铣车复合加工机床动态关键技术研究

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［摘要］随着制造业的迅速发展，铣车复合机床通过一次装夹零件完成多种加工工序。通过在VMC850数控铣床上进行技术改造，在铣床基础上，研发车床换刀模块，能够完成铣车复合加工机床换刀。研发智能化多轴机床控制系统，实现铣车复合加工坐标系转换。转台分度装置能实现0～360度分度，实现铣削多方位加工;铣车一体化加工软件模块技术，实现高效高精目标;实现铣车复合动态加工。减少辅助时间，显著提高生产效率，同时还能极大缩短产品制造工艺链;装夹次数的减少，避免了由于定位基准转化而导致的误差积累，其加工精度有了大幅度的提升。

［关键词］铣车复合机床;动态加工;关键技术;应用研究

随着科学技术的发展，制造业也飞速发展，比较复杂的机械零件精度要求会越来越高，采用单独数控车、数控铣加工手段，增加辅助时间，生产率降低，尺寸定位精度控制难，难以实现复杂零件加工精度要求，因此，需要考虑使用数控铣车或者车铣复合机床来满足这一要求。而高精密的复合机床生产公司主要分布于欧美和日本，如奥地利WFL、德国DMG以及日本MAZAK，国外研发时间比较早，技术相对比较成熟，已经形成规模，具有系列化设备，而我们国家，虽然拥有一些大型机床公司，如大连机床厂、秦川机床厂等公司，但是，由于车铣或者铣车复合机床的研究相对较晚，在技术上无法与国外相比，如果使用高精密的复合加工设备，必须进口国外的设备。该类机床自身价格昂贵，占地面积大，操作困难，对企业从业人员技术要求较高，机床配备的操作系统又多为国外系统，特别是机床一旦出现故障，故障诊断比较困难，维修周期长，费用高，给企业增加了负担。在此情况下，研究高精效铣车复合动态加工新技术，成本低，简单易操作，对操作人员技术要求低，设备运行成本低，还能保证高精度高效率动态加工。很好地解决这一难题，助力企业推广应用，能够取得显著的经济效益和社会效益，具有现实意义。

一、企业对铣车复合技术的需求

在我国大多数加工制造企业，单一加工机床一般只能进行一种工艺的加工，例如数控车床，能够进行回转类零件车削加工;而数控铣床不能进行回转类零件车削加工。因此，目前我国大部分加工企业为了实现铣削、车削的加工工序，大量购置了各种类型的加工机床。非常明显，这样的加工方式需要很多的人力完成工件的运输以及零件的多次定位。可是，近年来人力成本上涨，企业成本高，而市场对零件加工精度要求也越来越高。所以，企业需要通过技术升级改造，改变零件的加工方式，才能跟上时代的发展。同时对设备的加工精度要求越来越严格。随着数控技术和加工工艺的发展，单一加工不能满足零件加工效率和加工精度的要求，铣车复合数控机床已成为当前世界机床技术发展的主流。复合加工机床通过一次装夹零件完成多种加工工序。一方面减少了因运输而产生的辅助时间，且显著提高生产效率，同时还能极大地缩短产品制造工艺链;另一方面，减少安装定位次数，就减少了误差积累，零件的加工精度有了大幅度的提升。从中可以看出复合加工机床能够将原本需要多台机床才能完成的工件，现在只需要用一台机床就能解决。减少产品加工机床，配套设备数量相应减少、机床设备占地面积和维护费用相应地减少，为企业减少了生产成本，提高了生产效率和加工精度。复合加工机床能够实现多工序在一台机床上加工，有效降低加工时间又降低了工人装夹转运的劳动强度，同时实现一人多机，降低企业人工成本。吉林省装备制造和汽车制造行业规模以上企业800余家，职工总数30余万人，但技术人员中能够操作铣车复合机床的比例不足0．2%;企业现有铣车复合机床占机床比例不足1%，且使用率不足50%，原因是由于昂贵与外语限制，会操作的人少;同时，启动铣车复合机床成本高，浪费资源。研究铣车复合机床，成本低，在批量生产情况下，同类标准铣车复合机床价格700万元以上，本文研制铣车复合机床价格100万元以内，价格比同类标准铣车复合降低60%左右，给客户降低了使用成本;结构简单易操作，对操作人员技术要求低;设备不用闲置，原因是技术要求不高，会操作的技术人员多，能进行车削、铣削单独使用，还能进行铣车复合加工，设备利用率高;效率高，多工序集中，可实现一次装夹完成全部或大部分加工工序，缩短产品制造工艺链，生产效率提高;精度高，提高零件生产合格率30%左右。减少定位次数，同时定位误差减少，能够避免误差的积累，提高零件加工效率、加工精度和产品合格率。本研究有利于促进吉林省智能制造产业高质量发展亟需，能够满足大量制造业的技术需求，提高中小型制造业企业的竞争力。

二、铣车复合加工机床动态加工关键技术研发应用

针对我国面对传统加工中铣车复合加工设备主要依赖国外进口，设备昂贵、操作维修困难，我国众多中小加工制造企业难以承受的现实困境，通过产学校企协同联合攻关，采用现代机械设计理论，将传统通过改造设计、仿真设计、优化模拟、模型试制、试制试验等环节，研究设计开发一种适于小批量高效高精化机械零部件智能生产加工的、将铣、车一体加工的软硬件实现方案，为提升与推进我国机床加工装备技术水平与地方区域机械制造中小企业智能化水平，实现高质量发展提供理论与技术支撑。为解决复杂机械零件高精度高效车铣复合动态加工技术，通过对在VMC850数控铣床上进行技术创新，实现铣车复合加工功能。具体研究内容包括:研发车床换刀模块，铣车复合圆柱面加工刀具补偿方法;研发智能化多轴机床控制系统，铣车复合加工坐标转换;铣削转台分度装置;简化结构易操作，高精度高效率铣车复合动态加工切换技术。将大幅度提高复杂零件的加工效率、提高定位精度，为企业降低成本，提高市场竞争力。对典型零件进行铣车复合机床加工，结果铣车复合机床加工方式能够显著提高加工效率和精度。研究铣车复合机床动态加工的理念是加工工序集中，只进行一次定位，多次加工。这样的加工方式不需要人工进行干预，同时完成铣、车的加工工序，高效率、高精度，且适应现代制造业多品种、小批量、个性化的发展需求，一台铣车复合机床就相当于一个小型生产线。

(一)在铣床基础上，研发车床换刀模块，能够完成铣车复合加工机床换刀

在VMC850数控铣床上，研发车床换刀模块，选8工位电动刀架，安装在铣床主轴上，系统配置三个线性轴和一个旋转轴。系统配置3个移动轴和一个回转轴的四轴数控复合机床，能够完成铣车复合圆柱面加工及刀具补偿，在铣车功能划分上，完全做到铣车功能各占50%，简化编程。标准铣车复合铣削编程需要CAM软件定制单台专机专用后处理才能实现铣床基本功能。将车削主轴放置在轴上。机床轴采用箱式组成形式，这种组成的主轴箱对称分布，能够克服受热之后的变形，显著提高机床刚度和系统固有频率，因此，显著提高了轴的刚度。零件加工周期变短，光洁度很高，达到0．4μm，实现车铣磨三位一体复合机床。在机床整体设计上，需要考虑高精度、高刚度，否则实现不了以车代磨加工。正常车削加工表面粗糙度达3．2～1．6μm，正常磨削加工表面粗糙度达1．6～0．8μm，本项目开发以车代磨功能，高精磨光洁度可达到0．4μm。

(二)研发智能化多轴机床控制系统，实现铣车复合加工坐标系转换

针对铣车复合机床加工复杂零件坐标系转换的问题，首先研究铣车复合机床加工工艺的特点及相应机床运动坐标系关系，在此基础上，提出新的铣车复合机床加工方法，研发智能化多轴机床控制系统，实现了笛卡尔坐标系刀具运动铣车复合加工坐标系转换。并且在现有的方法基础上，进行插补实现转换，满足数控系统铣车复合机床动态加工。

(三)转台分度装置

转台分度装置能实现0～360度分度，实现铣削多方位加工。通过转台分度装置，内部设计的电磁离合器转换，实现0～3000转/分无级调速，作为车削模块主轴，满足盘类零件铣车复合加工。主轴转台选两轴转台A、C，C轴切换成动力轴转换成CS轴，A轴为铣床的4轴，同时通过A轴0～90度转换实现立铣、卧车全部功能，满足轴类零件、盘类零件的加工。

(四)研发大扭矩高刚度复合主轴技术

通过变速箱在铣削状态下，实现低转速大扭矩加工，精确定位。在车削加工时，针对不同轴径工件，实现连续改变转速，保证切削线速度相同，以此达到车铣不同轴径工件，表面光洁度一致达到0．4μm。针对多工序工件如联轴器，加工内孔、端面等与被夹紧工件接触面积大，抱紧摩擦力达到最大扭矩。能够使主轴具有高刚度、高精度、低转速、大扭矩。关键技术如力矩电动机驱动的B轴、内置式电动机的车削主轴、内置式电动机的刀具动力主轴、大扭矩的机械式刀具动力主轴和单伺服动力塔等技术取得突破性进展。

(五)简化结构易操作，高精度高效率铣车复合动态加工切换技术

车削功能动力源为标准伺服主轴电机，铣削功能激活后，采用蜗轮蜗杆与小功率伺服电机形成减速分度装置，并与主轴本体结合，反馈装置位于主轴上，用绝对值编码器实现全闭环铣削分度，提高精度，并实现铣车功能切换。标准铣车复合机床上，主轴采用伺服主轴电机，无级变速，低速大切削量时过载容易闷刀，铣车功能切换时，不用机械结构，通过伺服电机内部控制切换，分度过程中，反馈装置在伺服电机内部，伺服电机与主轴之间有同步带传动，易产生误差。本文铣、车功能转换，为了满足在圆柱面铣削时对工件进行角度控制，车削功能动力源定为标准三相异步电动机，当铣削功能激活后，采用蜗轮蜗杆与小功率伺服电机形成减速分度装置，并与主轴本体结合，反馈装置位于主轴上，用绝对值编码器实现全闭环铣削分度，并实现坐标切换。能够在数控铣床上进行加工，完成铣床加工的工序，能够实现铣削、车削复合加工的功能，能够实现工序集中的加工理念。通过测试加工，能够保证铣、车功能的实现。

(六)研发数据采集器软件模块技术

研发软件模块，设备出厂前加上数据采集器，适合批量制造时与MES智能管控系统连接。以后与智能制造、工业4．0大数据时代是必要的，是发展趋势。将现有数据直接输出去，如开机时间、功率、加工成品数、废品数、平台时间信息等，可以通过中央集控MES系统反映出来，配合机械手实现生产数据采集。

(七)研发铣车一体化加工软件模块技术，实现高效高精目标

车铣磨加工时，车铣磨各自单独编程，通过此复合机床程序制作器软件模块，实现无缝衔接连续加工程序制作，通过以太网或ＲS232输入复合机床加工，减少辅助时间，降低操作人员技能要求。能够进行车床编程的技术人员较多，能够进行铣床编程的技术人员也较多，能够进行车铣磨复合编程的技术人员较少。本项目开发此软件模块，分别进行车、铣、磨床的编程，能够实现连续加工。这样能操作的人员不需要较高技能，会操作的人多，车铣磨复合机床利用率高，连续加工效率高，工序集中，精度高。

三、结语

绝大多数产品都是通过多道工序多个机床才能完成全部加工，众所周知，在激烈的市场竞争环境中，缩短和保证交货期十分重要，一个产品的加工过程链越长，生产周期和加工精度就越难以控制。随着数控机床性能的提高，机动时间越来越短，影响交货期的瓶颈往往在于机床辅助时间和工件在工序之间的滞留时间，减少工件地的数目也就意味着缩短生产周期。同样，多次装夹也是影响加工精度的主要因素之一。工序分散、按节拍组织流水生产，是一种刚性的生产自动化，随着技术的发展，产品品种不断增加而批量减少，加上产品结构的复杂程度明显提高，以及客户对产品质量的要求日益苛刻，对这种工序集中化的加工、生产过程柔性化的需要越来越迫切。本文研究高精效铣车一体化动态加工复合机床，进行关键技术研发，能在一台机床上完整加工或完成大部分加工，实现了低成本、高效率、高精度、批量加工生产的需求。同时还可以加工其它零件，多样化的加工能力，不会因为某个零件的改型换代，就被淘汰。会产生显著的经济效益和社会效益。

参考文献

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［2］李彦光．复合加工机床的发展现状［J］．机械工程师，2011(3):5-11．

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［4］何俊，赖玉活，李健，等．车磨复合加工机床结构设计［J］．机械设计与制造，2012(4):187-188．

作者：谷占斌 单位：吉林工程技术师范学院