车铣复合加工中心汇总分析

亮剑

车铣复合加工中心汇总分析

2014-12

[说明]前年搜集整理的，观点仅仅代表我自己，欢迎探讨。当然跟我订货我更愿意，哈。在QQ群里共享了相关文件。当时已经不太上机械社区了，没有在那里发。

      复合加工是机械加工领域最新的加工工艺之一，符合现代产品多品种小批量定制化市场格局，是一种先进的制造技术。所谓复合加工，就是把几种不同的加工工艺集成在一台机床上实现。常见的复合加工有：车铣复合、车磨复合、车刨复合、内外圆加工复合、内螺纹外圆复合等。还能进行清冼、去毛刺、热处理、切割、抛光、测量检验等辅助工序的复合加工。其中，车铣复合加工中心是这一技术的典型代表。

      目前车铣复合机床以卧式居多，而且价格已经平民化。大型立式车铣复合加工中心往往比较高端、昂贵，特别是做成如7轴5联动这样多轴多联动的比较多。平民化的带C轴的大型立式车铣复合机床几乎没有。由于排版原因，我们边说明文字内容边对照图片，一些世界著名厂家的车铣中心参数和视频文件，请大家自行阅读观看。

一、车铣复合中心的结构特点

      车铣复合加工中心结构形式很多。粗略的说，可分为以车削为基础的、以铣削为基础的、两者复合的和其它特殊的复合机床。

1、车铣复合机床的结构基础：

1）以车削为基础的车铣复合机床：

      这类车铣中心是在数控车床或车削中心基础上，集成铣削、钻削、攻丝、镗孔、磨削以及制齿等工艺。典型机床见下图：

图1-1卧式

      左图是非常暴力的奥地利WFL公司的车铣中心，功能非常全面，机床很有特点，整机下面的图是很有特色的大型圆盘刀库。右图是最常见的卧式斜床身车铣中心结构，也是车削中心最常用的结构。图上表示了卧式车铣中心各轴的定义。

图1-2倒立式

      图示的是德国埃玛克生产的倒立式自动化加工单元，是以小型倒立式数控车床结构为基础的车铣中心。其最大的好处是容易实现连续自动化大量生产，方便配置主动测量计数等装置。这种结构市面不常见，该公司已经标准化。

2）以铣削为基础的车铣复合机床：

      这类车铣中心是在卧加或立加基础上，集成车削、钻削、攻丝、镗孔、磨削以及制齿等工艺。

图2

      右上角图示的是大连机床的VHT系列五轴联动车铣中心，这是典型的类似立加的动柱式结构，个人感觉他们自己开发的A轴挺麻烦，后面有结构图。右下角是典型的立加结构，配置一些特别的功能部件罢了。

      左上角是框中框卧+B轴结构的车铣中心，它与右下角第二张图属异曲同工，有个视频可参考。左下角表示的是典型的镗铣床结构，其中主轴和立柱部分已经非常成熟。

      图中各轴的定义非常明确。

3）以大型龙门机床为基础的车铣中心。

      这类机床的复合主要靠角度头和回转工作台带定位功能实现。

图3

      左下角图示的是沈阳机床采用希斯技术搞的GTM系列五轴联动车铣中心，结构比较典型，其中回转轴采用双电机驱动。常规刀库一般是图示这种，经常有一边刀库一边头库的刀库设计，常规刀具一般采用可移动的水平圆盘刀库。Z轴一般都是采用方滑枕结构实现Z轴运动，A轴和B轴完全依靠角度头实现。C轴一般都是回转工作台+移动工作台。Y轴运动有通过C轴的移动工作台的、有双柱同步驱动的动柱式、有双柱同步驱动的动梁式，其它没有什么好说的。

4）完全复合的复合机床：

   兼有车削数控机床和卧加或者立加的基础，集成为完全复合的高端多轴多联动机床。

图4

      这张图显示的是完全复合的车铣中心，它以框中框结构为基础，既有卧式车削主轴，又有卧加主轴，这种主轴滑枕是正八方结构，可以实现XYZ三个进给运动，通过模块化设计很容易实现任意组合的复合机床，加减法都比较简单。这个结构最早是05年森精机大力推广的产品，当时使用了大量的先进技术，森精机和德玛吉合并以后，在其大型以卧式数控车床为基础的车铣中心上大量采用了这种结构。中国沈阳和南通也有仿制。

2、复合机床轴数不同的结构特点：

1）三轴车铣中心的最大缺点是没有Y轴，不能对工件侧面不过中心的部位进行钻铣加工。

2）四轴车铣中心有X、Y、Z、C轴四个数控轴，除能完成三轴车铣中心的功能外，还能完成工件侧面不过工件中心的位置加工。

3）五轴车铣复合加工中心有X、Y、Z、B、C五个数控轴，除具有三轴、四轴车铣中心的功能外，几乎能完成所有的铣削加工工艺。

3、技术上的两种流派使机床具有不同的结构特点：

1）高速型：以高速、小切深、大进给为基础来确定机床参数，利用刀具上限切削速度实现高效加工。

2）重载型：以重切削为条件，使用大切深、大进给、高线速度来确定机床参数的高刚性型。

(长度超标，转下页)

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二、车铣复合加工的主要优点

1、缩短产品制造工艺链，提高生产效率。

      车铣复合加工可以实现一次装卡完成全部或者大部分加工工序，从而大大缩短产品制造工艺链，缩短了产品的制造周期，减少了现场的在制品数量，加快了生产的反映速度。这样一方面减少了由于装卡改变导致的生产辅助时间，同时也减少了工装卡具制造周期和等待时间，显著提高生产效率。

2、减少装夹次数，提高加工精度。

      装卡次数的减少避免了由于定位基准转化而导致的误差积累。同时，车铣复合加工可以增加在线检测和自动对刀功能，实现制造过程关键数据的在位检测和精度控制，从而大大提高产品加工精度。

3、减少占地面积，降低生产成本。

      虽然车铣复合加工设备的单台价格比较高，但由于制造工艺链的缩短和产品所需设备的减少，以及工装夹具数量、车间占地面积和设备维护费用的减少，能够有效降低固定资产总投资、降低生产运作和管理成本。

4、减少操作人员数量，减少人工支出。

      车铣复合加工中心由于复合多道工序，加工时间较长，装夹时间占加工时间的比重很小，极大的提高了设备的利用率，操作人员可以操作多台机床，减少了操作人员的数量。

5、简化了车间现场管理。

      车铣复合加工将工序集中后，减少了工装夹具的管理，减少了工序之间的检验，节省了检具。完成同样的产品，车间的人员减少、工装减少、检具减少、在制品减少、占地面积减少，从而使管理工作更为简单。

6、环保节能。

     由于工序集中和设备数量的减少，使动力消耗减少。切屑集中处理，排污量减少。适应现代社会节能减排的要求。

三、车铣中心的技术特点

       车铣中心完成车铣加工是比较容易的，但要完成高精度的铣削、钻削加工，还必须要具备以下能力：

1、主轴能够实现高精度的位置控制：简单的车铣中心将主轴电机换成伺服电机，就能实现主轴定位和分度功能，但精度较差。要实现高精度的主轴定位和分度，必须减少传动环节，如采用空心轴编码器、电主轴、力矩电机等，采用高精度的控制系统。

2、高精度的主轴抱闸：主轴在位置锁定时，完全靠电气系统的刚性来保证，电气系统的刚性与系统性能关系较大，这样就不能用于强力铣削。要实现强力铣削，必须有高精度的抱闸，提高主轴锁定时的机械刚性。主轴抱闸必须满足在抱闸动作时，主轴分度和位置精度不会因此而发生改变。

3、高精度的控制系统：所有机械精度最终必须通过电气控制系统来实现，电控系统必须有高分辩率和高稳定性，才能把机械的精度发挥出来。

4、大型数控回转轴的一个主要技术难题是数控扰动，即鲁棒特性。资料显示一般大家普遍采用的是最靠谱的大马拉小车的办法。

四、车铣中心的发展趋势

       车铣中心经过近20年的发展，技术已经成熟，也被用户接受和认可。目前其发展方兴未艾，特别在中国应该有广阔的应用。车铣中心的技术发展趋势主要表现在以下几个方面：

1、更多的工艺范围：通过增加一些特殊的功能模块，实现更多的工艺集成。如齿轮加工、磨削加工、深孔加工、型腔加工、激光淬火、在线检测等功能，集成到车削中心上，真正做到所有复杂零部件的完整加工。

2、更高的加工效率：通过配置多动力头、多主轴、多刀架等功能，实现多刀同时加工，大幅提高加工效率。

3、更大型化：大型零部件一般多是结构复杂、加工部位多、加工方位多、加工内容相互关联、加工工序复杂、定位装夹麻烦。车铣中心恰好符合这类零部件的加工工艺要求，随着技术的成熟，设备必然越来越大型化。

4、结构模块化和功能快速重组：这个技术趋势非常明显。通过结构模块化，可以实现不同要求的功能快速重组，既保证了技术可靠性，又极大的满足了敏捷交货的要求。其关键模块技术发展迅速，主要包括：1）车铣主轴模块。2）B轴角度驱动旋转轴。3）动力刀塔模块。4）进给系统模块。5）电控系统模块。6）其它特殊模块。

5、自动编程技术：由于车铣中心所加工的零部件比较复杂，带来大量的数控编程工作量，特别是零部件批量比较小的情况下，这个问题将非常突出。带有可靠的自动编程功能会令用户更容易接受这类高端机床产品。

五、关键功能部件的形式

1、C轴兼主轴：

      可以这样描述：大型车铣复合中心的第一难点在于C轴，由于以车削为基础的车铣中心的C轴既要具有主轴功能，又要具有进给轴功能，要经济良好的实现这两种功能，技术上存在很大难度。同时，由于大型回转工作台的转动惯量和摩擦力矩大，使用C轴功能时，既保证精度又保证效率的难度非常大。目前可以说还没有既经济又良好的解决方案。

1）导轨：

      主要有硬轨、贴塑硬轨、静压导轨、推力轴承、回转支撑轴承等形式，各有优缺点。其中，硬轨摩擦力矩大；静压导轨用于精密定位功能时，精度会受油膜的影响；回转支撑轴承价格昂贵。

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2）传动和驱动装置：

      由于普通数控立车目前采用的主电机多为直流调速或交流变频电机，主变速箱已不需要过多的档位变速，目前多采用二级变速的电机+减速器结构。

末级传动一般采用蜗轮蜗杆传动，或者大齿圈传动。用于圆周定位时，传动链必须消除间隙。齿轮传动一般采用双齿轮消隙。蜗轮蜗杆传动一般采用双导程（变齿厚）蜗杆来尽可能减小传动侧隙，部分厂家采用中分双片蜗轮实现消隙。

      为了实现回转工作台兼具C轴和主轴的功能，目前普遍采用双电机驱动，对于回转工作台，越来越多的厂家采用了力矩电机的直接驱动。

图5带回转工作台的进给轴

                              图6回转进给轴+主轴

图7进给轴A(B)+C

图8 各种大型回转台消隙和传动图示

    左图为典型的双电机消隙结构，大型设备的电机往往立式布置；中图为双导程（变齿厚）蜗杆或双蜗轮传动，减小或消除传动侧隙的结构；右图为车铣分别采用各自的传动链结构。

2、立柱：

    无论哪种结构形式，立柱都应保证高刚性、最小变形量，尽可能减少震动和热变形的传递。按照安装形式有贴合式和分离式，也有把立柱和工作台底座设计成一体化结构的，一般贴合式结构在装配时经常在结合面增加抗震胶层。也有通过采用新材料实现减震隔热高刚性设计。国外对于机床基础件的设计非常重视，一般有详细的设计计算和数模分析。

      单柱式：以立加为基础的车铣中心受弯矩限制，几乎不可以用于大回转直径的设备。以卧式镗铣床为基础的一般采用单柱+方滑枕结构，车削直径也有限制。有动柱式和固定立柱两种。

      龙门式：大型车铣中心的主流是采用龙门结构。有大型回转工作台+移动工作台、动柱式和动梁式三种形式实现Y轴运动。

      框中框结构：采用这种结构的车铣复合也非常多，这是以卧加的镗铣为基础的车铣复合，有很大的模块化灵活性，车削直径也有限制。

3、A轴和B轴：

      当主轴立式布置时，A轴和B轴功能只能通过主轴装夹角度头或另外增加动力头实现。当主轴卧式布置时，一般通过模块化的固定部件，如B+C、A+C模块化部件实现。

      大连机床搞了一种比较特别的主轴，参见下图9

4、刀库：

      当主轴立式布置时，一般采用圆盘式或直线式刀库。大型设备经常采用刀库+头库的方式，满足效率和工艺的兼容要求。当主轴卧式布置时一般采用立式链式刀库，其特点是刀库容量可以在有效面积内放大很多且灵活。也有采用关节机器人方式换刀以满足大型动力头的装夹要求。正因为有这么多专门化的功能附件，极大的扩展了车铣中心的加工范围。

5、导轨：

      不外乎硬轨、线规、静压导轨等。其中硬轨还有贴塑、镶钢等技术应用，线规有滚珠、滚柱和块式等形式。直线导轨不必多说；滚动滑块导轨一半与滑动导轨混合采用，即形成滚滑复合导轨；聚四氟乙烯贴塑导轨副具有动静摩擦系数变化不大，并降低摩擦系数的优点；静压导轨精度高，摩擦系数小，但技术难度比较大，存在油液抗污染能力差、容易漏油的缺点，目前封油多采用刮板+盘根，但必须定时更换。这一部分应该和相关基础件合并统筹设计成为进给模块，优化结构和装配工艺性；大型精密测量系统有采用精密气浮结构。

6、车削刀架和动力刀塔：

      立车刀架是立车最薄弱的环节，占整机变形较大，在设计时应引起足够的重视。这一部分的产品都是现成的，但是，必须完全掌握刀具及刀柄技术，全面分析车铣复合加工工艺，针对特别的订单，我们可以设计专门的刀具，以保证设备的可靠性和加工效率的提高。

图10 各种角度头和动力刀塔

7、滑枕：

      滑枕的结构形式：目前流行的有T型、正四方和正八方滑枕等形式，还有圆形的，立车很的少用，一般用于钻床。有资料介绍，在界面相同情况下，T型、正方型界面滑枕的刚度比正八方滑枕刚度高35-40%，但正方形重量增加40%，T增加65%。

8、电控系统：

      数控系统是复合机床的关键技术，数高端数控系统，目前几乎全部为德国日本的系统，国内有不少机构有性价比不错的系统，但还没有一家形成主流。

      另外，多轴多联动复合机床如果能够解决自动编程问题，就是掌握了关键技术。常规电控部分必须保证高可靠性。

9、其它装置：

      作为高端设备，应该考虑配置如主动测量、自动对刀、刀具在线监测、自动化上下料等更加自动化的装置。普通的刀具冷却、润滑、液压、气动、排屑、防尘等不再描述，但是我们应该非常重视。

10、外观设计：

      俗话说货卖一张皮，我们应该高度重视产品造型和色彩设计，后面的贴图展示了一些感官不错的整机图片。

六、附件：

1、《数控立车及车铣复合加工中心选型》

2、参考视频：视频1：A+C龙门；视频2：B+C框中框；视频3：OM车铣复合-交换工作台；视频4：沈阳i5智能机床产品展示。

小南

顶，支持

林老叁

顶贴，新论坛新气象。

亮剑

把PDF文件发上来。在资料里。

biudiu

向前辈学习

中国坏禅师

热烈欢迎亮剑！！！！

2266998

这也是加工行业的一个发展趋势，从提高通用性与效率上说，不错的，有些特殊齿轮都可以采用这个方式加工，

knigh

大侠好