2017年5月23日

車銑加工中心的研究概述

1.2.1車銑加工中心的研究概述目前高檔精工機床正向著髙速度、高精度、髙效率、復合化、智能化的方向發展。在世界機床制造和機械加工領域，復合加工.技術正以其獨特的魅力被逐漸認識并應用于實踐中，尤其近幾年，復合加工技術以較快的速度向前發展。復合加工是一種先進的制造技術，其中車銑復合加工是最流行的加工工藝之一，可以把幾種不同的加工工藝在一臺機床上實現。工序復合和工種復合是機床集成制造技術發展的基本點，而追求在一次裝卡下完成零件的全部加工，是制造技術發展的趨勢之一。車銑加工中心不但可以縮短加工時間，提高加工.精度，而且縮短生產周期，實現零庫存，最終提高整體生產效率。今天用戶對車銑復合加工技術的需求是以動態多變的市場經濟環境和個性化產品的社會需求為基礎的，而生產條件則是小批最、多品種，甚至是單件生產所推動的。航空、航天等軍工領域經常出現小批量、高強度材料制成的髙精度復雜零件，對于這些零件，所涉及工藝需要采用多種加工方法，涉及的機床種類繁多，配套工藝夾具設汁生產困難，產品生產周期長，質量也難以有效控制；而車銑復合加工技術正好解決這樣的問題，設計機床時可以盡量考慮能適用于各種復雜的工件形狀，在一次裝卡下盡可能全部完成所有的加工工序，因此產生了車銑復合加工中心這種新機型[1’9]。這種新的加工理念和新機型在一些特殊零件的加工中，以其不可替代的優勢被越來越多的行業所接受，如今已廣泛應用于航空、航天、船舶、核工業以及一些民用工業領域中小批量、高精度、形狀復雜的回轉體零件的加工。例如:航天工業中導彈的引芯、起爆殼體以及模擬試具;航空工業中各種飛機的發動機主軸、起落架、各種泵體、精密插接零件，變螺距變導程的復雜零件（圖1.2)，核工業中的各類泵、發動機，船舶工業中的柴油機曲軸、發動機活塞、柄、分離機分離轂、印刷行業印滾、螺旋葉片（圖1.3)等的加工。從上述適用范圍可以看到車銑加工中心主要用于加工形狀復雜、精度要求高、批量較小的異形冋轉體零件，這些零件的加工往往是在車削的基礎上還附加銑、鉆、鏜、攻絲等多種加工方法，有些還附加有深孔鉆、滾齒、插齒、銑螺紋、銑復雜的空間曲面等。使用車銑加工這些零件，既省時省力又易于保證零件的加工精度。 1.車銑復合加工的特點隨著零件復雜性要求的增加，同時制造業對加工效率的要求越來越高，車銑工藝有很多用武之地，因為它不僅能加n復雜的形狀，而且能通過一次裝卡完成零件加工。車銑復合加工技術包括兩方面含義。 (1)車銑技術。車銑是利用銑刀和工_件旋轉的合成運動來實現對工件的切削加工，使工件在形狀精度、位置稍度、表面粗糙度及殘余應力等多方面達到使用要求的一種先進切削加工方法。它不是車削與銑削的簡單結合，而是在當今精工技術得到較大發展的條件下產生的一種高新切削技術，利用車銑合成運動來完成各類表面的加工。車銑技術完全不同于普通意義上的車、銑功能的簡單疊加，而是車、銑兩個主軸運動合成的結果，是在當今精工技術得到較大發展的條件下產生的一種高新切削技術[12]。它完全摒棄了傳統的車削加工原理和部分車削功能部件（如車刀和車刀架等），增加了車削主軸功能——實現c軸功能和動力刀架b軸（銑刀主軸）功能。加工.刀具用銑刀代替r車刀，即以銑代車。 (2)復合加工技術，是機械加工領域目前國際上最流行的加工工藝之一。復合加工就是把幾種不同的加工工藝，在一臺機床上實現。復合加工應用最廣泛的就是車、洗復合加丄，其相當于一臺精工車床和一臺加工中心的復合，可以使r_件在一次裝夾中完成車、銑、鉆、鏜等不同方法的加工。由于車銑復合加工中心具有上述特點，深受用戶的青睞，吸引了眾多機床制造商研究幵發，Fi前復合加工機床已占到精工機床的約20%。隨著多品種、中小批量生產需求的增加和復合加丄機床自身技術的發展，該類機床的需求量將會大大增加，在未來幾年，該類機床將可能占到精工機床的50%?60% ^3]。車銑加工包括銑刀旋轉、工件旋轉、銑刀軸向進給和徑向進給四個基本運動。車銑切削速度由銑刀旋轉速度和工件速度共同決定，其中銑刀旋轉是主切削運動，特別是在高速、超髙速車銑加工中，工件旋轉速度對切削速度的影響可以被忽略。切削的進給速度由1：件旋轉速度、銑刀軸向進給速度和徑向迸給速度三個基本速度共同決定，其中工件旋轉速度對進給的影響遠大于其他兩個基本速度。銑刀的直線進給運動根據不同加工的需要可采用軸向進給（如加工軸類零件）或徑向進給（如加工盤類零件）運動，也可同時采用軸向進給和徑向進給（如加工.錐體零件）運動。車銑加工依據工件旋轉軸線與刀具旋轉軸線相對位置的不同，車銑加工主要可分為軸向車銑、正交車銑以及一般車銑。根據刃具軸線與工件軸線的空間最小距離分為無偏心、上偏心和下偏心3種情況。依據工件和刀具旋轉相對方向的不同，他們又都可分為順銑和逆銑兩種不同的形式，其中軸向車銑和正交車銑是應用范圍最廣泛的兩類車銑加工方法，它們分別具有各自的特點及局限性[~。如圖1.4(a)所示為正交車銑，由于銑刀與工件的旋轉軸線相互垂直，它不能對內孔進行加工，但在加工外圓表面時由于銑刀的縱向行程不受限制，且可以采用較大的縱向進給，因此在加工外圓表面時其效率較高，同時也是目前應用最為廣泛的加工方式。如圖1.4(b)所示為軸向車銑，由于銑刀與工件的旋轉軸線相互平行，它不但可以加工外圓表面，也可以加工內孔表面。但由于他們的旋轉軸線相互平行，銑刀直徑小于其主軸箱體徑向尺寸時，就限制了銑刀的縱向行程，在這種情況下不適宜用軸向車銑加工，尤其是軸向行程較長的外圓表面或較深的內孔表面。車銑加n與其他傳統切削方法一樣，車銑技術并不是適用于所有零件的切削加工，它只有在一些特定條件下才能充分發揮它的優點。具有如下主要優點： (1)采用車銑加工中，一次裝卡工件，不需更換機床，可以完成很多道工序，因此減小工件的安裝定位次數，從而可減小其安裝定位誤差，有利于提高工件的加工精度。 (2)減小工序的工裝夾具件數，從而可減小工裝的準備時間及成本。 (3)減小因工序轉換所需的等待、上下料及裝夾等輔助時間，提高了生產率。 (4)不僅可以使加工系統所需的機床臺數減少，而且由亍加工過程的集約化，使物流系統縮短，從而可以大大減少加工系統的占地面積。 (5)車刀通常不能很好地用于間斷切削，而使用銑刀則能達到間斷切削，這樣可以使刀具有充足的冷卻時間。 (6)由于切削速度是由工件和刀具的回轉速度共同合成，因此工件不需要高速旋轉也能實現高速切削。一種加工方法的優劣取決于加工精度和加工效率，車銑加工正體現這些優點[12^4]。 2.車銑加工中心國內外研究現狀 1)國外車銑加工中心研究現狀車銑加工的生產和發展與生產實踐是分不開的，1955年德國的H.Weher總結了大量的實際生產經驗，在《生產技術》上發表了《用硬質合金刀具銑削圓柱表面》一文，詳細介紹了銑削圓柱表面時進給量、切削速度等主要參數的選用，并對已加工的表面精度進行了詳細研究。該文獻對后來車銑技術的研究產生了重要的影響，它介紹的用銑刀加工圓柱表面的方法，就是車銑技術的一種基本方法——軸向車銑的早期萌芽。1983年德國的K. R Sorge在他的博L?論文《車銑技術》中系統地研究了車銑技術的另一種基本加工方法——正交車銑，對正交車銑的運動原理、已加工件的表面精度、切削力、切削速度等迸行了開拓性的研究工作…]。1984年，德國的H.J. Wedeniwski[ll]在他的博士論文中研究了在車銑軸向進給加工運動原理及兒何形狀誤差分析。1990 年，C[KP會員Schulz[9]等人提出車銑加工.技術，為了滿足高生產率和高質量這兩大目標而發展起來的一種先進的制造技術。1994年,H Schulz等人利用車銑加工和車削加工硬質材料進行對比分析。 1997年J. K叩ac和M. P〇gaCnik[?對車銑加工表面質量理論與應用進行了研究。2000年,M. Pogacnik和j. Kopac[l6^過參數優化對車銑加工的動態穩定性進行研究。2000年，S. K. Chmi(1hUry[17]等人對正交車銑加工回轉工件進行詳細分析與研究。2005年，印度的 S. K. Choudhuiy和J. B. Bajpai⑴兩位學者對正交車銑如何獲得完好的表面質量進行了分析研究。2007年和2008年土耳其的V. Savas[l8]* 別利用立銑刀對軸向車銑加工表面粗糙度分析和利用遺傳算法對軸向車銑加工表面粗糙度優化。2008年，克羅地亞S. Skoric1193對旋轉表面加工的可行性進行研究，利用正交車銑加工技術對工件圓周表面加工可行性進行了詳細分析。從車銑加工中心產品角度講，在20世紀80年代，奧地利的林茨機床公司（WFL)率先提出全工序加工的新概念——即在一次裝卡中，完成工.件的所有車、銑、鉆、鏜等工序，也就是用一臺設備完成從毛坯到成品的全部加工。在大規格產品上，以奧地利WFL公司開發較早，技術水平也領先。在20世紀90年代國外研發出高性能精工車銑復合加工中心。進入21世紀，將九軸五聯動雙主軸雙刀架的車銑加工中心已較成熟地推向市場。隨著精工機床產品高薪技術功能部件的商品化，參與開發精工車銑加工中心機床的廠商增加很多，競爭加劇，使其產品向更高的技術水平和更廣泛的適應性發展。車銑復合加工中心根據生產的需要，有了快速的發展，為了滿足高精度回轉體零件一次裝卡完成精密切削而設計的五軸到九軸車銑復合加工中心，可以實現五軸聯動加工，如奧地利WFL公司、德國MAXMULLER公司、日本MAZAK公司等都有自己的產品，如圖1.5所示為奧地利WFL的M35-G，圖1.6所示為德國DMG的GMX2501inear車銑加工中心。目前，德國的Aachen工業大學和DarmsUdt 工業大學都設有專門從事車銑技術的研究中心。這兩個研究中心是德國11個重要的機械研究中心中的主要兩個，各類實驗用的機床、測試儀器及科研設備非常齊全，科研水平處于世界前列。在這兩個研究中心里，眾多科研人員在車銑加工原理、車銑運動學及動力學、車銑機床的動態特性、已加工件表面質量、不同材料的車銑工藝性、車銑加工中心的設計與測試以及CA丨)/CAM等多個領域內從事研究工作。尤其值得關注的是Darmstadl工業大學機床及生產工程研究所的H. Shultz教授將長期從事高速銑削技術的研究成果成功地與車銑技術相結合，開創了高速、超高速車銑新領域。這些研究成果支持德國機床工業制造出了商品化的CNC車銑中心[~。從最近幾屆德國漢諾威國際機床展上展出的精工車銑中心機床來看，其數景和品種逐年增多，精度逐年提高，有的甚至可以以車或銑代磨，充分展現出車銑中心機床向髙速、高效、高精及柔性化、智能化和模塊化方向發展；數控功能向專門化、開放式和智能型發展;機床性能與價格之比向有利于用戶方向發展的趨勢。2)國內車銑加工中心研究現狀從國內發表的文獻可知，國內開展車銑加工比較早的主要有沈陽理工大學的賈春德和姜增輝fl2]，西安理工大學劉軍山和黃玉美[21]等人。1998年和2001年姜增輝和賈春德等人分別對軸向車銑加工的運動學建模與表面粗糙度分析和正交工件理論粗糙度的計算模型，分析了主要工藝參數對工件理論粗糙度的影響。并通過實驗對工件的表面粗糙度進行了分析，證明了采用正交車銑完全可實現零件的粘:加工。2002年，姜增輝[25]等人給出了正交車銑運動的矢量方程和正交車銑切屑仿真的數學模型，闡述了切屑形狀的計算機仿真方法，并得到了不同工藝參數下切屑的仿真結果。2004年，王凡[26]等人研究了在正交車銑加工時，軸向進給tt、銑刀與工件轉速比以及偏心量等主要切削參數對被加工零件表面質量的影響，并對其運動軌跡進行了仿真。2004年，姜增輝^]等人通過數學方法對正交車銑已加工表面的形成機理進行了詳細的研究。通過對微觀圓度和側母線的研究，在空間=個維度上闡述了正交車銑工件表面的形成機理。2005年，姜增輝127]等對軸向車銑加工.的切屑進行仿真。通過運動的矢量仿真，給出了切肩仿真的數學模型，闡述了切屑形狀的計箅機仿真原理，并通過仿真得到了不同工藝參數P的切M形狀。2005年，金成哲等人在車銑加工中心上,分別采用硬質合金和TiN涂層硬質合金刀片，對鋁合金和不銹鋼工件進行了車銑加工的刀具磨損試驗，研究分析了車銑刀具的磨損和破損特征。2006年，姜增輝[33]等人以瞬時切削而積為主要研究對象建立了瞬時切削力的計算模型，并對瞬時切削力的變化進行了仿真。2007年，吉林大學的馬巖1341研究非軸對稱工.件車銑加工的切削力建模與仿真。2007年，黃樹濤[35]等人綜合考慮f刀具幾何參數、刀具與工件的相對運動以及切削用量對已加工表面軸向殘留面積高度的影響，建立了高速正交車銑已加工表面軸向殘留面積高度的理論計算模型和計算公式，并據此提出了已加工表面粗糙度理論值的計算方法。并提出理論軸向殘留面積高度是影響實際高速正交車銑已加工表面粗糙度的主要因素。2007年，劉克非等人[36]對微小型車銑加工切屑形態實驗研究，分析其切屑形狀的特點。2008年，西安理工大學的周紅杰u°]對車銑復合加工表面微觀幾何形貌仿真及切削參數分析研究。2008年，上海交通大學的馮付良和李丹f37W利用計算機仿真技術對軸向車銑表而粗糙度進行了研究。2008年，侯敏139]對立式車銑復合機床中并聯銑削機構進行了研究。2009年，金成哲等人對車銑粗糙度預測模型建立和分析，通過正交試驗法，進行一系列的正交車銑鋁合金切削實驗，研究車銑切削用量與表而粗糙度之間的變化規律。從國內開發車銑加工中心產品上看，研制出產品時間比較晚，大多數出現在21世紀初，特別是開發大規格的精工九軸五聯動車銑復合加工中心。2005年和2007年兩屆北京國際機床展覽會，國內亟待開發這種高性能機床，主要生產車床的企業近年來均在尋求產品開發途徑，有的合資，有的合作，有的引進先進技術，均在努力開發適應市場的高件能產品。隨著我國國民經濟迅速發展和國防建設，對高檔的精工機床提出了急迫的需求。經過技術人員的探索實踐，如今我國精工機床產業終于取得了很大的成就，特別是沈陽機床集團和大連機床集團在研究車銑復合型加工中心方面已經有了實質性的突破。大連機床公司研發的CDH25型九軸五聯動車銑復合加工中心，如圖1.7所示，雙主軸雙刀架，一次裝卡可以完成所有加工工序，大大提高加工效率;沈陽機床（集團）有限責任公司研發出HTM63150iy車銑復合加工.中心，如圖1. 8所示，該機床特別適用于軍工、航空、航天等復雜零件的加工. 近年來國內的主要機床生產企業均在尋求車銑復合加工中心的研究與開發，但與國外發達國家相比，我國復合加工機床的制造水平還有較大的差距。雖然有的已經生產出該類產品，但關鍵部件都是從國外引進，并?沒有真正意義上的國產化。這種趨勢目前也代表著國內的這種高性能精工車銑中心的開發狀態[3]。目前加工中心在進給速度、主軸轉速、典型件加工精度等方面與國外有10?15年左右的差距，其產品可靠性遠落后于國外，平均無故障時間僅為500?800h，與國外大多在2000h 以上相比差距顯著。具體體現在：國外車銑復合加工中心的主軸的轉速已達到30000r/min以上，國產車銑復合加工機床的主軸的轉速只有 12000r/niin;國外車統復合加工中心的******進給速度在50m/min以上，而國內車銳復合加工中心的******進給速度只有30m/min左右；國外車銑復合加工中心的車削主軸均釆用高速電主軸，國產車銑復合加工機床的車削主軸基本上還采用伺服電機驅動，功率小、轉速低;此外，動力刀架、高精密軸承、伺服電機、液壓原件等功能部件還嚴重依賴進口[2,3]。航天、航空、軍工制造業的不斷發展，現有機床越來越不能滿足需要，尤其高速、精密、多軸、高效精工機床顯得非常重要，如果用車銑復合加工中心加工這類零件不僅可以滿足產品的特殊性要求，而且可以提高效率、降低成本。為了擺脫國外對該項技術的壟斷，滿足國防工業和未來市場發展的需要，進一步完善和深化該類產品的加工技術顯得口益迫切。我國對車銑技術應重視以下研究方向：①車銑技術應用前景的研究;②車銑加I中心的結構動態特性的研究;③車銑加工原理的研究;④車銑加工可靠性的研究;⑤高速、超高速車銑以及相關技術的研究。 3.車銑加工中心發展趨勢當前世界機床技術發展的潮流是復合加工技術，復合加工機床成為各國機床制造業開發的熱門產品。新型復合加工中心主要呈現下面兒個特點。 1)配有仿真系統機床生產廠商與CAM軟件開發商之間開始了更緊密的合作，許多車銑加X中心都配有仿真系統，如英國Palhlrace公司的EdgeCAM軟件、美國CGTech公司的Vericut軟件、DPTechnoIogy公司的ESPRIT軟件以及各生產廠家根據自己的需要所開發的仿真軟件等，這些仿真軟件基本上可以對車銑加工中心進行模擬、程序驗證、自動生成精工代碼、CNC程序優化、精度檢測等功能，提高加工效率和安全性。 2)多軸控制擴大機床加工能力車銑加工中心有新的進展，現有機床大多為雙主軸雙刀架九軸控制實現五軸聯動機床，該機床可以在一次安裝下完成所有車銑鉆工序。例如（如圖1.5所示的奧地利WFI.公司的M35-G，如圖1.6所示的德國DMG的GMX250 linear車銑加工中心）除了 5個銑削用軸X1、Y、 Z1、B、C1夕卜，還有車副主軸的C2、W2兩個軸和刀架X2、Z2兩個軸。多軸控制擴大了機床的加工能力，只要配置多任務通道的高檔精工系統，可以同時進行兩個零件不同任務的加工。該型機床是模塊化設計的多功能機床，可以根據用戶的要求，通過不同的模塊組合方式可擴展到用于完成更精確或更復雜型面的車銑復合加工中心。 3)車銑加工.中心關鍵部件——B軸和C軸車銑復合加工中心的B軸功能相當于將臥式/立式精工車床的車削功能與五坐標加工中心的銑削及加工功能結合為一體。B軸大部分采用伺服電機和減速機構（齒輪）驅動，通過鼠齒盤定位和圓光柵測量反饋、液壓夾緊機構夾緊，定位精度高，銑削和車削都相當方便靈活。在銑削時，B軸為電主軸可進行高速加工，一般在180°內可無級旋轉；主軸上安裝車削刀具進行車削加工時，依靠90°分度定位裝置，將旋轉主軸進行定位夾緊，可進行正車削或反車削加工。它豐富了銑削功能，配合C軸實現五軸聯動加工，通過一次定位進行全部的銑削和車削，提高了加工效率和加工精度，另外用戶也可以通過控制Y軸進行偏心的銑削加工，可以進行復合角度加工，特別適合于要求復雜零件和精密加工的行業。C軸的驅動有特殊的要求，即車削時轉速要高，銑削時要求低速大扭矩，其主要方法有伺服電機及減速機構驅動和電主軸直接驅動，大多數釆用了扭矩馬達直接驅動技術，用電子控制直接驅動代替了傳統的機械齒輪或皮帶傳動機構，消除了反向間隙，其剛性、扭矩和精度大大提高,c軸是電主軸，冷卻系統處于恒溫狀態，可實現360°旋轉，C軸分辨率為萬分之一度，定位精度萬分之五。當機床配置車副主軸時，利用雙主軸同步控制，可以提高加工效率和加r.精度。 4)高速度、高精度、復合化、智能化當前世界機床技術發展的潮流是復合加工技術，國內車銑復合加工中心體現了髙速度、高精度、復合化、智能化的精工機床發展方向，其中主軸轉速可達（20000?30000 ) r/min，進給速度可達（30?50) m/min,加速度提高了原來的20%，基本都采用全閉環控制。機床復合化是當今提高精工機床精度和效率的主要措施，用加工中心加工工件，可在一次裝卡的情況下，完成全部加工，消除了裝卡位置誤差，大大減少了零件工序間運輸和等待時間，提高了工作效率。另外車銑加工中心實現r計算機聯網，該機床可實現遠程診斷、遠程服務和人機對話編程等，是一臺智能化的機床。w此充分展現出車銑加工中心向高速、高效、高精及柔性化、智能化和模塊化方向發展。我國應該在如下兩個方面做出努力： (1)長期以來西方發達國家對中國航空、航天、模具等行業急需的車銑加I.中心等高性能精工系統采取技術封鎖、出口限制和價格壟斷等手段來加以阻攔，五軸控制的高檔精工系統、測量元件、B軸等還是依賴國外的技術，要真正實現車銑加工中心完全國產化還需要漫長的路程，我們必須一方面吸收國外的先進技術，另一方面要提高自己的創新能力，加速我國的經濟和技術的快速發展。 (2)在開發新產品（如車銑加工中心）時，希望企業與高校相結合，企業不要過分注重生產，注重經濟效益，應該處理好生產與技術之間的關系，提髙企業的競爭力；同時高校的研究成果應該與實際密切相關，將技術轉化生產力，以防止技術資源浪費。本文由海天精工整理發表文章均來自網絡僅供學習參考，轉載請注明！

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