朱立平| 加工中心制造技术，历来是CIMT展会的重头戏，也聚集了无数热切关注的眼光。本文从专家角度一一呈现了其中包括国产品在内的富有代表性的加工中心，剖析了当今加工中心正朝着高速、高效、高精度以及柔性化、复合化、宜人化等方向迈进。进一步引申开来，对於中国机床行业的发展，文中在表达兴奋之情的同时，也做出了冷静的思考。 |
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於4月6日至11日在北京举行的第十一届中国国际机床展览会（CIMT 2009），可以看成是一届机床的国际奥林匹克盛会。加工中心制造技术历来是展会的重头戏，如果我们仔细分析这次展出的200多台加工中心的话，就不难总结出它的一些发展趋势。
国产龙门机床扬眉吐气
对制造业来说，极端制造是最困难的，也就是大型、精密机床最难制造。国产龙门五面体加工中心，原来一直是软肋，可这次展出了13台之多，而且质量明显跃上新台阶。
1. 宁波海天精工
不仅渖阳机床、大连机床、武重有新品种展出，原来名不见经传的宁波海天精工，一下子就展出了两台龙门机床。其中，HTM-2150i高速龙门铣削中心，主轴转速可达20000rpm。
另一台HTM-35GE重型龙门五面加工中心（图1），滑鞍副采用500×500mm大截面方滑枕结构，滑枕导轨全包容四面约束，故整套系统刚性较强；床身与工作台采用静压导轨，齿轮齿条副双交流伺服电机传动，工作台面积为2000×8000mm。
图1 HTM-35GE重型龙门五面加工中心
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该企业还推出龙门动梁、动柱式高速、五联动五面加工中心等，为重点工程项目提供大型工艺装备。
2. 大连机床
大连机床展出的VX32-60桥式龙门加工中心，在现场演示了铣头交换技术。该机床的横梁左端下部有一换头装置，内装一块滑枕端盖与一个卧式铣头。
当端盖换到主轴箱上後，机械手就把选中的刀具插入端盖之中，以对零件的顶部进行加工；待工件顶部的所有工步完成後，就把刀取下，把端盖放回换头装置，继而将卧式铣头取出并装在主轴箱上，随後对工件的四侧进行加工，龙门五面加工的动作大体就这样完成了。
宜人化设计倍受关注
1. 德国DMG公司
德国DMG公司这次展出了25台数控机床，是国外展商中规模最大的。
这家世界上每年新产品开发得最多的机床制造商，展出加工中心品种琳琅满目，有多轴联动加工中心（包括铣头两联动和工作台两联动）、立柱移动式及工作台移动式、立柱与床身分体式（duoBLOCK）及立柱与床身铸成一体式（monoBLOCK）等等，而他们每台机床的人性化设计，都给观众留下了深刻印象。
图2 DMU 210 P五轴联动加工中心 |
最具代表的是该公司展出的DMU 210 P五轴联动加工中心（图2），它的造型设计采用大视窗、大空间—这是一种国际新潮流，日本马扎克（MAZAK）公司也推崇这种理念，以方便操作工实施观察。
在DMU 210 P机床加工区内的工作灯，采用了一种叫planon的灯具，其照度明亮但光线柔和，不刺眼，可保护视力不受伤害。
该机床的悬式操作台，加装了一把专门钥匙smart-key，以防外人误操作；机床罩壳上则镶有一条霓虹灯，能以四种颜色显示不同的工作状态。
值得一提的是，机床的可移操作台用19英寸大屏幕显示，比通常的显示屏幕要大，这个操作台的视角可以调节而且下连一个可调的柔软坐椅等等，总之让操作者使用方便舒适，这种宜人化的工业造型设计，突出了以人为本的理念。
2. 德国Handtmann公司
同样，德国生产龙门加工中心的Handtmann公司展出的PBZ HD样机模型，将整个长形工作台，都笼罩在盒式罩壳之内，罩壳是一节节的，随工作台移动可伸长缩短，这样切屑和冷却液就不会接触到人，同时又保护了环境。
铣头技术不断改进
并联机床的诞生，使得机床设计理念又有了新提升。德国DS公司开发的Z3铣头，就是根据并联原理研制而成的，该铣头可钻到飞机的机翼 面进行加工。
然而并联铣头有其不足之处，一是Z向行程太短，二是B轴转摆范围小，因此必须开发一个较为理想的铣头来弥补它的不足。
图3 M3-ABC铣头 |
这次日本MAZAK公司展出的B+C两联动铣头及意大利breton公司的A+C两联动铣头很是受人关注，但德国兹默曼（Zimmermann）公司展示的M3-ABC三根轴都能一起联动的铣头（图3），无疑是更为引人注目的了。
以理论上来讲，五轴联动机床能加工任何零件，但假如B+C两联动铣头在作B轴回转切削後，突然要对零件的正面打个孔，那就必须将铣头从Z轴提起，并由C轴回转90°後，B轴再转到正面打孔，而如今有了三联动铣头，A轴可直接转下来加工了。
此外，如加工零件的顶面时，一旦直线轴坐标在高速切削时突然需要转变，那麽转角处也不需放慢速度或者停顿。
M3-ABC铣头的摆动范围比较大：A轴±110°，B轴±15°，C轴360°。该铣头A轴使用力矩电机，B、C轴采用伺服电机。
五轴联动琳琅满目
五轴联动加工中心也是每次机床展的重点之一，其结构形式多种多样，主要用於叶轮、叶片加工。目前我国华中数控、南京四开等数控制造企业都成功开发出五联动数控系统，北京机电院、江苏新瑞等也先後制造出中、高档的五轴联动加工中心，促使国外对华禁运限制被日益打破。
DMG公司是五联动加工中心品种最多的供应商，德国Hermle、意大利C.B.Ferrari等公司也都展示了加工叶轮、叶片的高效五轴加工中心技术；丰富多彩的龙门五联动加工中心展品也各显其长。
1. 德国Hermle公司
专业生产五联动加工中心的德国哈默(Hermle)，为达到机床的高精度及高稳定性，他们设计理念是铣头决不摆动，故采取摇篮式转台A+C两轴联动（图4）。
图4 哈默特色的摇篮式转台A+C两轴联动
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为了最大程度利用有效的加工空间，哈默将转台设计成尽量往 摆的形式，这样Y轴的有效行程可达到最大。
他们这次展出的C20U及C30U结构为龙门框架结构，横梁由高架移动；A轴通过铸造床身上预留的左右两孔和床身成为一体，这样就保证了较强的刚性，由於采用整体铸造的人造大理石床身，故机床的抗振性与抗热变形性能较好，展机按VDI/DGQ3441标准，实测精度Tp值能达到μ级。
C30U机床XYZ三向行程为650×600×500mm，主传动功率10/15kW，扭矩87/130Nm，主轴转速18000rpm，工作台承重1000kg。
2. 瑞士Liechti公司
为了高效、精密地用五联动方式加工叶片、叶轮，工程师们绞尽脑汁在机床结构上不断改进。
瑞士starrag公司采用的是主轴头倾斜方式，而瑞士Liechti公司的mill 550更是采取整个立柱与工作台一起倾斜方式（图5）。
图5 Liechti公司的斜立柱 |
他们这样做，目的为了提高切削速度，因为加工叶片、叶轮时，X轴行程不会很长，但Z和Y轴运动频繁，立柱倾斜能使铣刀更快切至叶根深处，同时也为了让切削液更好地冲走切屑。
结构件取材不断更新
新工艺、新材料的创新应用，也是机床发展的重要内容之一。
机床各大部件选用高强度铸铁，历来是选型的一大共识，然而铸造工艺过於复杂，生产周期又长，并且铸件缩孔、砂眼以及材质疏松等缺陷会严重影响工件质量，因此，新材料的选用始终是研发的热点课题。
在CIMT 2009展会上，瑞士GF阿奇夏米尔(AgieCharmilles)和德国哈默的加工中心，就选用人造花岗岩床身，也有些欧洲制造商开始采用钢板焊接件，但钢件中镶嵌人造花岗岩。
以制造巨型设备着称的意大利INNSE公司，这次重点推出钢板焊接件制造技术。构件内壁根据有限元计算布置筋板，这些钢构件也需经多次热处理，但并不镶嵌人造大理石。
图6 INNSE公司的ATLAS-3R动梁龙门加工中心
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展台上展示的ATLAS-3R动梁龙门加工中心（图6），除床身为铸件外，横梁、立柱、工作台等全都采用钢材焊接件，机床龙门宽度6.2m，工作台面积5m×12m，台面承重200t，主传动功率150kW。
INNSE公司还用图片形式展出了一台FAF260数控落地镗铣床，其主传动功率137kW，工作台面积为6.5m×6.5m，能承重500t，方滑枕W向伸出长度为1800mm，其机床立柱也采用钢板焊接件，X、Y、V三向进给用静压蜗母条驱动，W、Z向用滚珠丝杆。该机床的镗铣头可选用A+C两联动，以满足零件的五轴联动加工。
复合加工争奇斗艳
打破工艺界限，机床的复合加工也是当今数控机床发展的一大趋势。
自90年代德国WFL公司发明车铣复合中心以来，日本MAZAK、韩国大宇（斗山）以及DMG等均不断有新款推出。我国的北京一机床、青海一机床、秦川发展等也相继推出车铣、铣车、铣磨等复合加工机床，这次北一、渖阳机床、大连机床以及陕西三丰、长沙金岭等都有产品展出。
渖阳机床展出的GTM500200龙门移动式车铣中心，是一台龙门框架移动式复合机床。工作台有两部分组成。外端是回转直径为φ4500mm的车削圆工作台，转速40r/min； 端是4500 × 7000mm的铣削工作台，承重15t。按不同工件的工艺要求，选择不同的工作台面。机床主传动功率52kW，刀库容量60把。
1. 瑞士BUMOTEC
棒材的车铣复合六面加工，是当今医疗器材行业及航天航空领域所急需的工艺装备，在这次展会中也很吸引观众。但这种加工方式，工件装夹需要两次，一般由正副两根车削主轴相辅而成的。瑞士宝美技术公司BUMOTEC展出的S-191Linear车、铣、插、磨复合中心，堪称加工棒料六面体零件的高效机床（图7）。
图7 BUMOTEC展出的S-191Linear复合加工中心
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机床的布局为紧凑型斜床身结构，床身材料为整体高强度抗振铸铁。卧式安置的两根车床主轴相对装於床身的正面，左面是固定的正主轴，右侧为副主轴，它可沿45°斜面进行立卧转换，这两根正副车主轴均具有C轴回转功能，同时副主轴又可沿床身左右运动，为了将其区分於Z轴运动，故把它命名为W轴运动。
床身的斜面上安装一个滑台，滑台沿床身导轨作左右Z向直线运动；安置在滑台上的立柱，可前後作Y向运动；而安装在立柱上的装刀主轴箱，则可上下作X向运动。该装刀主轴还具有B轴回转动能，能作-30°∼ +115°连续回转。
其加工过程为，当棒料从左面的正主轴通孔传入後，机床就对零件的端部进行加工，加工完毕後就由副主轴沿W轴伸过去接工件第二次夹紧，随後两根主轴一起同步回转。
当割刀将零件一切为二後，就对夹在副主轴上的工件尾部车铣加工，待副主轴上的零件全部加工结束，夹头松开将工件卸下。接下来机床又对正主轴上的零件端部切削，新一轮加工就这样周而复始地进行下去。
机床配备电主轴，铣主轴转速为30000rpm，功率5/9kW，两根车主轴转速均为5500rpm，功率7.5/15kW，机床的进给速度为50m/min，由直线电机驱动，加速度1.2g。
2. 瑞士Wellimin-Macodal
瑞士威力铭-马科黛尔（Wellimin-Macodal）公司展出的508MT八轴铣车复合加工中心，是该公司在中国首次推出的棒料全自动高效机床（图8）。
图8 Wellimin-Macodal的棒料全自动高效机床
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这台机床有两项专利技术值得关注。机床右侧的副主轴，是个可绕Y轴回转的多功能塔座，中间是副主轴，左边是自动定心虎钳，右边是尾架。副主轴可接正主轴传来的棒料後将其夹紧，随後继续加工；液压自定心虎钳将是专为工件做第六面加工的；尾架是当加工细长轴零件时，由顶尖插进工件的中心孔，以防加工时挠曲变形。这种三工位塔座使得机床工艺适应范围更广，同时也增强了刚性。
这个塔座还具备U轴功能，纵向正常工作进给是立柱沿X轴完成，但塔座的定位、接料、退位等就由U轴完成。所以这是一种快速、稳定的进给新方式，旨在提高零件的加工精度。
508MT还带有一个螺纹旋削加工装置，可安装在铣主轴锥面上，就像滚齿机那样加工。外螺纹刀放置於零件的非中心点，它环绕工件高速旋转，而工件则反向低速旋转。螺旋升角由铣头B轴回转而成，螺纹切深由数控系统径向插补而成。
机床铣主轴转速达30000rpm，功率10kW；两根车主轴6000rpm；XYZ三向行程450×200 ×424mm，U轴行程300mm。
结构布局日新月异
创新推动着机床的不断发展。当今机床的加工方式，已不再局限於金切、成形以及电加工等方式，激光、水刀、超声波振动等新的加工理念，与时俱进不断挑战传统的加工理念。
1. 安徽鸿庆精机
就加工中心的结构而言，也是日新月异变化不断。安徽鸿庆精机（DANY）展出的一台“卧龙式”加工中心（图9），将龙门式立加和卧式加工中心结合在一起，机床前部安装龙门框架，立铣头在横梁上移动，机床後部就是卧式铣头，回转工作台在这两者之间前後运动。
图9 安徽鸿庆精机展示的卧龙式加工中心
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龙门横梁上的铣头负责工件的顶面加工，而卧加铣头则通过转台对工件的四个侧面进行加工，所以称得上是一台创新设计的五面加工中心。
2. 日本森精机
日本森精机(MORI SEIKI)喜欢不断推出加工中心的新理念，譬如说重心驱动，他们认为假想通过用两根滚珠丝杆来驱动物体的重心，就能抑制运动部件因加速和减速时所产生的振动，从而达到高速、高精度加工。
所以他们的卧加采用箱中箱结构Box in box，即运动箱在立柱的上、下两根导轨间左右运动，而主轴箱又在运动箱左右两根导轨之间作上下运动，这样就能使移动物体的重心在运动时能达到较好的平衡。
森精机最近推出的卧加台中台结构Table in table，也有其独到之处。所谓台中台，即在B轴回转工作台中配置C轴工作台，与传统的可倾式转台不同的是，它的B轴回转是装在耳轴之中，故而刚性好。
同时森精机的转台是采用DDM马达直接驱动方式，由於不经过齿轮，可直接将驱动力传至回转轴，这样既提高传动效率，也消除了反向间隙，回转精度可达到2μ。
其他机床展品介绍
友嘉实业（FEELER）展出的X-700R三联杆机构（图10），也是一台创新的并联机床。
图10 友嘉实业的X-700R三联杆机构
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该展品布局为立柱正面伸出三角形状的联杆机构，上面两根下面一根，依靠这三杆摆动，加上铣头的两轴回转，能对工件的任何部位进行加工，以克服传统机床的自由度限制。机床主传动功率4.9kW，XYZ三向行程700 × 700× 700mm，主轴转速18000rpm，加速度可达3g。
瑞士AgieCharmilles的立加HPM 800U，其回转台也是设计成A+C复合方式，但转台有四种形式可选。转台驱动也是由马达直驱，并带有水冷装置，A轴两侧和C轴配有夹紧装置。回转台A轴摆角121°，C轴回转360°，联动转台承重500kg。
工业机器人
工业机器人在机床上的应用，也是当今机床发展的一大趋势，在欧、美、日等许多24小时无人化工厂内，工业机器人已起到了主角作用。
这次日本FANUC、日本DENSO等公司在展会上详尽地展示了此项技术，机器人不仅仅起到物流搬运作用，甚至还可进行切削加工。
德国DMG在展会期间的新闻发布会上介绍了其将工业机器人技术在机床上的创新应用，这种机器人有6-7轴运动关节，可直接在机床上做抓取工件的各种动作（图11 ）。
图11 拥有6-7轴运动关节的DMG工业机器人
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综述
诞生於上世纪60年代的加工中心，经过40多年的发展，而今已成为工作母机的关键机型。综上所述，当今加工中心的发展趋势，是朝着高速、高效、高精度以及柔性化、复合化、宜人化等方向迈进。
然而，综观国产的加工中心，虽然在高速、高效、高精度等方面有了很多长进，质量亦得到很大提高，但技术自主创新还显得很不够。任重道远，要根本改变中国机床的面目，非得在技术创新上下苦功夫。我们期盼，在今後的国际机床大展上，能见到更多“中国创造”的加工中心。 ■
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