變化中的復(fù)合加工機(jī)床概念

    現(xiàn)今的制造業(yè)、特別是機(jī)械加工現(xiàn)場(chǎng)，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：多品種、小批量生產(chǎn)；交貨期縮短；要求降低成本；伴隨輕型化、性能復(fù)合化增加了復(fù)雜形狀的產(chǎn)品；缺少熟練操作人員和優(yōu)秀技術(shù)人員。一個(gè)企業(yè)要適應(yīng)這種現(xiàn)狀并在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取勝，需要新的技術(shù)和機(jī)床，這時(shí)作為“王牌”的復(fù)合加工機(jī)床便順應(yīng)市場(chǎng)需求閃亮登場(chǎng)。

    我們將一臺(tái)擁有能以數(shù)道工序、不同方式加工復(fù)雜形狀工件能力的機(jī)床稱之為復(fù)合加工機(jī)床。為達(dá)到同樣的用工序集成的方法提高生產(chǎn)效率和機(jī)床的附加價(jià)值的目的，在技術(shù)上也有將機(jī)床控制坐標(biāo)多軸化、擴(kuò)大加工功能、多功能化的解決方法。在這里我們把前者的在一臺(tái)機(jī)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同品種加工的機(jī)床和后者的多坐標(biāo)控制機(jī)床兩者統(tǒng)稱為復(fù)合加工機(jī)床。

    復(fù)合加工機(jī)床具有的功能是隨著時(shí)代的變化而變化的。過(guò)去曾有將加工中心稱為復(fù)合加工機(jī)床的時(shí)期，但因其工具交換加工的品種受到限制，而且也走不出切削加工的領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)不再將一般的加工中心稱之為復(fù)合加工機(jī)床了。

    復(fù)合加工機(jī)床的開發(fā)、生產(chǎn)在市場(chǎng)需求中不斷得到推進(jìn)，特別是最近，具有將車削功能和回轉(zhuǎn)切削功能合并起來(lái)的機(jī)床的銷售數(shù)量迅速增加，今后可望達(dá)到與加工中心相匹敵的生產(chǎn)和銷售規(guī)模。

    復(fù)合加工機(jī)床的現(xiàn)狀

    復(fù)合加工機(jī)床一般具有這些特征：設(shè)置較少，有時(shí)甚至是一次性的；復(fù)雜工件不需在多臺(tái)機(jī)床上加工；減少工件的裝夾次數(shù)；加工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床數(shù)量減少，不需在場(chǎng)地上投入很多。

    機(jī)床制造商們?cè)谝詢煞N方式適應(yīng)日益擴(kuò)大的市場(chǎng)。一種是他們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)床能進(jìn)行一次以上的加工工序。現(xiàn)在，有些機(jī)床能提供銑削、鉆削、攻絲、車削、磨削、焊接和調(diào)平多種功能。另一種多功能的較明顯的方式則是通過(guò)加速工件裝夾速度來(lái)使機(jī)床高產(chǎn)出，這主要是通過(guò)在單臺(tái)機(jī)床或單元內(nèi)增加機(jī)器人或工件夾持機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。多功能機(jī)床另一個(gè)使人感興趣的因素是，大部分的自動(dòng)化和航空制造商目前趨向于減少他們自己的加工規(guī)模，而要求供應(yīng)商直接交付可供裝配的模塊。分析家們看到大公司面臨著質(zhì)保和設(shè)備老化而不能大批量加工高精度的工件等諸多問(wèn)題，所以現(xiàn)在一些大批量的工件被分解成小批量轉(zhuǎn)包給多個(gè)供應(yīng)商。這一切都為復(fù)合加工機(jī)床提供了施展才能的用武之地。

    機(jī)床由功能單元部件構(gòu)成

    美國(guó)的Makino公司是一家專攻發(fā)展磨削技術(shù)的公司。最初，他們?yōu)閭鹘y(tǒng)的加工中心提供電鍍CBN磨輪�，F(xiàn)在他們極大地拓展了這項(xiàng)技術(shù)，研發(fā)了除用電鍍CBN磨削，還具有帶陶瓷磨輪的復(fù)合磨削加工中心。現(xiàn)在每當(dāng)其加工硬鎳合金材料時(shí)，除了傳統(tǒng)的最終精加工外，磨削已成為初級(jí)粗加工過(guò)程。這是一種引人注目的改革，實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)機(jī)床上既能加工又能磨削的柔性制造。

    Makino公司使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的加工中心平臺(tái)并提供獨(dú)有的磨削選擇包。除了電鍍CBN 輪外，其公司現(xiàn)在還能提供使用陶瓷磨輪的磨削選擇包。另外，Makino公司還增加了特殊的冷卻回路和輪打磨能力以支持磨削功能。該機(jī)床第二軸附帶一個(gè)鉆石打磨輥用來(lái)支持連續(xù)打磨，它包括固定在機(jī)床工作區(qū)的連續(xù)和間歇打磨系統(tǒng)。因?yàn)殇h利的磨粒能持續(xù)不斷地外露而且磨輪有非常好的形狀保持能力，所以這種連續(xù)打磨能力大大提高了生產(chǎn)率和質(zhì)量。磨輪輪廓的改變可以通過(guò)調(diào)用刀庫(kù)中不同的打磨輥和磨輪來(lái)完成，這與加工中心換刀方式相似。

    加工過(guò)程中重要的控制因素是冷卻液的使用。如使用太多冷卻液，就像水上飛機(jī)，工件刀具接觸不好；使用太少冷卻液，則不但降低了切削速度，而且有可能灼燒工件。所以該機(jī)床另有一套噴嘴用于銑削，需要的話，可以再加上主軸冷卻液。

    Makino公司在磨輪周邊360?上安裝了一套高壓噴嘴，使用這種可編程噴嘴將高壓冷卻液注入磨輪前部一個(gè)多孔的輪子，離心力將液體推出輪子，足夠多的液體會(huì)將磨屑沖洗出輪子，從而保持工件的冷卻。

    模塊設(shè)計(jì)是關(guān)鍵

    EMAG公司獨(dú)樹一幟，其擁有許多基本機(jī)床平臺(tái)，可以通過(guò)改良以達(dá)到用戶具體的要求，因此其大部分機(jī)床都是用戶定制的，采用的是增加模塊的方式。例如，有一臺(tái)很受EMAG公司用戶喜歡的立式加工中心，它能進(jìn)行車削、滾削、磨削、淬火、裝配和激光焊接。

    EMAG公司在得到定單后，設(shè)計(jì)者首先從用戶的生產(chǎn)條件中找到解決方法，然后創(chuàng)建能夠完成任務(wù)的機(jī)床或機(jī)床生產(chǎn)線。這有可能是單一功能機(jī)床（磨削、銑削等），但經(jīng)常是要求多功能設(shè)計(jì)，包括銑削、鉆削、車削、磨削、調(diào)絲、滾削、鏜削、焊接、測(cè)量和工件調(diào)平。

    EMAG機(jī)床的主要設(shè)計(jì)特征：短行程，即在工件和切削工具間的行程很短；環(huán)境冷卻，機(jī)床保持在環(huán)境溫度下，而不是在任意值；當(dāng)工件和機(jī)床在同樣的溫度時(shí)，可取得最佳效果；內(nèi)部的系統(tǒng)循環(huán)可冷卻機(jī)床內(nèi)的所有熱源，包括電機(jī)和軸承；最小的振動(dòng)，基礎(chǔ)和立柱由被稱為Mineralit的高級(jí)聚合花崗巖成分制成。同傳統(tǒng)的材料相比，Mineralit的小振動(dòng)性可為加工帶來(lái)良好的表面質(zhì)量和更長(zhǎng)的刀具壽命。另外，所有的動(dòng)力裝置都不在工作區(qū)內(nèi)，而是被安裝在機(jī)床上一個(gè)剛性的箱式結(jié)構(gòu)上方，并且在主軸上還包圍著一條帶狀流體單元，它可以減少振動(dòng)和承載時(shí)的主軸偏差。

    汽車工業(yè)和運(yùn)輸業(yè)的制造商采用VSC車床和齒輪?滾銑中心來(lái)車削毛胚件、下序的高速齒輪滾銑以及修理毛刺。VSC復(fù)合機(jī)床也能夠從加工軟的毛胚件轉(zhuǎn)換到加工硬的基礎(chǔ)類的機(jī)床組成部分。例如，VSC機(jī)床能自動(dòng)地進(jìn)行軟車去加工鑄鋼活塞，接著進(jìn)行硬車、鉆、銑以及用CBN或金剛砂輪精磨。

    VSC機(jī)床另一個(gè)獨(dú)特的功能是焊接單元。這在運(yùn)輸機(jī)構(gòu)制造業(yè)的激光焊接中得到日益重要的運(yùn)用。許多機(jī)構(gòu)，如傳動(dòng)輪和離合器，經(jīng)常是首先單獨(dú)加工，然后再進(jìn)行裝配和焊接。在焊接站，夾緊裝配好的工件，然后生成焊縫。兩種工件的齒部也要保護(hù)好以防止焊液飛濺到工件的齒面上。焊接站有兩根軸，在焊接過(guò)程中，一根軸是裝夾工件用，另一根軸是用于卸載已焊接的構(gòu)件和承載接下來(lái)安裝的工件。已安裝的組件堆放在傳送機(jī)上，手動(dòng)或自動(dòng)卸下。

    EMAG公司的VSC系列加工中心被認(rèn)為是世界領(lǐng)先的車床設(shè)計(jì)，該機(jī)床是工件動(dòng)而機(jī)床刀具不動(dòng)。這種設(shè)計(jì)是大部分多功能加工中心的基礎(chǔ)，這樣才可以實(shí)現(xiàn)在同一臺(tái)機(jī)床使用一系列刀具完成不同的加工工序，因此實(shí)現(xiàn)了從“簡(jiǎn)單”立式車床向多功能的復(fù)合加工機(jī)床的轉(zhuǎn)變。EMAG公司已交付使用了5000多臺(tái)此類機(jī)床。

    擴(kuò)大中的市場(chǎng)和不斷改變的需求

    Monarch機(jī)床公司在其加工中心的橋式框架上組裝了一套VTL型平臺(tái)，便使加工中心達(dá)到5軸功能。橋式框架控制X、Y、Z軸，一個(gè)150cm、60kW的車削/定位工作臺(tái)，一個(gè)可更換的主軸頭夾持車刀或50°的椎柄刀具加上一個(gè)單軸可傾斜的主軸頭作為第5軸。便可以實(shí)現(xiàn)5軸加工，其典型產(chǎn)品是大型閥以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)的組件。Monarch機(jī)床公司看好多功能機(jī)床市場(chǎng)，并希望它繼續(xù)擴(kuò)大。Monarch機(jī)床公司正在進(jìn)行已有機(jī)床的再設(shè)計(jì)和一些新設(shè)計(jì)工作，使其立式機(jī)床能具備類似臥式機(jī)床的主軸功能。

    富士機(jī)床美國(guó)公司起初制造的機(jī)床主要用于大批量生產(chǎn)，常常加工的工件會(huì)超過(guò)10萬(wàn)件，在這樣的生產(chǎn)效率下，你不能指望用車床來(lái)進(jìn)行銑或鉆的加工。如今對(duì)小批量和更復(fù)雜工件的需求更加突出。一些大制造商試圖甩掉精加工過(guò)程，他們想裝配模塊，在他們的大力推動(dòng)下，其供應(yīng)商們不得不替換舊設(shè)備并降低廢料率。為降低費(fèi)用，這些公司需要能提供多種功能的簡(jiǎn)單機(jī)床。

    一個(gè)機(jī)床公司要滿足客戶的以上這些新要求，能快速更換功能的機(jī)床是解決方案，例如：運(yùn)行1、2天就能干完一種活，改變功能成為另一種機(jī)床去運(yùn)行半天完成另一種工件，諸如此類。為滿足這種需求，銑?車系列、TN線應(yīng)運(yùn)而生，它們主要是為那些小型和中型廠實(shí)現(xiàn)多功能自動(dòng)化制造而設(shè)計(jì)的。這是一種一軸或兩軸為基礎(chǔ)的保守設(shè)計(jì)，它們可實(shí)現(xiàn)銑削、鉆削或攻絲。

    隨著銑－車中心的大量使用，為滿足多功能市場(chǎng)的需求，5軸加工機(jī)床也得到了普遍使用。Mikron公司能提供從三軸至五軸的機(jī)床，主軸速度達(dá)60000 r/min，加速度超過(guò)1g。 其中最新的產(chǎn)品之一便是UCP600Vario，功率16kW、主軸轉(zhuǎn)速 20000r/min，還有可實(shí)現(xiàn)五軸、五面加工的旋轉(zhuǎn)/傾斜工作臺(tái)。為保證精度，機(jī)床還配有振動(dòng)監(jiān)視和智能溫度控制模塊。

    來(lái)自Mikron的UCP600Vario五軸單元可以滿足許多多功能的要求

    復(fù)合機(jī)床需要更多機(jī)器人來(lái)配合

    美國(guó)Motoman公司這樣認(rèn)為：機(jī)床外部獨(dú)立裝置的機(jī)器人和封閉在機(jī)床內(nèi)部的機(jī)器人的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越流行。他們有密封以防止?jié)櫥瑒┗蚶鋮s液進(jìn)入機(jī)器人的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)技術(shù)。除了傳統(tǒng)的上下料，現(xiàn)在機(jī)器人也能把工件運(yùn)到測(cè)量區(qū)、打磨工序或到可視檢測(cè)系統(tǒng)。機(jī)器人最大的進(jìn)步是在控制方面能簡(jiǎn)化編程和操作，舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，操作者可以調(diào)用直觀圖確認(rèn)機(jī)器人所持的工件是否是應(yīng)加工的那件。

    美國(guó)System 3R公司還認(rèn)為，當(dāng)一個(gè)機(jī)器人能為許多單一功能機(jī)床服務(wù)時(shí)，可以大大提高制造的通用性。人類的手接觸工件的時(shí)間越少越好，機(jī)器人應(yīng)該在提高機(jī)床通用性方面扮演更多的角色。

    美國(guó)System 3R公司提供的主要單元是稱之為“工作主管”（WorkMaster）的機(jī)器人。這種取料放料式機(jī)器人服務(wù)于三臺(tái)機(jī)床，大部分動(dòng)作是把工件料盤從一臺(tái)機(jī)床放到另一臺(tái)上，無(wú)需額外設(shè)置。設(shè)備之間最大的不同是軟件部分。機(jī)器人75%的工作是服務(wù)于一臺(tái)機(jī)床，也就是說(shuō)，機(jī)床程序?qū)�機(jī)器人發(fā)信號(hào)告訴它何時(shí)移動(dòng)。在一些更復(fù)雜的應(yīng)用中，機(jī)器人的程序可以控制機(jī)床。使用一種叫做“工廠經(jīng)理”（WorkShopManager）的軟件，機(jī)器人的程序則成了單元控制者。每一塊夾具和刀庫(kù)上的特征芯片檢視并啟動(dòng)工作循環(huán)。例如，機(jī)器人程序告訴機(jī)床它們正在加工的是什么工件，并且檢查配置。

    而Fanuc機(jī)器人公司表示，機(jī)器人不但應(yīng)用于簡(jiǎn)單的上下料，也可以做加工后的某些操作，比如測(cè)量和工件校驗(yàn)等。在輔助機(jī)床加工的能力方面，智能化機(jī)器人增加了新的功能。它們具有增加力傳感和可視功能，可以實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)不同尺寸的工件；它們不局限于一種特定方式抓取工件，而也能處理尺寸各異或搬運(yùn)一組工件，而在抓取工件時(shí)，力傳感器可根據(jù)不同條件調(diào)整抓取力，而不是用已設(shè)定的力；機(jī)器人還能精確擺放工件或通過(guò)編程設(shè)置完成諸如更換卡盤尺寸大小的機(jī)床調(diào)整，所以它們能夠取消或減輕需要人工的勞動(dòng)。這一切的關(guān)鍵是機(jī)器人程序與機(jī)床或機(jī)床單元的聯(lián)系。