變化中的復合加工機床概念

    現(xiàn)今的制造業(yè)、特別是機械加工現(xiàn)場，有以下幾個特點：多品種、小批量生產；交貨期縮短；要求降低成本；伴隨輕型化、性能復合化增加了復雜形狀的產品；缺少熟練操作人員和優(yōu)秀技術人員。一個企業(yè)要適應這種現(xiàn)狀并在激烈的市場競爭中取勝，需要新的技術和機床，這時作為“王牌”的復合加工機床便順應市場需求閃亮登場。

    我們將一臺擁有能以數(shù)道工序、不同方式加工復雜形狀工件能力的機床稱之為復合加工機床。為達到同樣的用工序集成的方法提高生產效率和機床的附加價值的目的，在技術上也有將機床控制坐標多軸化、擴大加工功能、多功能化的解決方法。在這里我們把前者的在一臺機器內實現(xiàn)不同品種加工的機床和后者的多坐標控制機床兩者統(tǒng)稱為復合加工機床。

    復合加工機床具有的功能是隨著時代的變化而變化的。過去曾有將加工中心稱為復合加工機床的時期，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域，現(xiàn)在已經不再將一般的加工中心稱之為復合加工機床了。

    復合加工機床的開發(fā)、生產在市場需求中不斷得到推進，特別是最近，具有將車削功能和回轉切削功能合并起來的機床的銷售數(shù)量迅速增加，今后可望達到與加工中心相匹敵的生產和銷售規(guī)模。

    復合加工機床的現(xiàn)狀

    復合加工機床一般具有這些特征：設置較少，有時甚至是一次性的；復雜工件不需在多臺機床上加工；減少工件的裝夾次數(shù)；加工現(xiàn)場機床數(shù)量減少，不需在場地上投入很多。

    機床制造商們在以兩種方式適應日益擴大的市場。一種是他們設計的機床能進行一次以上的加工工序�，F(xiàn)在，有些機床能提供銑削、鉆削、攻絲、車削、磨削、焊接和調平多種功能。另一種多功能的較明顯的方式則是通過加速工件裝夾速度來使機床高產出，這主要是通過在單臺機床或單元內增加機器人或工件夾持機構來實現(xiàn)。多功能機床另一個使人感興趣的因素是，大部分的自動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保和設備老化而不能大批量加工高精度的工件等諸多問題，所以現(xiàn)在一些大批量的工件被分解成小批量轉包給多個供應商。這一切都為復合加工機床提供了施展才能的用武之地。

    機床由功能單元部件構成

    美國的Makino公司是一家專攻發(fā)展磨削技術的公司。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技術，研發(fā)了除用電鍍CBN磨削，還具有帶陶瓷磨輪的復合磨削加工中心�，F(xiàn)在每當其加工硬鎳合金材料時，除了傳統(tǒng)的最終精加工外，磨削已成為初級粗加工過程。這是一種引人注目的改革，實現(xiàn)了在一臺機床上既能加工又能磨削的柔性制造。

    Makino 公司使用一個標準的加工中心平臺并提供獨有的磨削選擇包。除了電鍍CBN磨輪外，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。該機床第二軸附帶一個鉆石打磨輥用來支持連續(xù)打磨，它包括固定在機床工作區(qū)的連續(xù)和間歇打磨系統(tǒng)。因為鋒利的磨粒能持續(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率和質量。磨輪輪廓的改變可以通過調用刀庫中不同的打磨輥和磨輪來完成，這與加工中心換刀方式相似。

    加工過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，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多孔的輪子，離心力將液體推出輪子，足夠多的液體會將磨屑沖洗出輪子，從而保持工件的冷卻。

    模塊設計是關鍵

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

    EMAG公司在得到定單后，設計者首先從用戶的生產條件中找到解決方法，然后創(chuàng)建能夠完成任務的機床或機床生產線。這有可能是單一功能機床（磨削、銑削等），但經常是要求多功能設計，包括銑削、鉆削、車削、磨削、調絲、滾削、鏜削、焊接、測量和工件調平。

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

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

    VSC機床另一個獨特的功能是焊接單元。這在運輸機構制造業(yè)的激光焊接中得到日益重要的運用。許多機構，如傳動輪和離合器，經常是首先單獨加工，然后再進行裝配和焊接。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件和承載接下來安裝的工件。已安裝的組件堆放在傳送機上，手動或自動卸下。

    EMAG公司的VSC系列加工中心被認為是世界領先的車床設計，該機床是工件動而機床刀具不動。這種設計是大部分多功能加工中心的基礎，這樣才可以實現(xiàn)在同一臺機床使用一系列刀具完成不同的加工工序，因此實現(xiàn)了從“簡單”立式車床向多功能的復合加工機床的轉變。EMAG公司已交付使用了5000多臺此類機床。

    擴大中的市場和不斷改變的需求

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

    富士機床美國公司起初制造的機床主要用于大批量生產，常常加工的工件會超過10萬件，在這樣的生產效率下，你不能指望用車床來進行銑或鉆的加工。如今對小批量和更復雜工件的需求更加突出。一些大制造商試圖甩掉精加工過程，他們想裝配模塊，在他們的大力推動下，其供應商們不得不替換舊設備并降低廢料率。為降低費用，這些公司需要能提供多種功能的簡單機床。

    一個機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床是解決方案，例如：運行1、2天就能干完一種活，改變功能成為另一種機床去運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線應運而生，它們主要是為那些小型和中型廠實現(xiàn)多功能自動化制造而設計的。這是一種一軸或兩軸為基礎的保守設計，它們可實現(xiàn)銑削、鉆削或攻絲。隨著銑－車中心的大量使用，為滿足多功能市場的需求，5軸加工機床也得到了普遍使用。Mikron公司能提供從三軸至五軸的機床，主軸速度達 60000r/min，加速度超過1g。其中最新的產品之一便是UCP600Vario，功率16kW、主軸轉速20000r/min，還有可實現(xiàn)五軸、五面加工的旋轉/傾斜工作臺。為保證精度，機床還配有振動監(jiān)視和智能溫度控制模塊。

    來自Mikron的UCP600Vario五軸單元可以滿足許多多功能的要求

    復合機床需要更多機器人來配合

    美國Motoman公司這樣認為：機床外部獨立裝置的機器人和封閉在機床內部的機器人的應用將會越來越流行。他們有密封以防止?jié)櫥瑒┗蚶鋮s液進入機器人的關鍵機構技術。除了傳統(tǒng)的上下料，現(xiàn)在機器人也能把工件運到測量區(qū)、打磨工序或到可視檢測系統(tǒng)。機器人最大的進步是在控制方面能簡化編程和操作，舉個例子來說，操作者可以調用直觀圖確認機器人所持的工件是否是應加工的那件。

    美國System 3R公司還認為，當一個機器人能為許多單一功能機床服務時，可以大大提高制造的通用性。人類的手接觸工件的時間越少越好，機器人應該在提高機床通用性方面扮演更多的角色。

    美國System 3R公司提供的主要單元是稱之為“工作主管”（WorkMaster）的機器人。這種取料放料式機器人服務于三臺機床，大部分動作是把工件料盤從一臺機床放到另一臺上，無需額外設置。設備之間最大的不同是軟件部分。機器人75%的工作是服務于一臺機床，也就是說，機床程序對機器人發(fā)信號告訴它何時移動。在一些更復雜的應用中，機器人的程序可以控制機床。使用一種叫做“工廠經理”（WorkShopManager）的軟件，機器人的程序則成了單元控制者。每一塊夾具和刀庫上的特征芯片檢視并啟動工作循環(huán)。例如，機器人程序告訴機床它們正在加工的是什么工件，并且檢查配置。

    而Fanuc機器人公司表示，機器人不但應用于簡單的上下料，也可以做加工后的某些操作，比如測量和工件校驗等。在輔助機床加工的能力方面，智能化機器人增加了新的功能。它們具有增加力傳感和可視功能，可以實現(xiàn)搬運不同尺寸的工件；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一組工件，而在抓取工件時，力傳感器可根據(jù)不同條件調整抓取力，而不是用已設定的力；機器人還能精確擺放工件或通過編程設置完成諸如更換卡盤尺寸大小的機床調整，所以它們能夠取消或減輕需要人工的勞動。這一切的關鍵是機器人程序與機床或機床單元的聯(lián)系。