數(shù)控逆向加工組合機(jī)床

孫德洲　仲秋　許興旺

【摘 要】針對傳統(tǒng)組合機(jī)床和加工中心進(jìn)行批量加工時(shí)的局限性，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了數(shù)控逆向加工組合機(jī)床，詳細(xì)介紹了該新型機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)和工作過程，多軸箱疊加安裝固定，由夾具工件進(jìn)行三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)進(jìn)給，即可以多刀同時(shí)加工，又可以多工序依次加工，更換品種方便快捷，兼具組合機(jī)床的高效率和加工中心的柔性。

【關(guān)鍵詞】逆向加工;數(shù)控;組合機(jī)床

中圖分類號(hào)： TG659，TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）20-0082-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.037

0 引言

汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)等批量生產(chǎn)的工件，使用的機(jī)床一般分為兩種，組合機(jī)床和加工中心，而這兩種機(jī)床各有優(yōu)缺點(diǎn)?，F(xiàn)有的加工中心，以三坐標(biāo)單元型式的臥式加工中心為例，主軸安裝在滑枕（滑枕進(jìn)給式臥加）或滑板（滑臺(tái)進(jìn)給式臥加）端部，刀具安裝在主軸上，并進(jìn)行X、Y、Z三軸方向運(yùn)動(dòng)，夾具及工件安裝在機(jī)床底座上固定不動(dòng)，加工工件時(shí)，由主軸進(jìn)行三個(gè)坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)，對固定的工件進(jìn)行加工，一臺(tái)機(jī)床可以依次完成工件的全部工序，如銑、鉆、擴(kuò)、鉸、锪、攻、鏜等，功能很強(qiáng)，一次性投資少，由于是通用產(chǎn)品，生產(chǎn)周期很短，占地面積小。在更換加工品種時(shí)，只需要更換夾具和刀具，并調(diào)整新的加工程序即可，柔性好，時(shí)間短，花費(fèi)少。但這樣的機(jī)床也有問題，其只有一個(gè)主軸，每次只能安裝一把刀具加工一個(gè)工序，無法實(shí)現(xiàn)多刀同時(shí)加工。為了加工多個(gè)不同的工序內(nèi)容，或?qū)ν粋€(gè)工序內(nèi)容進(jìn)行多次加工，只能不斷地更換刀具，用單刀一個(gè)一個(gè)地輪流依次完成各工序加工，工作效率較低，并且需要配備刀庫及換刀機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，輔助時(shí)間長，精度和剛性受到很大影響，可靠性也較低。如果需要加工工件的前后左右四個(gè)面時(shí)，還需要在夾具下面配置B軸回轉(zhuǎn)臺(tái)，才能帶動(dòng)工件回轉(zhuǎn)以加工四面，但仍然不能加工工件的頂部，即不能進(jìn)行五面加工。為了盡量提高工作效率，加工中心往往采用高速加工方式，這樣對加工中心的結(jié)構(gòu)性能提出更高要求，價(jià)格也大幅上漲，即使這樣，加工中心的效率比傳統(tǒng)組合機(jī)床也要低不少，一般只適合于多品種單件和小批量加工，多臺(tái)加工中心配以手動(dòng)或自動(dòng)送料裝置，可以組成柔性生產(chǎn)線或自動(dòng)線，生產(chǎn)方式較為靈活。

為了提高加工效率，有的加工中心在主軸及箱體上配置多軸箱，在多軸箱的各個(gè)主軸上安裝相應(yīng)刀具，這樣就可以實(shí)現(xiàn)多刀同時(shí)加工，效率大大提高。但是這樣的工作方式也有很大問題：由于主軸的剛性有限，使得能夠配置的多軸箱軸數(shù)不能太多，箱中各個(gè)主軸的分布范圍也不能太大，這樣，當(dāng)工件的加工內(nèi)容很多、或加工內(nèi)容分布范圍很大、或同一個(gè)工藝內(nèi)容需要分先后多次加工時(shí)，就不能用一個(gè)多軸箱完成全部加工，此時(shí)，要么設(shè)置多個(gè)多軸箱安裝在箱體或滑枕端面并隨其運(yùn)動(dòng)輪流加工，而這從安裝結(jié)構(gòu)及滑枕箱體剛性上來說是不可能的;要么每次就使用一個(gè)多軸箱進(jìn)行加工、并在加工過程中不斷地更換多軸箱，但這樣又需要增加多軸箱更換及聯(lián)接機(jī)構(gòu)，還要設(shè)置龐大的多軸箱庫，很復(fù)雜，可靠性會(huì)大大降低，而且加工精度也會(huì)大幅下降，對加工中心的結(jié)構(gòu)剛性也提出了更高要求，很難完全滿足。

1 數(shù)控逆向加工組合機(jī)床特點(diǎn)

針對現(xiàn)有傳統(tǒng)組合機(jī)床和加工中心的不足，為了解決些各自存在的問題，恒力公司進(jìn)行了大膽創(chuàng)新，在滑枕式三坐標(biāo)加工單元型式的臥式加工中心基礎(chǔ)上，結(jié)合傳統(tǒng)組合機(jī)床的特點(diǎn)，針對中小型工件及夾具單元一般相對較小較輕便于安裝便于運(yùn)動(dòng)、而完成全部工序所需的各多軸箱較大較重難以安裝難以運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，將數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)以及安裝在其上的工件及夾具由固定不動(dòng)改為安裝在在滑枕端面進(jìn)行三軸方向運(yùn)動(dòng)，而將原本需要不斷更換的、或需要全部安裝在滑枕端面的各多軸箱按順序、分一到三個(gè)方向安裝在機(jī)底底座上固定不動(dòng)。工作時(shí)，由滑枕帶動(dòng)工件在三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)、并經(jīng)回轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)位，夾具工件在所需的不同位置定位，依次使用不同的多軸箱進(jìn)行加工，就能完成對工件多面多工序的加工。這樣，就徹底解決了工件的多工序加工效率高與多軸箱運(yùn)動(dòng)或更換困難的矛盾，既可以進(jìn)行多刀同時(shí)加工，又不需要運(yùn)動(dòng)又大又重的各多軸箱或頻繁更換各多軸箱，精度、剛性都能得到保證，結(jié)構(gòu)也大大簡化了。

該新型機(jī)床采用四個(gè)數(shù)控軸分別控制三個(gè)直線方向和一個(gè)回轉(zhuǎn)方向的運(yùn)動(dòng)，分別為在底座上帶動(dòng)立柱左右運(yùn)動(dòng)的X軸、在立柱上帶動(dòng)滑板上下運(yùn)動(dòng)的Y軸、在滑板上帶動(dòng)滑枕前后運(yùn)動(dòng)的Z軸、在滑枕上用回轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)夾具和工件轉(zhuǎn)位的C軸，構(gòu)成四坐標(biāo)（或簡化為三坐標(biāo)）加工單元，工件的正面及兩側(cè)面同時(shí)固定安裝多個(gè)多軸箱及各主軸上的刀具，夾具安裝在滑枕端面或其上的回轉(zhuǎn)臺(tái)上，工件裝夾在夾具內(nèi)。機(jī)床工作時(shí)，安裝在滑枕端部并進(jìn)行X、Y、Z三軸方向運(yùn)動(dòng)并定位的是夾具及工件，安裝在機(jī)床底座上固定不動(dòng)的是多軸箱和刀具，由工件相對固定多軸箱的主軸而運(yùn)動(dòng)以進(jìn)行加工。

與三坐標(biāo)單元型式的臥式加工中心的工作方式相比，該機(jī)床同樣具有三坐標(biāo)加工單元，只是加工單元中沒有主軸而代之以夾具，而工件夾具與主軸刀具的運(yùn)動(dòng)方式完全相反，是一種逆向工作的機(jī)床，而又具有組合機(jī)床多軸加工的特點(diǎn)，機(jī)床控制一般采用使用數(shù)控系統(tǒng)，各運(yùn)動(dòng)部件都為數(shù)控軸，因此稱其為數(shù)控逆向加工組合機(jī)床。該機(jī)床完全不同于傳統(tǒng)組合機(jī)床和加工中心，是一種新型高效柔性組合機(jī)床，是對傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)和加工方式的創(chuàng)新，工件三坐標(biāo)移動(dòng)、多軸箱固定的機(jī)床總體結(jié)構(gòu)及工作方式是本機(jī)床的最大創(chuàng)新。

2 數(shù)控逆向加工組合機(jī)床的結(jié)構(gòu)

逆向組合機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)見圖1，圖2是立柱縱剖面視圖。圖中，1-底座，2-滑板，3-立柱，4-滑枕，5-X軸伺服電機(jī)，6-X軸滾珠絲桿，7-X軸導(dǎo)軌，8-Y軸導(dǎo)軌，9- Y軸滾珠絲桿（兩個(gè)），10- Y軸伺服電機(jī)（兩個(gè)），11-平衡油缸，12-工裝夾具，13-多軸箱（若干個(gè)），14-Z軸伺服電機(jī)，15-C軸回轉(zhuǎn)臺(tái)，16-多軸箱電機(jī)，17-刀具，18-主軸，19- Z軸滾珠絲桿，20-活塞桿，21-Z軸導(dǎo)軌。

機(jī)床由底座、立柱、滑板、滑枕、回轉(zhuǎn)臺(tái)、工裝夾具、多軸箱、刀輔具、數(shù)控系統(tǒng)和其他功能部件等組成，伺服電機(jī)、滾珠絲杠、導(dǎo)軌及其聯(lián)接的不同運(yùn)動(dòng)部件構(gòu)成X、Y、Z三個(gè)方向的數(shù)控軸，立柱設(shè)于底座上并作水平左右直線運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成X軸，滑板設(shè)于立柱正面并作豎直上下直線運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成Y軸，滑枕設(shè)于滑板的方孔內(nèi)作水平前后伸宿直線運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成Z軸，回轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)于滑枕前端并作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成C軸，工裝夾具可設(shè)于C軸回轉(zhuǎn)臺(tái)上，也可以去掉回轉(zhuǎn)臺(tái)直接安裝在滑枕端面，被加工零件裝夾在夾具內(nèi)，在夾具對面和側(cè)面疊加安裝若干個(gè)多軸箱模塊，如可在左側(cè)疊加安裝若干個(gè)多軸箱模塊，也可在右側(cè)同樣疊加安裝若干個(gè)多主軸箱模塊，也可在對面疊加安裝若干個(gè)多軸箱模塊，或同時(shí)在左右兩側(cè)以及對面疊加安裝若干個(gè)多軸箱模塊。

立柱3設(shè)于底座1上，立柱3和底座1之間設(shè)有X軸導(dǎo)軌7，由X軸伺服電機(jī)5驅(qū)動(dòng)，通過X軸滾珠絲桿6傳動(dòng)，帶動(dòng)立柱3沿X軸導(dǎo)軌7左右運(yùn)動(dòng);滑板2設(shè)于立柱3的正面，滑板2和立柱3之間設(shè)有Y軸導(dǎo)軌8，兩個(gè)Y軸伺服電機(jī)10同時(shí)驅(qū)動(dòng)，通過Y軸滾珠絲桿9傳動(dòng)，帶動(dòng)滑板2沿Y軸導(dǎo)軌8上下運(yùn)動(dòng);在立柱3的頂部中間位置安裝平衡油缸11，活塞桿20下端與滑板2連接;滑枕4設(shè)于滑板2的方孔內(nèi)，滑板2和滑枕4之間設(shè)有Z軸導(dǎo)軌14， Z軸伺服電機(jī)14驅(qū)動(dòng)，通過Z軸滾珠絲桿傳動(dòng)，帶動(dòng)滑枕4沿Z軸導(dǎo)軌14前后伸縮運(yùn)動(dòng);工裝夾具12可設(shè)于C軸回轉(zhuǎn)臺(tái)15上，C軸回轉(zhuǎn)臺(tái)15設(shè)于滑枕4的前端，或工裝夾具12也可直接安裝在滑枕4端面;在工裝夾具12對面疊加安裝若干個(gè)多軸箱13，多軸箱13都為固定不動(dòng)，可在左側(cè)疊加安裝若干個(gè)多軸箱13，也可在右側(cè)同樣疊加安裝若干個(gè)多軸箱13，或同時(shí)在左右兩側(cè)及對面疊加安裝若干個(gè)多軸箱13，各多軸箱13的主軸18上安裝刀具17。底座上的X軸亦可設(shè)為雙滾珠絲桿副驅(qū)動(dòng)，被加工工件裝夾在工裝夾具12內(nèi)。

機(jī)床的Y軸需要進(jìn)行豎直方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，受其組成零部件的重力因素影響較大，容易造成運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，并會(huì)導(dǎo)致?lián)p失部分運(yùn)動(dòng)精度。為了改善Y軸的動(dòng)力學(xué)性能，在滑板兩側(cè)采用雙滾珠絲桿副驅(qū)動(dòng)，并與滑板中心線對稱設(shè)置，使得滑板進(jìn)給力受力中心與滑板承受切削力的中心重合，大大改善了導(dǎo)軌及滾珠絲桿副的受力狀況，進(jìn)給機(jī)構(gòu)受力均勻，提高了定位精度和加工精度。同時(shí)，滑板中間還設(shè)有一個(gè)平衡油缸，與滑枕中心線重合，用以平衡滑板和滑枕、回轉(zhuǎn)臺(tái)、夾具的重量，使其重心與平衡油缸的平衡力作用中心重合，導(dǎo)軌及滾珠絲桿副受力均衡，進(jìn)給機(jī)構(gòu)承受的附加偏轉(zhuǎn)力矩很小，進(jìn)一步改善了導(dǎo)軌及滾珠絲桿副的受力狀況。

3 數(shù)控逆向加工組合機(jī)床的工作過程

逆向組合機(jī)床工作時(shí)，由人工或自動(dòng)送料裝置將工件送入夾具中定位夾緊，立柱、滑板、滑枕進(jìn)行三個(gè)直線坐標(biāo)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，將工件送到相應(yīng)多軸箱進(jìn)行加工，完畢后再送到下一個(gè)多軸箱繼續(xù)加工，直至加工完該面上的全部加工內(nèi)容，經(jīng)回轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)位，將另一個(gè)面轉(zhuǎn)至加工所需位置，同樣進(jìn)行上述加工過程，如此一個(gè)面一個(gè)面地輪流完成其正面及四側(cè)面共五個(gè)面的加工，卸下工件，完成一個(gè)加工循環(huán)，再裝夾新工件，進(jìn)行下一個(gè)加工循環(huán)。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)組合機(jī)床及自動(dòng)線采用多刀同時(shí)加工，效率高，但一次性投資大，換品種不便，生產(chǎn)周期長。加工中心采用單刀輪流加工，工藝安排靈活，投資少，換品種方便，柔性好，生產(chǎn)周期短，但效率較低。針對這兩者的局限性，創(chuàng)新提出數(shù)控逆向加工組合機(jī)床，采用多刀同時(shí)加工，且可對同一面依次進(jìn)行多工序加工，多軸箱在三側(cè)面疊加固定，夾具工件裝在滑枕端部進(jìn)行三坐標(biāo)進(jìn)給，依次使用不同的多軸箱進(jìn)行加工，相當(dāng)于小型組合機(jī)床自動(dòng)線，功能強(qiáng)大，效率高，換品種方便，柔性較好，投資少，占地面積小，生產(chǎn)周期短，是新型機(jī)床，代表了組合機(jī)床未來的發(fā)展方向之一。