朱立平| 加工中心製造技術，歷來是CIMT展會的重頭戲，也聚集了無數熱切關注的眼光。本文從專家角度一一呈現了其中包括國產品在內的富有代表性的加工中心，剖析了當今加工中心正朝着高速、高效、高精度以及柔性化、複合化、宜人化等方向邁進。進一步引申開來，對於中國機床行業的發展，文中在表達興奮之情的同時，也做出了冷靜的思考。 |
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於4月6日至11日在北京舉行的第十一屆中國國際機床展覽會（CIMT 2009），可以看成是一屆機床的國際奧林匹克盛會。加工中心製造技術歷來是展會的重頭戲，如果我們仔細分析這次展出的200多台加工中心的話，就不難總結出它的一些發展趨勢。
國產龍門機床揚眉吐氣
對製造業來說，極端製造是最困難的，也就是大型、精密機床最難製造。國產龍門五面體加工中心，原來一直是軟肋，可這次展出了13台之多，而且質量明顯躍上新臺階。
1. 寧波海天精工
不僅瀋陽機床、大連機床、武重有新品種展出，原來名不見經傳的寧波海天精工，一下子就展出了兩台龍門機床。其中，HTM-2150i高速龍門銑削中心，主軸轉速可達20000rpm。
另一台HTM-35GE重型龍門五面加工中心（圖1），滑鞍副採用500×500mm大截面方滑枕結構，滑枕導軌全包容四面約束，故整套系統剛性較強；床身與工作臺採用靜壓導軌，齒輪齒條副雙交流伺服電機傳動，工作臺面積為2000×8000mm。
圖1 HTM-35GE重型龍門五面加工中心
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該企業還推出龍門動梁、動柱式高速、五聯動五面加工中心等，為重點工程項目提供大型工藝裝備。
2. 大連機床
大連機床展出的VX32-60橋式龍門加工中心，在現場演示了銑頭交換技術。該機床的橫樑左端下部有一換頭裝置，內裝一塊滑枕端蓋與一個臥式銑頭。
當端蓋換到主軸箱上後，機械手就把選中的刀具插入端蓋之中，以對零件的頂部進行加工；待工件頂部的所有工步完成後，就把刀取下，把端蓋放回換頭裝置，繼而將臥式銑頭取出並裝在主軸箱上，隨後對工件的四側進行加工，龍門五面加工的動作大體就這樣完成了。
宜人化設計倍受關注
1. 德國DMG公司
德國DMG公司這次展出了25台數控機床，是國外展商中規模最大的。
這家世界上每年新產品開發得最多的機床製造商，展出加工中心品種琳琅滿目，有多軸聯動加工中心（包括銑頭兩聯動和工作臺兩聯動）、立柱移動式及工作臺移動式、立柱與床身分體式（duoBLOCK）及立柱與床身鑄成一體式（monoBLOCK）等等，而他們每臺機床的人性化設計，都給觀眾留下了深刻印象。
圖2 DMU 210 P五軸聯動加工中心 |
最具代表的是該公司展出的DMU 210 P五軸聯動加工中心（圖2），它的造型設計採用大視窗、大空間—這是一種國際新潮流，日本馬扎克（MAZAK）公司也推崇這種理念，以方便操作工實施觀察。
在DMU 210 P機床加工區內的工作燈，採用了一種叫planon的燈具，其照度明亮但光線柔和，不刺眼，可保護視力不受傷害。
該機床的懸式操作臺，加裝了一把專門鑰匙smart-key，以防外人誤操作；機床罩殼上則鑲有一條霓虹燈，能以四種顏色顯示不同的工作狀態。
值得一提的是，機床的可移操作臺用19英寸大屏幕顯示，比通常的顯示屏幕要大，這個操作臺的視角可以調節而且下連一個可調的柔軟坐椅等等，總之讓操作者使用方便舒適，這種宜人化的工業造型設計，突出了以人為本的理念。
2. 德國Handtmann公司
同樣，德國生產龍門加工中心的Handtmann公司展出的PBZ HD樣機模型，將整個長形工作臺，都籠罩在盒式罩殼之內，罩殼是一節節的，隨工作臺移動可伸長縮短，這樣切屑和冷卻液就不會接觸到人，同時又保護了環境。
銑頭技術不斷改進
並聯機床的誕生，使得機床設計理念又有了新提升。德國DS公司開發的Z3銑頭，就是根據並聯原理研製而成的，該銑頭可鑽到飛機的機翼裏面進行加工。
然而並聯銑頭有其不足之處，一是Z向行程太短，二是B軸轉擺範圍小，因此必須開發一個較為理想的銑頭來彌補它的不足。
圖3 M3-ABC銑頭 |
這次日本MAZAK公司展出的B+C兩聯動銑頭及意大利breton公司的A+C兩聯動銑頭很是受人關注，但德國茲默曼（Zimmermann）公司展示的M3-ABC三根軸都能一起聯動的銑頭（圖3），無疑是更為引人注目的了。
以理論上來講，五軸聯動機床能加工任何零件，但假如B+C兩聯動銑頭在作B軸回轉切削後，突然要對零件的正面打個孔，那就必須將銑頭從Z軸提起，並由C軸回轉90°後，B軸再轉到正面打孔，而如今有了三聯動銑頭，A軸可直接轉下來加工了。
此外，如加工零件的頂面時，一旦直線軸坐標在高速切削時突然需要轉變，那麼轉角處也不需放慢速度或者停頓。
M3-ABC銑頭的擺動範圍比較大：A軸±110°，B軸±15°，C軸360°。該銑頭A軸使用力矩電機，B、C軸採用伺服电机。
五軸聯動琳琅滿目
五軸聯動加工中心也是每次機床展的重點之一，其結構形式多種多樣，主要用於葉輪、葉片加工。目前我國華中數控、南京四開等數控製造企業都成功開發出五聯動數控系統，北京機電院、江蘇新瑞等也先後製造出中、高檔的五軸聯動加工中心，促使國外對華禁運限制被日益打破。
DMG公司是五聯動加工中心品種最多的供應商，德國Hermle、意大利C.B.Ferrari等公司也都展示了加工葉輪、葉片的高效五軸加工中心技術；豐富多彩的龍門五聯動加工中心展品也各顯其長。
1. 德國Hermle公司
專業生產五聯動加工中心的德國哈默(Hermle)，為達到機床的高精度及高穩定性，他們設計理念是銑頭決不擺動，故採取搖籃式轉臺A+C兩軸聯動（圖4）。
圖4 哈默特色的搖籃式轉臺A+C兩軸聯動
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為了最大程度利用有效的加工空間，哈默將轉臺設計成儘量往裏擺的形式，這樣Y軸的有效行程可達到最大。
他們這次展出的C20U及C30U結構為龍門框架結構，橫樑由高架移動；A軸通過鑄造床身上預留的左右兩孔和床身成為一體，這樣就保證了較強的剛性，由於採用整體鑄造的人造大理石床身，故機床的抗振性與抗熱變形性能較好，展機按VDI/DGQ3441標準，實測精度Tp值能達到μ級。
C30U機床XYZ三向行程為650×600×500mm，主傳動功率10/15kW，扭矩87/130Nm，主軸轉速18000rpm，工作臺承重1000kg。
2. 瑞士Liechti公司
為了高效、精密地用五聯動方式加工葉片、葉輪，工程師們絞盡腦汁在機床結構上不斷改進。
瑞士starrag公司採用的是主軸頭傾斜方式，而瑞士Liechti公司的mill 550更是採取整個立柱與工作臺一起傾斜方式（圖5）。
圖5 Liechti公司的斜立柱 |
他們這樣做，目的為了提高切削速度，因為加工葉片、葉輪時，X軸行程不會很長，但Z和Y軸運動頻繁，立柱傾斜能使銑刀更快切至葉根深處，同時也為了讓切削液更好地沖走切屑。
結構件取材不斷更新
新工藝、新材料的創新應用，也是機床發展的重要內容之一。
機床各大部件選用高強度鑄鐵，歷來是選型的一大共識，然而鑄造工藝過於複雜，生產週期又長，並且鑄件縮孔、砂眼以及材質疏鬆等缺陷會嚴重影響工件質量，因此，新材料的選用始終是研發的熱點課題。
在CIMT 2009展會上，瑞士GF阿奇夏米爾(AgieCharmilles)和德國哈默的加工中心，就選用人造花崗岩床身，也有些歐洲製造商開始採用鋼板焊接件，但鋼件中鑲嵌人造花崗岩。
以製造巨型設備著稱的意大利INNSE公司，這次重點推出鋼板焊接件製造技術。構件內壁根據有限元計算佈置筋板，這些鋼構件也需經多次熱處理，但並不鑲嵌人造大理石。
圖6 INNSE公司的ATLAS-3R動梁龍門加工中心
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展臺上展示的ATLAS-3R動梁龍門加工中心（圖6），除床身為鑄件外，橫樑、立柱、工作臺等全都採用鋼材焊接件，機床龍門寬度6.2m，工作臺面積5m×12m，臺面承重200t，主傳動功率150kW。
INNSE公司還用圖片形式展出了一台FAF260數控落地鏜銑床，其主傳動功率137kW，工作臺面積為6.5m×6.5m，能承重500t，方滑枕W向伸出長度為1800mm，其機床立柱也採用鋼板焊接件，X、Y、V三向進給用靜壓蝸母條驅動，W、Z向用滾珠絲杆。該機床的鏜銑頭可選用A+C兩聯動，以滿足零件的五軸聯動加工。
複合加工爭奇鬥豔
打破工藝界限，機床的複合加工也是當今數控機床發展的一大趨勢。
自90年代德國WFL公司發明車銑複合中心以來，日本MAZAK、韓國大宇（鬥山）以及DMG等均不斷有新款推出。我國的北京一機床、青海一機床、秦川發展等也相繼推出車銑、銑車、銑磨等複合加工機床，這次北一、瀋陽機床、大連機床以及陝西三豐、長沙金嶺等都有產品展出。
瀋陽機床展出的GTM500200龍門移動式車銑中心，是一台龍門框架移動式複合機床。工作臺有兩部分組成。外端是回轉直徑為φ4500mm的車削圓工作臺，轉速40r/min；裏端是4500 × 7000mm的銑削工作臺，承重15t。按不同工件的工藝要求，選擇不同的工作臺面。機床主傳動功率52kW，刀庫容量60把。
1. 瑞士BUMOTEC
棒材的車銑複合六面加工，是當今醫療器材行業及航天航空領域所急需的工藝裝備，在這次展會中也很吸引觀眾。但這種加工方式，工件裝夾需要兩次，一般由正副兩根車削主軸相輔而成的。瑞士寶美技術公司BUMOTEC展出的S-191Linear車、銑、插、磨複合中心，堪稱加工棒料六面體零件的高效機床（圖7）。
圖7 BUMOTEC展出的S-191Linear複合加工中心
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機床的佈局為緊湊型斜床身結構，床身材料為整體高強度抗振鑄鐵。臥式安置的兩根車床主軸相對裝於床身的正面，左面是固定的正主軸，右側為副主軸，它可沿45°斜面進行立臥轉換，這兩根正副車主軸均具有C軸回轉功能，同時副主軸又可沿床身左右運動，為了將其區分於Z軸運動，故把它命名為W軸運動。
床身的斜面上安裝一個滑台，滑台沿床身導軌作左右Z向直線運動；安置在滑臺上的立柱，可前後作Y向運動；而安裝在立柱上的裝刀主軸箱，則可上下作X向運動。該裝刀主軸還具有B軸回轉動能，能作-30°∼ +115°連續回轉。
其加工過程為，當棒料從左面的正主軸通孔傳入後，機床就對零件的端部進行加工，加工完畢後就由副主軸沿W軸伸過去接工件第二次夾緊，隨後兩根主軸一起同步回轉。
當割刀將零件一切為二後，就對夾在副主軸上的工件尾部車銑加工，待副主軸上的零件全部加工結束，夾頭鬆開將工件卸下。接下來機床又對正主軸上的零件端部切削，新一輪加工就這樣周而復始地進行下去。
機床配備電主軸，銑主軸轉速為30000rpm，功率5/9kW，兩根車主軸轉速均為5500rpm，功率7.5/15kW，機床的進給速度為50m/min，由直線電機驅動，加速度1.2g。
2. 瑞士Wellimin-Macodal
瑞士威力銘-馬科黛爾（Wellimin-Macodal）公司展出的508MT八軸銑車複合加工中心，是該公司在中國首次推出的棒料全自動高效機床（圖8）。
圖8 Wellimin-Macodal的棒料全自動高效機床
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這台機床有兩項專利技術值得關注。機床右側的副主軸，是個可繞Y軸回轉的多功能塔座，中間是副主軸，左邊是自動定心虎鉗，右邊是尾架。副主軸可接正主軸傳來的棒料後將其夾緊，隨後繼續加工；液壓自定心虎鉗將是專為工件做第六面加工的；尾架是當加工細長軸零件時，由頂尖插進工件的中心孔，以防加工時撓曲變形。這種三工位塔座使得機床工藝適應範圍更廣，同時也增強了剛性。
這個塔座還具備U軸功能，縱向正常工作進給是立柱沿X軸完成，但塔座的定位、接料、退位等就由U軸完成。所以這是一種快速、穩定的進給新方式，旨在提高零件的加工精度。
508MT還帶有一個螺紋旋削加工裝置，可安裝在銑主軸錐面上，就像滾齒機那樣加工。外螺紋刀放置於零件的非中心點，它環繞工件高速旋轉，而工件則反向低速旋轉。螺旋升角由銑頭B軸回轉而成，螺紋切深由數控系統徑向插補而成。
機床銑主軸轉速達30000rpm，功率10kW；兩根車主軸6000rpm；XYZ三向行程450×200 ×424mm，U軸行程300mm。
結構佈局日新月異
創新推動着機床的不斷發展。當今機床的加工方式，已不再局限於金切、成形以及電加工等方式，激光、水刀、超聲波振動等新的加工理念，與時俱進不斷挑戰傳統的加工理念。
1. 安徽鴻慶精機
就加工中心的結構而言，也是日新月異變化不斷。安徽鴻慶精機（DANY）展出的一台“臥龍式”加工中心（圖9），將龍門式立加和臥式加工中心結合在一起，機床前部安裝龍門框架，立銑頭在橫樑上移動，機床後部就是臥式銑頭，回轉工作臺在這兩者之間前後運動。
圖9 安徽鴻慶精機展示的臥龍式加工中心
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龍門橫樑上的銑頭負責工件的頂面加工，而臥加銑頭則通過轉臺對工件的四個側面進行加工，所以稱得上是一台創新設計的五面加工中心。
2. 日本森精機
日本森精機(MORI SEIKI)喜歡不斷推出加工中心的新理念，譬如說重心驅動，他們認為假想通過用兩根滾珠絲杆來驅動物體的重心，就能抑制運動部件因加速和減速時所產生的振動，從而達到高速、高精度加工。
所以他們的臥加採用箱中箱結構Box in box，即運動箱在立柱的上、下兩根導軌間左右運動，而主軸箱又在運動箱左右兩根導軌之間作上下運動，這樣就能使移動物體的重心在運動時能達到較好的平衡。
森精機最近推出的臥加台中台結構Table in table，也有其獨到之處。所謂台中台，即在B軸回轉工作臺中配置C軸工作臺，與傳統的可傾式轉臺不同的是，它的B軸回轉是裝在耳軸之中，故而剛性好。
同時森精機的轉臺是採用DDM馬達直接驅動方式，由於不經過齒輪，可直接將驅動力傳至回轉軸，這樣既提高傳動效率，也消除了反向間隙，回轉精度可達到2μ。
其他機床展品介紹
友嘉實業（FEELER）展出的X-700R三聯杆機構（圖10），也是一台創新的並聯機床。
圖10 友嘉實業的X-700R三聯杆機構
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該展品佈局為立柱正面伸出三角形狀的聯杆機構，上面兩根下面一根，依靠這三杆擺動，加上銑頭的兩軸回轉，能對工件的任何部位進行加工，以克服傳統機床的自由度限制。機床主傳動功率4.9kW，XYZ三向行程700 × 700× 700mm，主軸轉速18000rpm，加速度可達3g。
瑞士AgieCharmilles的立加HPM 800U，其回轉台也是設計成A+C複合方式，但轉臺有四種形式可選。轉臺驅動也是由馬達直驅，並帶有水冷裝置，A軸兩側和C軸配有夾緊裝置。回轉台A軸擺角121°，C軸回轉360°，聯動轉臺承重500kg。
工業機器人
工業機器人在機床上的應用，也是當今機床發展的一大趨勢，在歐、美、日等許多24小時無人化工廠內，工業機器人已起到了主角作用。
這次日本FANUC、日本DENSO等公司在展會上詳盡地展示了此項技術，機器人不僅僅起到物流搬運作用，甚至還可進行切削加工。
德國DMG在展會期間的新聞發佈會上介紹了其將工業機器人技術在機床上的創新應用，這種機器人有6-7軸運動關節，可直接在機床上做抓取工件的各種動作（圖11 ）。
圖11 擁有6-7軸運動關節的DMG工業機器人
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綜述
誕生於上世紀60年代的加工中心，經過40多年的發展，而今已成為工作母機的關鍵機型。綜上所述，當今加工中心的發展趨勢，是朝着高速、高效、高精度以及柔性化、複合化、宜人化等方向邁進。
然而，綜觀國產的加工中心，雖然在高速、高效、高精度等方面有了很多長進，質量亦得到很大提高，但技術自主創新還顯得很不夠。任重道遠，要根本改變中國機床的面目，非得在技術創新上下苦功夫。我們期盼，在今後的國際機床大展上，能見到更多“中國創造”的加工中心。 ■
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