臥式銑鏜加工中心技術分析與發展前景

許立亭 劉 欣

作者通聯：沈陽機床設計研究院 沈陽經濟技術開發大路17甲1號 110142

臥式銑鏜加工中心在我國生產制造已經有幾十年的歷史，其制造技術比較成熟，一般生產機床工作臺規格都在2000mm以下。20世紀80年代開始，由最初國內幾家企業到如今制造該產品的企業達幾十家，產品技術水平也有了質的飛躍。但在幾十余年的發展歷程中，該產品雖然在技術性能、精度、主軸轉速及坐標移動速度等方面不斷突破，但在產品規格上最大也只是2000mm工作臺。大規格、重大形式臥式銑鏜加工中心近幾年才開發出來。現如今2500mm或以上規格工作臺、帶交換工作臺站的重大型臥式加工中心，開創了該類產品歷史先河，為我國航空、航天、軍工、電力、船舶、工程機械和其他機械制造業行業提供了大型關鍵設備。

一、臥式銑鏜加工中心總體布局的結構特點與技術分析

本文僅對傳統上刨臺式及十字滑臺式臥式加工中心進行分析，不包括落地式及五軸加工中心。

臥式加工中心產品的總體布局有立柱固定式和移動式結構；主軸箱有正掛箱和側掛箱；主軸形式有固定和移動式，移動式主軸有鏜桿式、滑枕式、平旋盤式等多種結構。側掛箱、平旋盤主軸結構機床如圖1所示。

1.立柱固定式的結構

采用立柱固定式結構的機床，其機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向作十字運動，主軸箱沿Y向上下運動。

圖1 側掛箱、平旋盤主軸結構機床

主軸箱可以是正掛箱、側掛箱兩種形式。此類機床適用于中型復雜零件的鏜、銑等多工序加工。

（2）固定式框架立柱結構，主軸箱沿X、Y向作十字運動，工作臺沿Y向運動。此類機床適用于中、小型零件的鏜、銑等多種工序加工。

（3）立柱固定在床身上，主軸箱側掛在立柱上，主軸箱沿Y、Z向作運動，工作臺沿X向運動。此類機床適用于中型零件鏜、銑等多工序加工。正掛箱、固定式主軸結構機床如圖2所示。

圖2 正掛箱、固定式主軸結構機床

2.立柱移動式結構

立柱移動式機床特點是整體車床身大多呈T字形布局，它包括以下幾種結構形式：

（1）床身呈T字布局刨臺式結構，立柱在縱床身上沿Z向運行，工作臺在橫床身上沿X向運動。主軸箱在立柱上有正掛箱、側掛箱兩種形式，沿Y向運動。這類機床適用于中、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字形布局結構，立柱在橫床身上作X向運動，工作臺在縱床身上作Z向運動。主軸箱在立柱上有正掛箱、側掛箱兩種形式，沿Y向運動。這類機床適用于中、大型零件的鏜、銑等多工序加工。

（3）床身呈倒十字形布局結構，立柱沿X、Z向十字運動，主軸箱在立柱上作Y向運動，工作臺固定在前床身上。這種機床可適用于中、小型復雜零件的鏜、銑等多工序加工。

目前，國內外臥式加工中心機床布局大多采用T字形結構，這種結構的機床技術比較成熟。從上述結構布局分析可以看出，一般中、小型機床采用倒T字形結構。這種結構的機床可配備多個工作臺實現快速交換。運動部件也可高速移動，并能高速切削加工，提高工作效率。而T字形刨臺式結構適用于大、重型機床，可配備雙工作臺交換加工，機床工作的同時可以在待加工區進行工件的裝夾，提高機床加工效率。這種結構布局可作為柔性單元，搭配自動線構成柔性制造系統。

3.主軸箱正掛箱結構分析

主軸箱為正掛箱即是主軸箱體在龍門框架式熱對稱立柱中央沿立柱導軌上下移動。由于是正掛箱結構，主軸處于箱體的對稱中心部位，機床運轉所產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床更容易保證零件加工精度。而主軸箱裝在龍門框架立柱內部，其裝配工藝復雜，必須有特殊工藝、工裝才保證主軸箱與龍門式立柱的裝配。這種結構的機床工藝制造成本較高。

4.主軸箱側掛箱結構分析

側掛箱是主軸箱側掛于立柱外側沿立柱導軌上下移動。立柱一般都是采用封閉式矩形箱形結構，其抗彎、抗扭、抗變形能力較強。由于主軸箱掛于立柱側面，機床運轉所產生箱體溫升或受其他熱輻射使箱體變形而使主軸軸線產生偏移，影響工件的加工精度。這種結構機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械加工設備，以提高零件加工精度為前題。因此，國內外企業的臥式加工中心大多數采用正掛箱結構。

5.主軸部件分析

（1）固定式主軸結構

①機械主軸：當今一般都采用結構緊湊集成主軸組結構，通過獨立伺服電機驅動，經齒輪有級傳動帶動主軸旋轉。由于采用齒輪降速傳動，主軸變速范圍大，可實現大轉矩、重切削加工要求。另外還有采用齒型帶同步傳動結構，可實現主軸無級調速。無論采用哪種傳動的主軸結構，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盤設計成迷宮式結構，并以氣幕加以保護，避免切削液和粉塵等滲入，以保證主軸的精度和使用壽命。

②電主軸：這種主軸通常采用內藏式電機主軸單元結構，以零傳動的方式實現主軸高速旋轉。主軸內部裝有編碼器，通過伺服裝置對主軸運轉進行控制，可完成主軸準停、急停等功能。由于是電機直接驅動，無傳動鏈，可使主軸達幾萬轉或更高轉速，并可減少機床的噪聲、發熱、振動和功率損失。一般適用于切削力小、薄壁、復雜曲面、精密零件的加工。

（2）移動式主軸結構。

移動式主軸結構一般用在中、大型機床上。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。鏜桿或滑枕伸出時會產生撓度誤差，而影響工件加工質量，因此，對于采用移動式主軸的機床這是一個比較關鍵項目。國內外企業對此不斷進行深入研究，采用新材料，改進設計、工藝，采用主軸集成技術等方法提高移動部件的剛性，利用控制及補償技術修正移動誤差來保證加工精度。

圖3 鏜桿式移動主軸結構

①鏜桿式移動主軸（圖3）：這種主軸結構可以由獨立伺服電機驅動滾珠絲杠拖動鏜軸移動，鏜軸移動位置由位置控制器監控。它作為機床一個坐標軸可自行或參與機床坐標聯動加工。通常定義該軸為W軸。另外還有以液壓系統作為動力，液壓油缸為執行元件拖動鏜軸活動。這種結構鏜軸的移過程沒有位置監控，不能成為機床的坐標軸。

②滑枕式移動主軸（圖4）：這種主軸結構可以進行滑枕大行程對工件加工，比鏜桿移動式結構達到更深的孔或面的加工。這是由于在滑枕移出的基礎上主軸在滑枕內繼續移出，總行程一般可達1000mm以上。由于滑枕截面是矩形結構，滑枕行程移動的間隙類似于機床矩形導軌其間隙可調，保證了滑枕運動中的高剛性和可重復性。因此，它的導向性能和移動精度優于純鏜桿移動式主軸結構。

③平旋盤式主軸（圖 5）：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床上不可拆卸的，而可拆式平旋盤拆卸與否可根據加工的需要來確定。平旋盤旋轉運動是由主電機經齒輪傳動完成主切削運動；平旋盤滑塊的徑向進給移動是由伺服電機驅動，經齒輪行星機構傳遞完成。平旋盤還可以帶有兩個滑塊同向或反向沿徑向移動，實現進給加工。這種平旋盤結構與普通機床上的平旋盤不同，平旋盤滑塊的進給是由伺服電機控制完成，稱為U軸。平旋盤徑向滑塊上帶有刀具自動夾緊裝置，可實現刀具的自動交換，故稱其為數控平旋盤，可實現復雜零件回轉面及溝槽的車鏜加工。

二、高精度、高速度、重大型是臥式銑鏜加工中心技術發展的重點方向

目前國內生產制造臥式加工中心企業有幾十家，工作臺從300mm到2500mm等各種規格，有些企業是近兩年才轉入機床行業并自行開發、制造臥式加工中心，其機床制造技術不是很成熟，機床指標與性能還處于一般水平，但有的企業卻是高起點，利用國外先進技術生產制造中、大型臥式加工中心及其他類型高端數控產品。

圖4 滑枕式移動主軸結構

圖5 數控平旋盤主軸結構

圖6 大型雙交換工作站臥式加工中心

從市場上看，一般工作臺規格在630mm以下的中、小規格機床，機械主軸最高轉速大多在8000r/min以下；各直線坐標最大位移速度在60m/min以下；定位精度在0.01mm左右。而中、大型規格的臥式加工中心機床指標低于上述指標。通過資料顯示，有些企業機床性能、參數可作為選項，根據用戶需要，采用不同配制。例如：有些中、小規格的加工中心，采用了電動主軸，使機床主軸轉速可達上萬轉/分鐘甚至幾萬轉/分鐘，滿足了汽車工業中的模具制造，以及動力設備制造業中難加工材料（如：鈦合金、鉻、鎳、鐵等合金）的加工。

提高機床進給速度、縮短零件加工時間，是提高生產效率的重要保證。因此在高速進給技術方面，已采用直線電機驅動或采用大導程滾珠絲杠為驅動，進給加速度達1.5～2g，快速進給速度達120mm/min。此類產品在于機體的小型化，通過采用相應的技術手段是不難達到的，這類產品更易于形成柔性線體系。

在機床行業追求高精度、高速度的同時，我國航空、航天、軍工、能源裝備和重型機械工程等重點發展領域正在快速發展，對金切機床技術水平、性能指標要求越來越高。這些行業的突出特點是零件基體龐大、結構復雜、品種繁多，精度要求高，通常為小批量生產，無法采用大規模流水生產方式來提高效率和降低成本。特別是大型箱體零件惟有重、大型臥式加工中心水平軸切削加工比較適合。

國內生產的重、大型臥式加工中心，如型號HTM—160HA、HMSD250P等，其工作臺規格分別達2000mm、2500mm和1600mm，并采和雙交換工作站結構（圖6）。這類機床可承載大型零件，一般最大可承載零件重達二十多噸。該類機床均采用鏜桿式移動主軸結構，鏜軸直徑130～160mm。采用大功率和高轉矩設計，可進行強力、高速切削加工。目前帶雙交換工作站結構最大規格工作臺已達到3000mm×2500mm，鏜軸直徑160mm。而固定工作臺結構機床，工作臺最大可達4500mm×3000mm。

三、結束語

上述產品基本代表了國內企業機床制造的最高水平。中、小規格臥式加工中心產品涉足廠家較多，產品的整體制造技術比較成熟，產品的技術性能與技術指標已接近國外發達國家產品水平。這類產品市場容量大、但競爭也較為激烈，面臨著產能過剩的危機。而國內重、大型臥式加工中心制造技術還處于發展階段，國內能夠掌握其核心技術生產制造的企業不多，重、大型產品競爭遠不如中、小規格產品競爭激烈，致使企業缺少產品創新意識，產品的技術挖潛升級步伐較慢，導致重、大型產品技術發展還落后于中、小規格產品。若要實現核心技術突破，企業應積極跟蹤市場和國外產品技術發展趨勢，踏實做好核心技術的攻關研究工作，如大型移動部件的剛性拖動技術以及熱變形補償技術的研究等，使之提高機床的精度和穩定性，真正實現從提供機床產品到機床商品的轉變，為我國重點發展領域及新興產業提供先進適用的機床裝備。