一、概述
臥式銑鏜加工中心體現(xiàn)了國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床快速發(fā)展，標(biāo)志著我國數(shù)控機(jī)床在數(shù)控技術(shù)上的新突破。產(chǎn)品有小規(guī)格300mm工作臺到大規(guī)格2500mm工作臺，有單工作臺到雙交換工作;有普通型到精密、高速型加中心等等。此次把臥式銑鏜加工中心作為論述的重點(diǎn)，是由于這類產(chǎn)品在我國生產(chǎn)制造已經(jīng)有幾十年的歷史，其制造數(shù)控技術(shù)比較成熟，一般生產(chǎn)機(jī)床工作臺規(guī)格都在2000mm以下。上個(gè)世紀(jì)八十年代開始，由*初國內(nèi)幾家企業(yè)到如今制造該產(chǎn)品的企業(yè)達(dá)幾十家，產(chǎn)品技術(shù)水平也有了質(zhì)的飛躍。但在幾十余年的發(fā)展歷程中，該產(chǎn)品雖然在技術(shù)性能、精度、主軸轉(zhuǎn)速及坐標(biāo)移動(dòng)速度等方面不斷突破，而在產(chǎn)品規(guī)格上*大也只是2000mm工作臺。大規(guī)格、重大形式臥式銑鏜加工中心近幾年才開發(fā)出來。如今，2500mm或以上規(guī)格工作臺、帶交換工作臺站的重大型臥式加工中心，開創(chuàng)了該類產(chǎn)品歷史先河，為我國航空、航天、、電力、船舶、工程機(jī)械和其它機(jī)械制造業(yè)行業(yè)提供了大型關(guān)鍵設(shè)備。
二、臥式銑鏜加工中心總體布局的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與數(shù)控技術(shù)分析
本分析只對傳統(tǒng)上刨臺式及十字滑臺式臥式加工中心進(jìn)分析，不包括落地式及五軸加工中心。
臥式加工中心產(chǎn)品的總體布局有立柱固定式和移動(dòng)式結(jié)構(gòu);主軸箱有正掛箱和側(cè)掛箱;主軸形式有固定式和移動(dòng)式，移動(dòng)式主軸有鏜桿式、滑枕式、平旋盤式等多種結(jié)構(gòu)。
1. 立柱固定式結(jié)構(gòu)
采用立柱固定式結(jié)構(gòu)的機(jī)床，其機(jī)床布局不外乎有這么幾種形式:
1)立柱固定在床身上，工作臺沿X向、Z向作十字運(yùn)動(dòng)，主軸箱沿Y向上下運(yùn)動(dòng)。主軸箱可以是正掛箱、側(cè)掛箱兩種形式。此類機(jī)床適用于中型復(fù)雜零件的鏜、銑等多工序加工。
2)固定式框架立柱結(jié)構(gòu)，主軸箱沿X、Y向作十字運(yùn)動(dòng)，工作臺沿Y向運(yùn)動(dòng)。此類機(jī)床適用于中小型零件的鏜、銑等多種工序加工。
3)立柱固定在床身上，主軸箱側(cè)掛在立柱上，主軸箱沿Y、Z向作運(yùn)動(dòng)，工作臺沿X向運(yùn)動(dòng)。此類機(jī)床適用于中型零件鏜、銑等多工序加工。
2. 立柱移動(dòng)式結(jié)構(gòu)
立柱移動(dòng)式機(jī)床特點(diǎn)是整體床身大多呈T字型布局，它包括這么幾種結(jié)構(gòu)形式:
1)床身呈T字布局刨臺式結(jié)構(gòu)，立柱在縱床身上沿Z向運(yùn)動(dòng)，工作臺在橫床身上沿X向運(yùn)動(dòng)。主軸箱在立柱上有正掛箱、側(cè)掛箱兩種形式，沿Y向運(yùn)動(dòng)。這類機(jī)床適用于中、大型零件，特別是長度較大零件的鏜、銑等多工序加工。
2)床身呈倒T字形布局結(jié)構(gòu)，立柱在橫床身上作X向運(yùn)動(dòng)，工作臺在縱床身上作Z向運(yùn)動(dòng)。主軸箱在立柱上有正掛箱、側(cè)掛箱兩種形式，沿Y向運(yùn)動(dòng)。這類機(jī)床適用于中、大型零件的鏜、銑等多工序加工。
3)床身呈倒十字形布局結(jié)構(gòu)，立柱沿X、Z向十字運(yùn)動(dòng)，主軸箱在立柱上作Y向運(yùn)動(dòng)，工作臺固定在前床身上。這種機(jī)床可適用于中、小型復(fù)雜零件的鏜、銑等多工序加工。
目前，國內(nèi)外臥式加工中心機(jī)床布局大多采用T字形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床技術(shù)比較成熟。從上述結(jié)構(gòu)布局分析可以看出，一般中、小型機(jī)床采用倒T字型結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)機(jī)床可配備多個(gè)工作臺實(shí)現(xiàn)快速交換。運(yùn)動(dòng)部件也可高速移動(dòng)，并能高速切削加工，提高工作效率。而T字形刨臺式結(jié)構(gòu)適用于大、重型機(jī)床，可配備雙工作臺交換加工，機(jī)床工作的同時(shí)可以在待加工區(qū)進(jìn)行工件的裝夾，提高機(jī)床加工效率。這種結(jié)構(gòu)布局可作為柔性單元，搭配自動(dòng)線構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)。
3. 主軸箱正掛箱結(jié)構(gòu)分析
主軸箱為正掛箱即是主軸箱體在龍門框架式熱對稱立柱沿立柱導(dǎo)軌上下移動(dòng)。由于是正掛箱結(jié)構(gòu)，主軸處于箱體的對稱中心部位，機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生箱體溫升變形對主軸軸線位移影響較小。因此，主軸箱為正掛箱的機(jī)床更容易保證零件加工精度。而主軸箱體裝在龍門框架立柱內(nèi)部，其裝配工藝復(fù)雜，必須有特殊工藝、工裝才保證主軸箱與龍門式立柱的裝配。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床提高了工藝制造成本。
4. 主軸箱側(cè)掛箱結(jié)構(gòu)分析
側(cè)掛箱則是主軸箱側(cè)掛于立柱外側(cè)沿立柱導(dǎo)軌上下移動(dòng)。立柱一般都是采用封閉式矩形箱型結(jié)構(gòu)，其抗彎、抗扭、抗變形能力較強(qiáng)。由于主軸箱掛于立柱側(cè)面，機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生箱體溫升或受其他熱覆射使箱體變形而使主軸軸線產(chǎn)生偏移，影響工件的加工精度。這種結(jié)構(gòu)機(jī)床可承受較大的切削力，且裝配較正掛箱相對容易簡單。
加工中心是一種高精度機(jī)械加工設(shè)備，以提高零件加工精度為前題。因此，國內(nèi)外企業(yè)的臥式加工中心大多數(shù)采用正掛箱結(jié)構(gòu)。
5. 主軸部件分析
1) 固定式主軸結(jié)構(gòu):
● 機(jī)械主軸:當(dāng)今一般都采用結(jié)構(gòu)緊湊集成主軸組結(jié)構(gòu)，通過獨(dú)立伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)齒輪有級傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。由于采用齒輪降速傳動(dòng)，主軸變速范圍大，可實(shí)現(xiàn)大扭矩、重切削加工要求。另外還有采用齒型帶同步傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)主軸無級調(diào)速。無論采用哪種傳動(dòng)的主軸結(jié)構(gòu)，主軸軸徑頭部位置與箱體間存在有間隙。一般在箱體或主軸法蘭藍(lán)盤設(shè)計(jì)成迷宮式結(jié)構(gòu)，并以氣幕加以保護(hù)，避免切削液和粉塵等滲入，以保證主軸的精度和使用壽命。
● 電主軸:這種主軸通常采用內(nèi)藏式電機(jī)主軸單元結(jié)構(gòu)，以零傳動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)主軸高速旋轉(zhuǎn)。主軸內(nèi)部裝有編碼器，通過伺服裝置對主軸運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，可完成主軸準(zhǔn)停、急停等功能。由于是電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)無傳動(dòng)鏈，可使主軸達(dá)幾萬轉(zhuǎn)或更高轉(zhuǎn)速，并可減少機(jī)床的噪聲、發(fā)熱、振動(dòng)和功率損失。一般適用于切削力小、薄壁、復(fù)雜曲面、精密零件的加工。
2)移動(dòng)式主軸結(jié)構(gòu):
移動(dòng)式主軸結(jié)構(gòu)一般用在中、大型機(jī)床上。它克服了固定式主軸接長刀桿加工易使刀桿變形而帶來的弊端，通常用以較深孔的鏜削或平面銑削加工。鏜桿或滑枕伸出時(shí)會產(chǎn)生撓度誤差，而影響工件加工質(zhì)量，因此，對于采用移動(dòng)式主軸的機(jī)床這是一個(gè)比較關(guān)鍵項(xiàng)目。國內(nèi)外企業(yè)對此不斷進(jìn)行深入研究，采用新材料，改進(jìn)設(shè)計(jì)、工藝，采用主軸集成技術(shù)等方法提高移動(dòng)部件的剛性，利用控制及補(bǔ)償技術(shù)修正移動(dòng)誤差來保證加工精度。
● 鏜桿式移動(dòng)主軸:這種主軸結(jié)構(gòu)可以由獨(dú)立伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠拖動(dòng)鏜軸移動(dòng)，鏜軸移動(dòng)位置由位置控制器監(jiān)控。它作為機(jī)床一個(gè)坐標(biāo)軸可自行或參與機(jī)床坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工。通常定義該軸為W軸。另外還有由液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力，液壓油缸為執(zhí)行元件拖動(dòng)鏜軸移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)鏜軸的移動(dòng)過程沒有位置監(jiān)控，不能成為機(jī)床的坐標(biāo)軸。
● 滑枕式移動(dòng)主軸:這種主軸結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行滑枕大行程對工件加工，比鏜桿移動(dòng)式結(jié)構(gòu)達(dá)到更深的孔或面的加工。這是由于在滑枕移出的基礎(chǔ)上主軸在滑枕內(nèi)繼續(xù)移出，總行程一般可達(dá)1000mm以上。由于滑枕截面是矩形結(jié)構(gòu)，滑枕行程移動(dòng)的間隙類似于機(jī)床矩形導(dǎo)軌其間隙可調(diào)，保證了滑枕運(yùn)動(dòng)中的高剛性和可重復(fù)性。因此，它的導(dǎo)向性能和移動(dòng)精度優(yōu)于純鏜桿移動(dòng)式主軸結(jié)構(gòu)。
● 平旋盤式主軸:平旋盤可分為固定式和可拆式兩種。固定式平旋盤是安裝在機(jī)床上不可拆卸的，而可拆式平旋盤拆卸與否可根據(jù)加工的需要來確定。平旋盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由主電機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)完成主切削運(yùn)動(dòng);平旋盤滑塊的徑向進(jìn)給移動(dòng)是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)齒輪行星機(jī)構(gòu)傳遞完成。平旋盤還可以帶有兩個(gè)滑塊同向或反向沿徑向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給加工。這種平旋盤結(jié)構(gòu)與普通機(jī)床上的平旋盤不同，平旋盤滑塊的進(jìn)給是由伺服電機(jī)控制完成，稱為U軸。平旋盤徑向滑塊上帶有刀具自動(dòng)夾緊裝置，可實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)交換，故稱其為數(shù)控平旋盤?？蓪?shí)現(xiàn)復(fù)雜零件回轉(zhuǎn)面及溝槽的車鏜加工。
