臥式加工中心設(shè)計與選用的若干基本問題

龔仲華

(常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213164)

臥式加工中心是企業(yè)常用的高效、自動加工設(shè)備，其適用范圍廣、功能強、價格高。隨著制造技術(shù)的進步，機床結(jié)構(gòu)不斷推陳出新、功能日益增強，并出現(xiàn)了各種高效、高速、高精度加工和五軸加工機床，以至于部分設(shè)計人員在機床設(shè)計或設(shè)備選用時出現(xiàn)了一些問題。本文就臥式加工中心的型號、結(jié)構(gòu)形式、自動換刀、工作臺交換和五軸加工等基本問題進行了分析和說明，指出了不同形式機床的特點及適用范圍，希望能為機床設(shè)計人員和設(shè)備選用者提供參考。

1 機床型號

根據(jù)GB/T15375－2008(包括1994版)《金屬切削機床型號編制方法》標準規(guī)定，國產(chǎn)臥式加工中心一般歸為臥式鏜銑類機床的TH63＊＊組，但由于傳統(tǒng)習(xí)慣，絕大多數(shù)臥式加工中心型號中的主參數(shù)是機床回轉(zhuǎn)工作臺的規(guī)格，而不是標準中所規(guī)定的鏜軸直徑。例如，TH6363表示其回轉(zhuǎn)工作臺的規(guī)格為630 mm×630 mm等。

GB/T15375標準未對工作臺自動交換(APC)、五軸加工和復(fù)合加工規(guī)定專門的通用特性、結(jié)構(gòu)特性代號，因此，此類機床的型號一般由機床生產(chǎn)廠家自行命名，目前尚不規(guī)范。例如，北京機床研究所將以臥式車床為基礎(chǔ)的車銑復(fù)合機床的型號定義為CXHA61*＊，沈陽機床集團將以刨臺臥式鏜銑床為基礎(chǔ)的車銑復(fù)合機床的型號定義為TCHA65＊＊等，都是既符合標準又能代表機床特性的較好命名方法。

值得一提的是，金屬切削機床實際上分為傳統(tǒng)加工和非傳統(tǒng)加工(特種加工)兩類，GB/T15375標準適用于傳統(tǒng)加工機床，而電加工等特種加工機床的型號編制有自己的標準(JB/T 7445.1－2005)，但在部分大專院校的教材［1］上，認為特種加工機床是屬于 GB/T15375標準類別代號為D的機床，這種說法值得商榷。

2 結(jié)構(gòu)形式

臥式加工中心的結(jié)構(gòu)形式在很大程度上決定了機床的基本性能和適用范圍，在設(shè)計和選用時需要首先予以確定。

臥式加工中心的基本結(jié)構(gòu)有工作臺移動、立柱移動和主軸箱移動3種。工作臺移動、立柱移動是臥式鏜銑床的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu);主軸箱移動是為適應(yīng)現(xiàn)代高速、高精度加工要求而研發(fā)的新穎結(jié)構(gòu)。臥式機床的Y軸總是為主軸箱運動，故以上移動方式僅針對X、Z軸而言。

工作臺移動的機床利用十字滑臺實現(xiàn)X、Z運動，其床身通常為一字形(近似矩形)，Z軸在下、X軸在上，工作臺安裝在X軸滑臺上。這種機床的主軸剛性好、精度高，機床安裝運輸較方便，但工作臺的結(jié)構(gòu)層次多、左右運動的X軸支承剛性差，有時需要加輔助導(dǎo)軌，故較適合于小型臥式加工中心。

立柱移動臥式加工中心的床身為T形，立柱在床身上作X、Z向十字運動，工作臺位置固定。這種機床的X、Y、Z三軸運動部件的重量恒定，機床剛性好，工作臺承載能力強，工作臺交換實現(xiàn)容易，但由于立柱連同主軸箱需要整體移動，運動部件的體積大、重量重，其快速移動速度、定位精度的提高較困難，故多用于大中型機床。

工作臺移動和立柱移動的機床各有優(yōu)缺點，為此，大中型臥式加工中心經(jīng)常采用工作臺/立柱混合移動結(jié)構(gòu)，以減少結(jié)構(gòu)層次、減輕運動部件重量、提高工作臺承載能力。混合移動機床有Z軸為工作臺移動、X軸為立柱移動和X軸為工作臺移動、Z軸為立柱移動兩類，前者X軸行程較短、工作臺左右位置固定，適合于帶矩形轉(zhuǎn)臺的大中型箱體加工機床;后者結(jié)構(gòu)類似于刨臺臥式數(shù)控鏜銑床，X軸行程大，適合于無轉(zhuǎn)臺的床身、梁等長工件加工機床。

主軸箱移動是用于高速、高精度加工機床的新穎結(jié)構(gòu)(如圖1)，它采用了寬框立柱，主軸箱隨框式滑臺的左右運動為X軸，在滑臺上的上下運動為Y軸;滑枕主軸在主軸箱內(nèi)的軸向運動為Z軸。由于機床具有立柱外框和滑臺、主軸箱內(nèi)框，故稱為“框中框”或“箱中箱”結(jié)構(gòu)。

主軸箱移動的機床運動部件重量輕、結(jié)構(gòu)對稱性好，熱變形小，自動換刀、工作臺交換方便，但主軸剛性較差、輸出轉(zhuǎn)矩較小，故多用于高速臥式加工中心。為提高主軸剛性和精度，加大主軸輸出轉(zhuǎn)矩，實際機床也常采用圖2所示的工作臺/主軸箱混合移動結(jié)構(gòu)，此類機床的X/Y軸保留了主軸箱移動運動部件重量輕、對稱性好、熱變形小的優(yōu)點;而Z軸以工作臺移動代替了滑枕，具有工作臺移動機床主軸剛性好、精度高的優(yōu)點，這是高速、高精度臥式加工中心常用的結(jié)構(gòu)形式。

3 自動換刀

加工中心的刀庫容量、刀具規(guī)格、換刀速度在很大程度上決定了機床的加工能力和效率，由于臥式加工中心的使用范圍廣、加工零件較復(fù)雜，對自動換刀裝置(ATC)的要求高于立式加工中心，在機床設(shè)計和選用時應(yīng)慎重考慮。

臥式加工中心的ATC雖然形式眾多，但總體分為無機械手換刀和機械手換刀兩種。

無機械手換刀的刀具交換需要通過刀庫或主軸的相對運動實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、控制容易，但刀具不能預(yù)選，換刀時間較長。另外，為保證主軸能夠直接裝取刀具，刀具必須與主軸平行布置，刀庫只能布置于緊靠主軸的側(cè)前方(如圖3)或立柱上方，故適合于刀庫容量較小的小型臥式加工中心。

機械手換刀的機床刀庫布置靈活、容量大、換刀快捷且可實現(xiàn)刀具預(yù)選，這是目前普遍采用的換刀方式。機械手換刀的刀庫一般置于立柱側(cè)面，高速換刀機床的機械手無移位運動，當?shù)毒吲c主軸平行(如圖4)布置時，機械手只需要進行伸縮、回轉(zhuǎn)動作;如刀具與主軸垂直布置，則需要增加換刀位刀具的90°翻轉(zhuǎn)運動。

在大中型臥式加工中心上，也有刀庫遠離主軸、刀具與主軸垂直的布置方式，這種機床在換刀時需要有機械手平移、轉(zhuǎn)位等運動，換刀時間較長，ATC結(jié)構(gòu)和控制也較復(fù)雜，故多用于對換刀速度要求不高的大型臥式加工中心。

4 工作臺交換

加工中心配備工作臺(托盤)自動交換裝置(APC)，可以節(jié)省工件裝卸時間，提高效率，在機床設(shè)計和選用時應(yīng)根據(jù)需要予以考慮。

臥式加工中心的APC與機床的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，總體可分180°回轉(zhuǎn)式和移動推拉式兩類，前者又有平臺回轉(zhuǎn)、托架回轉(zhuǎn)和托架移動回轉(zhuǎn)3種。

平臺回轉(zhuǎn)式APC的工作位和裝卸位的兩個托盤固定安放在大型回轉(zhuǎn)平臺上，托盤交換只需要進行平臺180°回轉(zhuǎn)。這種APC的支承剛性好、回轉(zhuǎn)平穩(wěn)、動作簡單、控制容易，但其體積較大、重量較重，兩側(cè)的工作臺位置必須固定不變，故只能用于立柱或主軸箱移動的加工中心。

托架回轉(zhuǎn)式APC的工作位和裝卸位的兩個托盤獨立安放，交換時通過托架抬起將兩工作臺取出，然后托架回轉(zhuǎn)180°交換兩側(cè)托盤。這種APC的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，但工作臺的載重較小且不能有左右運動，這是中小型立柱移動、主軸箱移動或Z為工作臺移動的混合移動機床普遍使用的形式。

托架移動回轉(zhuǎn)APC的布局如圖5所示，APC的結(jié)構(gòu)和交換動作與托架回轉(zhuǎn)類似，但托盤有工作位、工作側(cè)交換位、裝卸位3個安放位置，交換前需要將X、Z軸運動至規(guī)定位置，然后伸出托架、將托盤拉到工作側(cè)交換位，才能進行托架抬起、180°回轉(zhuǎn)、托架落下等動作。這種APC雖占地面積較大，動作相對復(fù)雜，但它可獨立于機床安裝，便于產(chǎn)品模塊化、系列化，這是中小型工作臺移動式機床普遍采用的形式。

托架移動回轉(zhuǎn)式APC的體積大、工作臺承載小，因此，大型工作臺移動式加工中心一般采用圖6所示的移動推拉式APC。

移動推拉式APC可用于工作臺移動或工作臺/立柱混合移動的機床，托盤交換通過電動機或氣動、液壓油缸的推拉、平移實現(xiàn)。移動推拉式APC的裝卸側(cè)有兩個位置，一個用來放置從工作位置拉出的托盤(空位);另一個安裝需要換上(推入)的托盤，兩個位置隨著工作臺交換的不斷進行交替變換。交換時先將托盤拉到空位上;接著X軸移動到推入位置，將需要換上的托盤推入到工作位置。

移動推拉式APC的支承剛性好、運動平穩(wěn)安全、結(jié)構(gòu)簡單，因此，多用于大型機床，但它對切屑清理的要求高，交換時易因切屑落入導(dǎo)軌而影響精度和正常動作。

5 五軸加工

臥式加工中心的回轉(zhuǎn)工作臺(B軸)布置十分方便，大多數(shù)機床為四軸控制。但是，由于其主軸箱一般位于框式立柱內(nèi)，主軸擺動十分困難，故很難像立式機床那樣采用主軸擺動和回轉(zhuǎn)的五軸加工方式，因而，配置兩軸回轉(zhuǎn)工作臺幾乎是臥式五軸加工目前的唯一選擇。此外，為保證機床的加工能力和性能，臥式加工中心的主軸輸出轉(zhuǎn)矩較大，主軸最高轉(zhuǎn)速通常低于立式機床，其高速銑削加工性能亦不及立式機床。

臥式五軸加工中心的兩軸回轉(zhuǎn)工作臺有圖7所示的B軸回轉(zhuǎn)、A軸擺動(只能在指定范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)稱擺動)和圖8所示的A軸回轉(zhuǎn)、B軸擺動兩種。

配B軸回轉(zhuǎn)、A軸擺動轉(zhuǎn)臺的機床在四軸以下加工時，工作臺位于水平位置、B軸可360°回轉(zhuǎn)，其作用相當于四軸臥式加工中心;需要五軸加工時，整個工作臺可繞水平X軸擺動(A軸)，擺動角一般在 120°(－15°～105°)左右。此類機床的工作臺大、剛性好、工作臺交換容易，故適合于大型復(fù)雜箱體、泵類零件的五軸加工;但由于A軸擺動角度較小，不宜用于葉片、葉輪類零件加工。

配A軸回轉(zhuǎn)、B軸擺動轉(zhuǎn)臺的機床工作臺為垂直布置，工作臺可繞X軸360°回轉(zhuǎn)(A軸)，在四軸以下加工時，工作臺安裝平面可在與主軸平行或垂直的位置上360°回轉(zhuǎn)，機床功能類似于帶C或A軸的四軸立式加工中心;需要五軸加工時，工作臺可繞Y軸擺動(B軸)使安裝平面和主軸傾斜，擺動角一般在165°左右(－120°～45°)。這種結(jié)構(gòu)機床的B軸擺動范圍較大，適合于小型葉片葉輪類零件的五軸加工，但工作臺規(guī)格和承載力小，工作臺交換復(fù)雜。

6 結(jié)語

綜上所述，不同結(jié)構(gòu)的臥式加工中心各有優(yōu)缺點，且機床的自動換刀裝置、工作臺交換裝置等的設(shè)計和機床的結(jié)構(gòu)布局密切相關(guān)，而其五軸加工性能則與雙軸轉(zhuǎn)臺的配置有關(guān)，這些都是在臥式加工中心設(shè)計、用戶選用時需要引起注意的基本問題。

［1］夏鳳芳.數(shù)控機床［M］.2版.北京:高等教育出版社，2010.

［2］周延佑，林益耀.高速加工機床和低價位機床技術(shù)發(fā)展新趨勢［J］.機械制造，1998(12).