銑車復合加工機床動態關鍵技術研究

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［摘要］隨著制造業的迅速發展，銑車復合機床通過一次裝夾零件完成多種加工工序。通過在VMC850數控銑床上進行技術改造，在銑床基礎上，研發車床換刀模塊，能夠完成銑車復合加工機床換刀。研發智能化多軸機床控制系統，實現銑車復合加工坐標系轉換。轉臺分度裝置能實現0～360度分度，實現銑削多方位加工;銑車一體化加工軟件模塊技術，實現高效高精目標;實現銑車復合動態加工。減少輔助時間，顯著提高生產效率，同時還能極大縮短產品制造工藝鏈;裝夾次數的減少，避免了由于定位基準轉化而導致的誤差積累，其加工精度有了大幅度的提升。

［關鍵詞］銑車復合機床;動態加工;關鍵技術;應用研究

隨著科學技術的發展，制造業也飛速發展，比較復雜的機械零件精度要求會越來越高，采用單獨數控車、數控銑加工手段，增加輔助時間，生產率降低，尺寸定位精度控制難，難以實現復雜零件加工精度要求，因此，需要考慮使用數控銑車或者車銑復合機床來滿足這一要求。而高精密的復合機床生產公司主要分布于歐美和日本，如奧地利WFL、德國DMG以及日本MAZAK，國外研發時間比較早，技術相對比較成熟，已經形成規模，具有系列化設備，而我們國家，雖然擁有一些大型機床公司，如大連機床廠、秦川機床廠等公司，但是，由于車銑或者銑車復合機床的研究相對較晚，在技術上無法與國外相比，如果使用高精密的復合加工設備，必須進口國外的設備。該類機床自身價格昂貴，占地面積大，操作困難，對企業從業人員技術要求較高，機床配備的操作系統又多為國外系統，特別是機床一旦出現故障，故障診斷比較困難，維修周期長，費用高，給企業增加了負擔。在此情況下，研究高精效銑車復合動態加工新技術，成本低，簡單易操作，對操作人員技術要求低，設備運行成本低，還能保證高精度高效率動態加工。很好地解決這一難題，助力企業推廣應用，能夠取得顯著的經濟效益和社會效益，具有現實意義。

一、企業對銑車復合技術的需求

在我國大多數加工制造企業，單一加工機床一般只能進行一種工藝的加工，例如數控車床，能夠進行回轉類零件車削加工;而數控銑床不能進行回轉類零件車削加工。因此，目前我國大部分加工企業為了實現銑削、車削的加工工序，大量購置了各種類型的加工機床。非常明顯，這樣的加工方式需要很多的人力完成工件的運輸以及零件的多次定位。可是，近年來人力成本上漲，企業成本高，而市場對零件加工精度要求也越來越高。所以，企業需要通過技術升級改造，改變零件的加工方式，才能跟上時代的發展。同時對設備的加工精度要求越來越嚴格。隨著數控技術和加工工藝的發展，單一加工不能滿足零件加工效率和加工精度的要求，銑車復合數控機床已成為當前世界機床技術發展的主流。復合加工機床通過一次裝夾零件完成多種加工工序。一方面減少了因運輸而產生的輔助時間，且顯著提高生產效率，同時還能極大地縮短產品制造工藝鏈;另一方面，減少安裝定位次數，就減少了誤差積累，零件的加工精度有了大幅度的提升。從中可以看出復合加工機床能夠將原本需要多臺機床才能完成的工件，現在只需要用一臺機床就能解決。減少產品加工機床，配套設備數量相應減少、機床設備占地面積和維護費用相應地減少，為企業減少了生產成本，提高了生產效率和加工精度。復合加工機床能夠實現多工序在一臺機床上加工，有效降低加工時間又降低了工人裝夾轉運的勞動強度，同時實現一人多機，降低企業人工成本。吉林省裝備制造和汽車制造行業規模以上企業800余家，職工總數30余萬人，但技術人員中能夠操作銑車復合機床的比例不足0．2%;企業現有銑車復合機床占機床比例不足1%，且使用率不足50%，原因是由于昂貴與外語限制，會操作的人少;同時，啟動銑車復合機床成本高，浪費資源。研究銑車復合機床，成本低，在批量生產情況下，同類標準銑車復合機床價格700萬元以上，本文研制銑車復合機床價格100萬元以內，價格比同類標準銑車復合降低60%左右，給客戶降低了使用成本;結構簡單易操作，對操作人員技術要求低;設備不用閑置，原因是技術要求不高，會操作的技術人員多，能進行車削、銑削單獨使用，還能進行銑車復合加工，設備利用率高;效率高，多工序集中，可實現一次裝夾完成全部或大部分加工工序，縮短產品制造工藝鏈，生產效率提高;精度高，提高零件生產合格率30%左右。減少定位次數，同時定位誤差減少，能夠避免誤差的積累，提高零件加工效率、加工精度和產品合格率。本研究有利于促進吉林省智能制造產業高質量發展亟需，能夠滿足大量制造業的技術需求，提高中小型制造業企業的競爭力。

二、銑車復合加工機床動態加工關鍵技術研發應用

針對我國面對傳統加工中銑車復合加工設備主要依賴國外進口，設備昂貴、操作維修困難，我國眾多中小加工制造企業難以承受的現實困境，通過產學校企協同聯合攻關，采用現代機械設計理論，將傳統通過改造設計、仿真設計、優化模擬、模型試制、試制試驗等環節，研究設計開發一種適于小批量高效高精化機械零部件智能生產加工的、將銑、車一體加工的軟硬件實現方案，為提升與推進我國機床加工裝備技術水平與地方區域機械制造中小企業智能化水平，實現高質量發展提供理論與技術支撐。為解決復雜機械零件高精度高效車銑復合動態加工技術，通過對在VMC850數控銑床上進行技術創新，實現銑車復合加工功能。具體研究內容包括:研發車床換刀模塊，銑車復合圓柱面加工刀具補償方法;研發智能化多軸機床控制系統，銑車復合加工坐標轉換;銑削轉臺分度裝置;簡化結構易操作，高精度高效率銑車復合動態加工切換技術。將大幅度提高復雜零件的加工效率、提高定位精度，為企業降低成本，提高市場競爭力。對典型零件進行銑車復合機床加工，結果銑車復合機床加工方式能夠顯著提高加工效率和精度。研究銑車復合機床動態加工的理念是加工工序集中，只進行一次定位，多次加工。這樣的加工方式不需要人工進行干預，同時完成銑、車的加工工序，高效率、高精度，且適應現代制造業多品種、小批量、個性化的發展需求，一臺銑車復合機床就相當于一個小型生產線。

(一)在銑床基礎上，研發車床換刀模塊，能夠完成銑車復合加工機床換刀

在VMC850數控銑床上，研發車床換刀模塊，選8工位電動刀架，安裝在銑床主軸上，系統配置三個線性軸和一個旋轉軸。系統配置3個移動軸和一個回轉軸的四軸數控復合機床，能夠完成銑車復合圓柱面加工及刀具補償，在銑車功能劃分上，完全做到銑車功能各占50%，簡化編程。標準銑車復合銑削編程需要CAM軟件定制單臺專機專用后處理才能實現銑床基本功能。將車削主軸放置在軸上。機床軸采用箱式組成形式，這種組成的主軸箱對稱分布，能夠克服受熱之后的變形，顯著提高機床剛度和系統固有頻率，因此，顯著提高了軸的剛度。零件加工周期變短，光潔度很高，達到0．4μm，實現車銑磨三位一體復合機床。在機床整體設計上，需要考慮高精度、高剛度，否則實現不了以車代磨加工。正常車削加工表面粗糙度達3．2～1．6μm，正常磨削加工表面粗糙度達1．6～0．8μm，本項目開發以車代磨功能，高精磨光潔度可達到0．4μm。

(二)研發智能化多軸機床控制系統，實現銑車復合加工坐標系轉換

針對銑車復合機床加工復雜零件坐標系轉換的問題，首先研究銑車復合機床加工工藝的特點及相應機床運動坐標系關系，在此基礎上，提出新的銑車復合機床加工方法，研發智能化多軸機床控制系統，實現了笛卡爾坐標系刀具運動銑車復合加工坐標系轉換。并且在現有的方法基礎上，進行插補實現轉換，滿足數控系統銑車復合機床動態加工。

(三)轉臺分度裝置

轉臺分度裝置能實現0～360度分度，實現銑削多方位加工。通過轉臺分度裝置，內部設計的電磁離合器轉換，實現0～3000轉/分無級調速，作為車削模塊主軸，滿足盤類零件銑車復合加工。主軸轉臺選兩軸轉臺A、C，C軸切換成動力軸轉換成CS軸，A軸為銑床的4軸，同時通過A軸0～90度轉換實現立銑、臥車全部功能，滿足軸類零件、盤類零件的加工。

(四)研發大扭矩高剛度復合主軸技術

通過變速箱在銑削狀態下，實現低轉速大扭矩加工，精確定位。在車削加工時，針對不同軸徑工件，實現連續改變轉速，保證切削線速度相同，以此達到車銑不同軸徑工件，表面光潔度一致達到0．4μm。針對多工序工件如聯軸器，加工內孔、端面等與被夾緊工件接觸面積大，抱緊摩擦力達到最大扭矩。能夠使主軸具有高剛度、高精度、低轉速、大扭矩。關鍵技術如力矩電動機驅動的B軸、內置式電動機的車削主軸、內置式電動機的刀具動力主軸、大扭矩的機械式刀具動力主軸和單伺服動力塔等技術取得突破性進展。

(五)簡化結構易操作，高精度高效率銑車復合動態加工切換技術

車削功能動力源為標準伺服主軸電機，銑削功能激活后，采用蝸輪蝸桿與小功率伺服電機形成減速分度裝置，并與主軸本體結合，反饋裝置位于主軸上，用絕對值編碼器實現全閉環銑削分度，提高精度，并實現銑車功能切換。標準銑車復合機床上，主軸采用伺服主軸電機，無級變速，低速大切削量時過載容易悶刀，銑車功能切換時，不用機械結構，通過伺服電機內部控制切換，分度過程中，反饋裝置在伺服電機內部，伺服電機與主軸之間有同步帶傳動，易產生誤差。本文銑、車功能轉換，為了滿足在圓柱面銑削時對工件進行角度控制，車削功能動力源定為標準三相異步電動機，當銑削功能激活后，采用蝸輪蝸桿與小功率伺服電機形成減速分度裝置，并與主軸本體結合，反饋裝置位于主軸上，用絕對值編碼器實現全閉環銑削分度，并實現坐標切換。能夠在數控銑床上進行加工，完成銑床加工的工序，能夠實現銑削、車削復合加工的功能，能夠實現工序集中的加工理念。通過測試加工，能夠保證銑、車功能的實現。

(六)研發數據采集器軟件模塊技術

研發軟件模塊，設備出廠前加上數據采集器，適合批量制造時與MES智能管控系統連接。以后與智能制造、工業4．0大數據時代是必要的，是發展趨勢。將現有數據直接輸出去，如開機時間、功率、加工成品數、廢品數、平臺時間信息等，可以通過中央集控MES系統反映出來，配合機械手實現生產數據采集。

(七)研發銑車一體化加工軟件模塊技術，實現高效高精目標

車銑磨加工時，車銑磨各自單獨編程，通過此復合機床程序制作器軟件模塊，實現無縫銜接連續加工程序制作，通過以太網或ＲS232輸入復合機床加工，減少輔助時間，降低操作人員技能要求。能夠進行車床編程的技術人員較多，能夠進行銑床編程的技術人員也較多，能夠進行車銑磨復合編程的技術人員較少。本項目開發此軟件模塊，分別進行車、銑、磨床的編程，能夠實現連續加工。這樣能操作的人員不需要較高技能，會操作的人多，車銑磨復合機床利用率高，連續加工效率高，工序集中，精度高。

三、結語

絕大多數產品都是通過多道工序多個機床才能完成全部加工，眾所周知，在激烈的市場競爭環境中，縮短和保證交貨期十分重要，一個產品的加工過程鏈越長，生產周期和加工精度就越難以控制。隨著數控機床性能的提高，機動時間越來越短，影響交貨期的瓶頸往往在于機床輔助時間和工件在工序之間的滯留時間，減少工件地的數目也就意味著縮短生產周期。同樣，多次裝夾也是影響加工精度的主要因素之一。工序分散、按節拍組織流水生產，是一種剛性的生產自動化，隨著技術的發展，產品品種不斷增加而批量減少，加上產品結構的復雜程度明顯提高，以及客戶對產品質量的要求日益苛刻，對這種工序集中化的加工、生產過程柔性化的需要越來越迫切。本文研究高精效銑車一體化動態加工復合機床，進行關鍵技術研發，能在一臺機床上完整加工或完成大部分加工，實現了低成本、高效率、高精度、批量加工生產的需求。同時還可以加工其它零件，多樣化的加工能力，不會因為某個零件的改型換代，就被淘汰。會產生顯著的經濟效益和社會效益。

參考文獻

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作者：谷占斌 單位：吉林工程技術師范學院