復雜箱體精密復合鏜銑加工中心國內外研究現狀
國內外研究現狀世界機床技術的發展可概括為三個階段：（1) 1769?1930年小批量制造用 的普通機床；（2) 1930?1952年大批量制造用的自動化機床；（3)自1952年至 今的多品種、大批量、柔性制造用的精工機床，機床已經成為人類發展需要的不 可缺少的重要生產工具。自二十世紀五十年代末，機械制造的生產過程發生了巨大變化，由傳統的普 通機床以及組合機床所構成的加工生產線，慢慢的發展到以加工中心和精工機床（CNC)所構成的柔性制造系統，實現了多品種、大批量的柔性自動 化生產，機床技術在經歷三十多年的發展和應用以后，部分工業發達國家的精工 機床使用率占整個機床的80%左右。然而，加工中心已經成為現代化車間的基本 制造單元，其使得自動換刀、空行程等速度加快，也提高了生產過程的連續性， 高性能的加工中心不但成倍的提高機床的加工效率，而且進一步的改善了加工零 件的表面質量和精度[3_5]。因此，這一先進制造技術的出現，使得各國的工業制造 界和學術研究界對此高度重視，綜合分析機床技術的發展歷史，可以得到現今高性能加工中心所包括的技術框架如圖對于鏜銑床的研發與應用，國內外已經生產出多款高中檔的鏜銑加工中心，例如我國沈陽機床集團在2003年首批生產出具有國內外領先技術的鏜銑加工中心HMC50h如圖1.2所示，HMC50h加工中心是國內高檔加工中心的典型代表，HMC50h的主軸特性、換刀系統、刀具管理、系統控制等技術均達到國內外領先水平。國內江蘇新瑞機床廠也陸續開發出了大型落地鏜銑床TH6916如圖1.3所示，TH6916是面向大型、重型的箱體類零件的鏜銑加工，以及對復雜曲面和深孔螺紋的加工[6]。除此之外，大連機床廠所生產的IA5F12UE鏜銑機床，IA5F12UE是單立柱單工作臺臥式的加工中心，IA5F12UE的X軸行程為3200mm，Y、Z軸的行程均為1200mm，IA5F12UE加工中心解決了大型零件長表面特征鏜銑加工難題。國外典型的鏜銑加工中心中，例如德國德瑪吉（DMG)公司所生產的臥式銑鏜中心DMC75HCdh，DMC75HCdh的主體結構是單立柱單工作臺的臥式結構，主要的特點是擁有高的進給速度，如圖1.4所示。馬扎克公司（MAZAK)在中國的 獨資小巨人所開發出的VTC160AN镋銑加工中心是一款小型镋銑加工中心， VTC160AN主體結構是單立柱雙工作臺的立式加工中心，如圖1.5所示。圖1.4德瑪吉DMC75HCdh圖1.5小巨人VTC160ANFig. 1.4 DMG DMC75HCdhFig. 1.5 Xiaojuren machine TH6916上述所介紹的鏜銑加工中心多數是鏜銑的功能性復合與工藝的復合性相結 合，這些加工中心集結了先進的機床技術，表1.1為幾款國內外典型鏜銑加工中心 產品的技術參數與結構形式。1.2.1加工中心整體布局與主要功能部件結構設計綜述新世紀以來，隨著世界機床技術的快速發展，機床的切削加工水平已經提升 到了一個全新的高度，所以高性能的加工中心不但要向著高速、高精密、高穩定 性的方向發展，更要向復合化的大方向發展與應用，這樣可以大大的提高機床的 工作效率。在傳統的零件加工過程中，為了盡可能的降低由于機床換刀、上下料、 重新換位裝夾、找正等輔助動作所浪費的時間，把不同的工序安排在同一個機床 上來完成是機床發展的需要，因此復合化的機床已經成為近年來機床技術的發展 方向。NT系列車銑復合加工中心復合結構是將車削部分選用水平的床身方式布置， 為了降低由床身的受熱變形所導致的誤差，把副主軸和刀具設計在同一平面上。 口本的森精機NT系列車銑復合加工中心的基本構造如圖1.6所示。圖1.6森精機NT系列高精高效車銑復合加工中心的基本構造Fig. 1.6 The basic structure of the Mori Seiki NT-series high precision and efficient turning millingmachining center由圖1.6可知，口本的森精機NT系列高精、高效車銑復合加工中心是一款典 型的復合式加工中心，其是將NL系列車床和NH系列加工中心有機的結合成為 NT系列車銑復合加工中心，復合式加工中心集結了兩種系列機床的重要優點。其 中NL系列車床具有較高的靜剛度床身，又因為床身的平頭特殊構造，使得床身在 受到較大沖擊時仍然能具有很好的穩定性；NH系列加工中心主軸箱是采用對稱驅 動的形式，具有較好的整體剛性，最為核心技術是基于重心驅動原理的雙絲杠進 給系統大大的提高了進給特性。精密復合化加工中心的產生，使得工件的小批量、變批量、多品種制造生產 變得相對容易和經濟實惠，不用為了實現零件復雜特征的制造而特需專用機床， 因此復合化機床的通用性是極高的。復合化機床在加工過程中降低了工件裝夾次 數，降低了由于重復定位所帶來的誤差，縮減了工件生產周期。國外對復合機床的開發主要有車銑復合加工中心、鏜銑復合加工中心、多主 軸復合加工中心等；國內的復合式機床主要是以功能復合為主的車和銑相結合， 然而其在機床的結構方面，多主軸、多刀架的結構很少見。精工鏜銑加工中心是 建立在精工銑床和精工鏜床的發展之上逐步形成的多工藝同步加工技術機床，復 合化的加工中心與傳統的普通機床相比較具有如下優點[7]:(1)工件只需一次定位夾緊，充分保障了工件高精度、高質量的加工要求。(2)復合式機床可以實現多工序同步加工，有效的降低加工成本，提高終端產品的經濟性。(3)復合式機床的加工技術提高了機床的生產效率。1.2.2加工中心主軸滑枕撓度誤差補償綜述鏜銑機床的主軸滑枕撓度誤差補償分析是鏜銑機床在研發過程中的關鍵難 點，因此，在精密復合式鏜銑加工中心的結構設計中，主軸滑枕撓度變形分析及 補償方法是一個急需重點研究的方向。隨著機床技術的發展，對于主軸滑枕撓度 補償的研究，其補償方法及補償結構已經得到了有效的驗證。基于滑枕撓度補償這一問題研究可知，國內的很多研究人員一直在從事大型 鏜銑床主軸滑枕變形分析與誤差補償技術的研究，例如XK7721型精工臥式銑床， 其是國內最具代表性的鏜銑機床，是由齊齊哈爾第二機床廠所生產的，XK7721 主軸總成及滑枕的外觀如圖1.7所示。圖1.7XK7721型精工臥式銑床主軸滑枕外觀Fig. 1.7 XK7721 type horizontal CNC milling machine spindle ram appearance除此之外，綜合分析國內外對主軸滑枕的變形補償研究得出，目前國內外對 滑枕撓曲變形的補償措施主要采用機械式修正法和精工軟件修正法補償，但這些 措施對滑枕的非線性變形改善效果卻不理想。文獻[8]提出一種采用預應力撓曲變 形的結構設計，將滑枕因自重變形超出理想形狀的那部分材料去除掉，從而使滑 枕在行程中處于平直狀態，該方法能夠得到一定的補償效果，但沒有考慮到因更 換刀具時由裝刀部件重量變化引起的變形量改變，以及對滑枕本身的加工與裝配 要求較高。文獻[9, 10]提出一種通過機床的精工系統實現滑枕的撓曲變形補償方 法，該方法利用精工系統通過控制Y軸上升相應的位移來實現誤差補償，但它僅 補償因重力引起的撓度，并未補償滑枕的彎曲變形。文獻[11]提出一種電液比例控 制法對滑枕撓曲變形進行補償，取得了一定的補償效果，但該法需要準確的把握 滑枕的各個階段的變形函數，對于快速移動的滑枕會出現響應滯后的現象。文獻 [12-15]提出一種滑枕分段補償法，該法在滑枕的前半部安裝推桿，在滑枕的后半 部安裝拉桿，雖然能夠很好地補償主軸滑枕的角度擺動誤差，但補償的控制過程 是很難實現的。1.2.3加工中心大型床身結構設計及優化分析綜述隨著電子計算機技術的快速發展，基于計算機的有限元設計、優化等方法得 到了逐漸的完善，商用大型分析軟件的進一步成熟及其應用的增多，使得機械設 計逐漸擺脫了傳統的基于經驗類比設計和靜態設計，開始向現代設計轉變。這就 使得在應用不同分析軟件的同時，各種現代設計、優化方法不斷涌現。對于機床 結構的設計而言，國內也正在逐步由傳統設計向現代設計過渡。過渡過程中，在 一些機床龍頭企業逐漸形成了一套使用范圍較廣的適合于我國現狀的設計分析流 程方法[16，17]，其步驟為：根據設計的要求和任務進行半經驗半理論傳統設計，在 此基礎上完成三維CAD繪圖，然后對初步設計進行基于大型商用軟件的CAE分析，進而根據分析得出的靜動態特性結果進行再設計、再優化；如此反復，直至 性能達到要求，最后進行制造，設計流程如圖1.8所示。床身是機床的基礎大件之一，是機床其他附件的主要支承體，且為機床的主 要基準，因此，床身的特性將直接影響到機床的加工精度。為了能滿足機床的高 性能技術要求，對床身的結構設計以及優化分析是相a重要的。在結構的設計方 面，需要設計出具有良好的靜剛度及動態性能床身結構，從而使機床具備高的抗 振性和穩定性。國內外對于床身的設計研究使得本課題在研究其床身方面得到了 很多借鑒，例如文獻[18，19]對TH5663型精工加工中心的床身借助有限元軟件對 結構進行了優化分析，得出床身內部筋板的分布型式對該床身的動、靜態特性的 影響方式；文獻[20]主要是對床身結構進行優化分析，首先對原有的床身結構進行 有限元的靜剛度分析，得到床身的靜剛度的薄弱之處，然后針對床身的結構提出 了幾種改良方案，針對幾種改良后的結構方案進行有限元的動態靈敏度分析，最 后選出改良后的結構方案；文獻[21]提出一種先進的優化理念一 “ESO方法”，首 先是對床身進行靜動態分析，其次再運用漸進結構的優化方法對床身進行拓撲優 化；文獻[22]提出一種邊建模邊分析的設計理念，是針對某一磨床進行研究設計， 深入的分析了變化床身內部筋板的分布方式對床身的靜動態特性的影響，并得出 了靜動態特性的改變方式。