國(guó)SW 公司在上世紀(jì)80 年代初期即專注于臥式加工中心的研發(fā)和生產(chǎn)。不僅如此，為了能夠在臥式加工中心一系列優(yōu)越性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步大幅度提高單機(jī)的生產(chǎn)效率，SW公司在1985 年即推出了世界上第一臺(tái)多主軸雙工作臺(tái)臥式加工中心，用于高質(zhì)量零件的大批量高效生產(chǎn)。時(shí)至今日，德國(guó)SW 公司為臥式加工中心的技術(shù)進(jìn)步不斷做出具有重大意義的革新，成為世界多主軸臥式加工中心技術(shù)發(fā)展的引領(lǐng)者。SW 公司的一句名言對(duì)我們業(yè)內(nèi)人士很有啟發(fā):“最重要的是為客戶的加工需求提供最經(jīng)濟(jì)的和長(zhǎng)期有效的解決方案，為此，做好工藝技術(shù)專家，這比制造機(jī)床本身還重要。”正是這一理念，形成了SW 公司不斷革新的基礎(chǔ)和動(dòng)力。這種理念也非常值得我國(guó)業(yè)內(nèi)人士借鑒和深思。
1 多主軸臥式加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
多主軸臥式加工中心的優(yōu)越性是由其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定的。床身、立柱、主軸、工作臺(tái)、刀庫(kù)、冷卻和潤(rùn)滑系統(tǒng)以及它們之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系，加之各數(shù)控軸的驅(qū)動(dòng)和控制，這構(gòu)成了一臺(tái)加工中心的主要結(jié)構(gòu)。我不妨以一臺(tái)代表國(guó)際先進(jìn)水平的SW 機(jī)床來(lái)分析高性能多主軸臥式加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，參見(jiàn)圖1。
為了提高機(jī)床的整體剛性，設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)的 “床身-立柱”式方案，發(fā)明了如圖2 所示具有專利技術(shù)的“立體框架式箱形床身結(jié)構(gòu)”。該床身的特點(diǎn)是由梁柱構(gòu)成一個(gè)封閉式的立體框架，并與傳統(tǒng)意義上的“床身”連為一體，形成了一個(gè)高剛性的箱形結(jié)構(gòu)。
X，Y，Z 三個(gè)數(shù)控軸集成為一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的組件，如圖3 所示。其中，主軸( 可以是2 個(gè)也可以是4個(gè)) 安裝在一個(gè)主軸座內(nèi)，主軸座則置于一個(gè)高剛性的框架內(nèi)，并可以實(shí)現(xiàn)X 和Z 向的運(yùn)動(dòng); 載有主軸的框架通過(guò)導(dǎo)軌安裝在床身后側(cè)，并可上下運(yùn)動(dòng)構(gòu)成機(jī)床的Y 軸。
機(jī)床的工作臺(tái)為橫梁式結(jié)構(gòu)，兩端支撐并可液壓鎖緊，因而實(shí)現(xiàn)很高的剛度。該工作臺(tái)的Y 向尺寸比Z 向尺寸明顯大，以便同時(shí)安裝多個(gè)被加工工件。橫梁式雙支撐工作臺(tái)可繞其自身水平軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，形成一個(gè)數(shù)控轉(zhuǎn)動(dòng)軸。根據(jù)加工節(jié)拍的要求，工作臺(tái)可設(shè)置為單雙兩種形式，如圖4a 和4b 所示。通常情況下，當(dāng)工件的加工時(shí)間較長(zhǎng)，可選擇單工作臺(tái); 反之，則選用雙工作臺(tái)。雙工作臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是: 當(dāng)位于機(jī)床加工空間內(nèi)的工作臺(tái)處于加工狀態(tài)時(shí)，位于機(jī)床加工空間外的工作臺(tái)可同時(shí)進(jìn)行工件的裝卸，從而明顯減少機(jī)床的輔助時(shí)間，大大提高其有效使用率。兩工作臺(tái)可繞其對(duì)稱軸翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)位置交換。
由于工作臺(tái)和X /Y /Z 組件分別安裝在剛性極高的床身箱形結(jié)構(gòu)兩側(cè)，故可以有效地承受加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削力和力矩，使得工作臺(tái)和主軸之間由此產(chǎn)生的相對(duì)變形得到了有效的控制，保證了機(jī)床具有很好的力學(xué)性能。
該機(jī)床的刀庫(kù)置于機(jī)床的上方( 參見(jiàn)圖1) ，節(jié)省了機(jī)床的占地面積。此外，刀庫(kù)為模塊式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要而增減其刀庫(kù)容量。圖5 所示為多個(gè)模塊組成的刀庫(kù)結(jié)構(gòu)。
從上面的描述可以看出，該機(jī)床的方案設(shè)計(jì)非常合理，具有結(jié)構(gòu)緊湊、高剛性的突出優(yōu)點(diǎn)。其特點(diǎn)表現(xiàn)在床身的優(yōu)化設(shè)計(jì)、移動(dòng)軸的集成、工作臺(tái)的構(gòu)造和刀庫(kù)的模塊化等各方面。正是這些結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)其工藝優(yōu)越性的基礎(chǔ)。
2 多主軸臥式加工中心的工藝優(yōu)越性
多主軸臥式加工中心除具備單主軸加工中心所具備的一般優(yōu)越性以外，還具備以下突出優(yōu)點(diǎn):
( 1) 可以實(shí)現(xiàn)極高產(chǎn)能
能夠?qū)崿F(xiàn)極高產(chǎn)能是多主軸臥式加工中心區(qū)別于其它類型加工中心最突出的優(yōu)點(diǎn)之一。例如一臺(tái)四主軸雙工作臺(tái)臥式加工中心可以同步加工四個(gè)工件，而與此同時(shí)，機(jī)床操作人員可以為另一個(gè)工作臺(tái)裝夾待加工工件。當(dāng)機(jī)床加工空間內(nèi)的工件被加工完畢后，兩個(gè)工作臺(tái)繞其對(duì)稱軸線翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工作臺(tái)的位置互換。機(jī)床執(zhí)行新一輪的加工過(guò)程，操作人員則同時(shí)實(shí)施工件的裝卸。此過(guò)程周而復(fù)始。由此可見(jiàn)，在加工節(jié)拍與工件裝卸時(shí)間相互配合很好的情況下，機(jī)床幾乎可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)性生產(chǎn)。使用這種機(jī)床對(duì)于有些零件的加工甚至可以達(dá)到年產(chǎn)十萬(wàn)件以上。圖6 示意了多主軸臥式加工中心在不同的主軸和工作臺(tái)配置的情況下，其年產(chǎn)能的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)然，對(duì)于具體零件加工的年產(chǎn)能與其具體加工內(nèi)容和要求密切相關(guān)，不可一概而論。
( 2) 有利于優(yōu)化加工工藝
橫梁式工作臺(tái)不僅本身是一個(gè)數(shù)控轉(zhuǎn)動(dòng)軸，而且可以根據(jù)加工需要在任意角度位置將其兩端液壓鎖緊，體現(xiàn)出極高的剛性。工作臺(tái)上下兩面均可裝夾工件，每面均備有多個(gè)液壓油和壓力氣體接口，為自動(dòng)工裝夾具提供動(dòng)力。這種機(jī)床還可采用框架機(jī)器人直接從機(jī)床的上方送料，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化自動(dòng)生產(chǎn)。值得指出的是，為了進(jìn)一步優(yōu)化加工時(shí)的排屑性能，常可采用工件倒置的方式進(jìn)行加工，這是一般回轉(zhuǎn)工作臺(tái)式加工中心所難以實(shí)現(xiàn)的。
此外，橫梁式工作臺(tái)上還可以橫向布置安裝多個(gè)第5 軸，以實(shí)現(xiàn)多工件同步五軸聯(lián)動(dòng)加工。
( 3) 優(yōu)良的人機(jī)交互性能
工作臺(tái)高度符合人機(jī)工程學(xué)原理，操作人員以普通站立姿勢(shì)裝夾工件。此外，在裝夾工件時(shí)，可將工作臺(tái)面置于水平向上的位置，易于裝夾操作，克服了用工裝塔側(cè)面裝夾工件費(fèi)力費(fèi)時(shí)的缺點(diǎn)。刀庫(kù)裝刀可在機(jī)床側(cè)面進(jìn)行，充分考慮到了操作的便捷性。為了便于機(jī)床的維護(hù)保養(yǎng)，機(jī)床的絕大多數(shù)核心部位都置于維修人員容易達(dá)到的位置。如機(jī)床的核心X /Y /Z 組件就可以方便地調(diào)至適當(dāng)?shù)母叨龋S修人員可以從機(jī)床的后側(cè)方便地對(duì)其進(jìn)行維護(hù)。
( 4) 有利于降低生產(chǎn)成本
多主軸臥式加工中心雖然單機(jī)價(jià)格比普通加工中心高，但由于其單位時(shí)間產(chǎn)出量極高，因而能夠明顯降低工件加工的單件成本。此外，這種機(jī)床占地面積小，節(jié)能減排效果顯著。例如，一臺(tái)4 主軸臥式加工中心的產(chǎn)能相當(dāng)于4 臺(tái)普通加工中心。但其只需一個(gè)冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)、一個(gè)液壓系統(tǒng)、一個(gè)刀庫(kù)、一個(gè)控制系統(tǒng)等等，而且只需一個(gè)機(jī)床操作人員。其極高的經(jīng)濟(jì)效益不言而喻。
( 5) 精度標(biāo)準(zhǔn)
此類機(jī)床的位移測(cè)量均采用直接測(cè)量方法。在用戶沒(méi)有特殊要求的情況下，精度通常執(zhí)行DIN-ISO230-2 標(biāo)準(zhǔn)。
3 應(yīng)用舉例
這里以幾個(gè)汽車零件的加工為例介紹多主軸臥式加工中心的實(shí)際應(yīng)用［8-9］。
如圖7 所示為一汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)，材料是球墨鑄鐵。使用BA600-2 型雙主軸雙工作臺(tái)臥式加工中心，通過(guò)兩次夾緊完成所有加工。在橫梁式工作臺(tái)上四個(gè)工件( 其中兩個(gè)左轉(zhuǎn)向節(jié)和兩個(gè)右轉(zhuǎn)向節(jié)) 按 “左-右-左-右”的順序安放，在一次夾緊的狀態(tài)下，完成兩對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的加工。單件加工時(shí)間為1. 72min。
圖8 所示的零件是汽車剎車系統(tǒng)防抱死裝置中液壓控制閥的閥體。該零件除六面均需進(jìn)行銑削加工外，還有大量的孔需要加工。這種閥體分為鑄鐵件和鋁件兩種形式。對(duì)于鑄鐵件閥體的加工，通常選用由絲杠驅(qū)動(dòng)直線軸的BA400-4 型四主軸雙工作臺(tái)臥式加工中心; 而對(duì)于鋁件閥體的加工，則選用由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的BAW04-42 型四主軸雙工作臺(tái)臥式加工中心。橫梁式工作臺(tái)采用矩形截面，在每個(gè)工作臺(tái)的4 個(gè)側(cè)面上各安裝4 個(gè)工件。通過(guò)兩次裝夾完成全部加工。對(duì)于鑄鐵件閥體加工總時(shí)間為2. 24min; 而對(duì)于鋁件閥體加工總時(shí)間僅為47s。
渦輪增壓器葉輪為帶有空間曲面的復(fù)雜形狀零件，如圖9 所示。由于該零件的切削加工時(shí)間較長(zhǎng)，工件裝夾又能夠很快完成，故只需一個(gè)工作臺(tái)即可。這里采用BA321 型雙主軸單工作臺(tái)臥式加工中心。為了加工空間曲面，在橫梁式工作臺(tái)上設(shè)置兩個(gè)第5軸，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工。主軸轉(zhuǎn)速40000r /min，兩個(gè)工件同時(shí)加工完成，加工時(shí)間為3. 6min。
圖10 為一體積較大的汽車變速箱殼體，其特點(diǎn)是壁厚較薄，且為鋁件，加工時(shí)容易變形。為了加工該零件，采用BAW06-22 型雙主軸雙工作臺(tái)臥式加工中心。每個(gè)工作臺(tái)安裝兩個(gè)工件，采用液壓夾緊裝置夾緊工件。通過(guò)兩次裝夾完成所有加工，單件加工時(shí)間為3. 46min。
由上述應(yīng)用舉例可以看出多主軸臥式加工中心具有極高的生產(chǎn)效率。
4 結(jié)束語(yǔ)
多主軸臥式加工中心展示了高產(chǎn)能機(jī)床的發(fā)展方向，其生產(chǎn)效率可以與一些高產(chǎn)能專用機(jī)床相比。但與專用機(jī)床不同，它同時(shí)具備加工中心的高柔性，適用于不同工件的加工，為金屬切削加工提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的加工手段。這類機(jī)床特別適用于中等批量或者大批量生產(chǎn)，即便是較小批量的加工情況，只要加工節(jié)拍和工件裝夾時(shí)間配合恰當(dāng)，也常常可以實(shí)現(xiàn)很好的經(jīng)濟(jì)效益。多主軸臥式加工中心在汽車零部件、液壓氣動(dòng)件、工程機(jī)械等許多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。
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