重型和超大型數控機床

張 曙 張炳生 譚為民

張曙 同濟大學教授、博士生導師，上海市科技功臣、全國優秀科技工作者、中國機械工程學會榮譽理事。

1 重型機床設計的共性

大型和重型機床用于加工大型零件，其共同特征是工件的重量大，可達數百噸，機床尺度大，可達數十米，切削力大，可達數千牛。這“三大”就造成大型和重型機床設計原則與中小型機床的有較大的差別。主要表現在機床結構件、導軌系統、驅動方式和加工工藝復合化4個方面。

1.1 重型機床的結構件設計

重型機床的結構件尺度大，受力大，既需要保證有足夠的剛度，又不能無限制增加機床本身重量。特別是對于移動部件，更要在保證剛度的前提下輕量化，以減少功率消耗，提高機床動態性能。因此，對移動部件的結構優化，應該放在首要地位來考慮。以立柱為例，其優化原則和典型結構如圖1所示。

從圖中可見，實體的立柱固然具有最大的剛度，但材料耗費也最大，沒有加強筋的薄殼柱體，材料最省，重量僅為實體的19%，但變形最大。設計者的任務是在兩者之間選擇相對剛度較大，材料用量相對較少的優化方案。圖中列出不同機床廠家采取的措施：有網格形、隔板形、蜂窩或交叉形加強筋。重型機床的結構件不能僅憑經驗設計，必須借助有限元分析和拓撲優化才能獲得最佳的剛度重量比，保證機床良好的靜態和動態性能。一個成功的加強筋案例（藍點）材料耗費僅增加4%，而剛度卻提高了350%，

1.2 導軌和驅動系統設計

重型機床不僅本身移動部件重，上百噸的工件重量不可忽視，而且工件重量不是固定不變的，這對工作臺導軌系統設計提出了難題。線性導軌的承載能力有限，滑動導軌當載荷波動大的情況下，性能也不理想，靜壓導軌往往成為首選的方案，如圖2所示。

從圖中可見。往復移動工作臺的導軌面上安裝有液壓支撐塊，借助兩個驅動齒輪使工作臺移動；回轉工作臺的底座上按圓周分布有液壓支撐塊，與工作臺底面的導軌配合。為了適應工件重量的變化，要求每個液壓支撐塊獨立供油、壓力可調、溫度保持恒定，構成一個壓力和溫度的自動調節系統。

當直線移動距離超過6 m時，滾珠絲杠螺母傳動就不太適用。因此，在重型機床的長距離移動時大多采用齒輪齒條傳動。為了消除反向背隙，通常采用兩個伺服電動機完成進給，從伺服電動機用于消除背隙。回轉工作臺的雙伺服電動機驅動也然。

1.3 加工工藝復合化

加工工件重量大、搬運不方便、定位調整費事費時，最好一次安裝全部加工完畢。復合加工機床應運而生。落地鏜床變成落地鏜銑床。龍門銑床成為龍門銑、鏜、車床，重型車床增加銑削、滾齒功能等。

2 INVAR系列落地鏜銑床

意大利巴帕斯集團推出的INVAR落地鏜銑床是現代重型鏜銑床的代表，其外觀如圖3所示。

INVAR落地鏜銑床具有6～8軸數控（包括雙擺數控銑頭），不僅外形美觀，呈現時代感，且具有以下3個與眾不同的結構特點，如圖4所示。

（1）移動立柱采用全封閉結構。借助獨立的空調系統供給恒溫氣流，保持立柱和主軸箱處于一個恒定的熱狀態，避免機床結構熱變形所引起的加工誤差。

（2）獨立的外部承力框架。與立柱相互獨立的外部框架（圖中顯示為黑色）承擔主軸箱滑座、刀具自動交換裝置和升降操縱室的重量，立柱僅承擔滑座垂直導向和切削力，大大減少了立柱的載荷和變形，從而達到了非常高的定位精度。

（3）4臺力矩電動機驅動。立柱的X軸移動借助4臺力矩伺服電動機驅動，分為兩組對稱安裝在立柱兩側。每一組是一臺電動機位于另一臺直接與小齒輪相連的電動機的上面，以實現消除反向背隙的電預緊載荷，提高了移動軸的動態性能，避免了齒輪箱傳動的機械磨損，達到實時響應的目的。

為了適應多種工藝加工的需要，備有各種銑頭和鏜刀頭，如圖5所示。

INVAR系列有兩種型號：INVAR2 和INVAR3，可配2 000 mm×2 000 mm到5 000 mm×5 000 mm的回轉工作臺，移動范圍為1 500 mm～4 000 mm。INVAR3落地鏜床的主要技術規格見表1。

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3 GMCU-AR系列動梁動柱龍門銑床

為了避免工件重量對機床的影響，最好的方法是工件裝夾在不動的工作臺上。西班牙札耶（Zayer）公司的GMCU-AR系列動梁動柱龍門銑床是這類機床的典型產品。該系列的基本型號是GMCU-15000 AR，配置一個移動龍門，縱向最大行程15 m；加長工作臺的型號為GMCU AR-2P，有兩個移動龍門，縱向最大行程30 m，可在工作臺上裝夾多個工件，借助兩個龍門的主軸同時加工相同或不同的工件，以提高生產效率。其外觀和配置如圖6所示。

為了滿足不同加工要求，GMCU-AR系列配有自動換頭系統，可以按需更換不同的銑頭，如圖7所示。

機床的結構件采用高強度灰鑄鐵，整個機床結構對稱，保證了高剛度、高精度、高阻尼和高穩定性。3個線性軸的導軌系統是在淬硬到58～62 HRC的矩形導軌面上安放預緊力可調的滾柱排條構成滾動導軌，剛度較高，調整方便。

X軸和Y軸的移動借助雙伺服電動機驅動齒輪齒條來實現，從而避免了反向背隙，保證機床具有良好的動態性能和加工精度。

GMCU-AR系列的規格可以按照用戶的需求定制，其最大規格的技術參數見表2。

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4 M150大型車銑復合機床

大型軸類零件通常具有復雜的特征形狀，需要進行車、銑、鉆、鏜，甚至齒輪加工。奧地利WFL公司率先推出MILLTURN系列車銑復合機床，以滿足一次裝夾大型軸類工件將其全部加工完畢的需要。MILLTURN系列從中小型M50開始，一直到大型的M150，中心距可達8 m，其外觀如圖8所示。

MILLTURN 系列的設計理念是將車床、5軸加工中心和3D測量機集成在一起。采用斜床身布局，降低橫向滑座和中心架的高度，增加了機床的穩定性、且加工區域的可接近性好、操作方便。

床身采用全封閉結構，內部充填砂子，以增加阻尼，減少振動，提高加工表面質量，延長刀具壽命。封閉床身的平滑前面有效地保證排屑通暢，快速將熱切屑移除，減少其對機床熱變形的影響。

MILLTURN系列除車削外，可完成多種工藝加工，如鏜削、銑削、圓弧銑削、B軸車削、成形加工、5軸聯動銑削、磨削、滾齒、凸輪銑、曲軸銑和在線測量等，其典型加工案例如圖9所示。

M150大型車銑復合機床的技術參數見表3。

5 超大型高速銑床

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飛機、風電、核電、汽輪機、汽車、船舶設計往往需要制作1:1的模型，為了適應這種需求，德國EEWProtec公司推出超大型5軸高速加工中心HSM-Modal。主要用于聚氨酯代木及環氧樹脂代木模型的加工。該機床其設計理念是：

（1）用途廣。可進行銑削和鉆孔、油泥涂覆、打磨、激光切割，甚至高壓水切割或數字化掃描。

（2）輕量化。橫梁采用碳纖維管構成的框架結構，主軸滑座和殼體采用鋁合金制造，提高其動態性能，減少驅動功率的消耗。

（3）高速度。由于移動部件重量輕。慣性小，加速度3g，最大切削進給速度可達150 m/min，涂覆、激光加工等流程最大移動速度可達220 m/min。

（4）尺度大，兩側焊接鋼立柱每間隔2 m一根，最多76根，即151 m，比足球場還要大。

（5）安裝調試簡單。無需地基，混凝土地板厚度大于200 mm即可，易于拆除和搬遷。

（6）相對精度高。3個移動軸皆采用直線滾動導軌、X軸和Y軸采用2×1.8 kW伺服電動機驅動無間隙齒輪齒條傳動，定位精度±0.2 mm。

（7）能耗小/環境友好。主軸功率7 kW，無限液壓設備，采用油脂潤滑，沒有漏油問題，無需冷卻液，沒有環境污染。

HSM-Modal高速5軸加工機床的在車間的布局如圖10所示。

借助HSM-Modal 高速銑床加工船體模型的實況如圖11所示，加工空間之大無與倫比。

6 結語與展望

重型和超大型機床是小批量和按需定制的產品，品種多而批量小，而且具有與中小型機床不完全一樣的核心技術。本文以有限的篇幅介紹了其中的一角。

重型和超大型機床是一個國家機床行業是否強大的標志，我國重型機床廠不少，但居于國際領先水平的不多，缺乏自己的核心技術和基礎研究。近年來，市場需求較旺盛，大干快上的比比皆是。豈不知重型機床的壽命是30年以上，重要的是不是能不能造出來，而是能夠用上數十年，仍然能夠保持加工精度。

重型機床投資較大、無論制造和使用消耗各種資源皆較多，且往往利用率并不高，更需要注意采取不同措施提高其效率和效益。

機床產品創新與設計專題就此告一段落。敬請廣大讀者指教。

編后語：

由張曙教授主筆的“機床產品創新與設計”專欄歷時一年半，得到了眾多業界人士的密切關注，很多讀者都是每期必讀。在龍年歲末，此專欄于本期畫上了完滿的句號。

張曙教授學貫中西，從底層技術到前沿科技都在短短幾頁中輪廓盡顯，專欄文章中更是大量采用了國內外的實際范例，深入淺出地闡述了重點機床產品的特性、現狀及趨勢。這種精準、專業而亮點頻現的講述不僅抓住了中高層技術人員和管理人員的目光，即使是剛入行的新手也會從中受益匪淺。

中國的機床工業發展的短短數年，取得了長足的進步，也有著不少亟待解決的困難。我刊一向秉承為中國機床工具行業服務的宗旨，在此也借張曙教授專欄的一隅向全行業呼吁，最大限度地重視產品設計與創新才是促進我國機床行業發展的光明之路。