重型和超大型數(shù)控機(jī)床

張 曙 張炳生 譚為民

張曙 同濟(jì)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，上海市科技功臣、全國優(yōu)秀科技工作者、中國機(jī)械工程學(xué)會榮譽(yù)理事。

1 重型機(jī)床設(shè)計(jì)的共性

大型和重型機(jī)床用于加工大型零件，其共同特征是工件的重量大，可達(dá)數(shù)百噸，機(jī)床尺度大，可達(dá)數(shù)十米，切削力大，可達(dá)數(shù)千牛。這“三大”就造成大型和重型機(jī)床設(shè)計(jì)原則與中小型機(jī)床的有較大的差別。主要表現(xiàn)在機(jī)床結(jié)構(gòu)件、導(dǎo)軌系統(tǒng)、驅(qū)動方式和加工工藝復(fù)合化4個(gè)方面。

1.1 重型機(jī)床的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

重型機(jī)床的結(jié)構(gòu)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(jī)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(jī)床動態(tài)性能。因此，對移動部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，應(yīng)該放在首要地位來考慮。以立柱為例，其優(yōu)化原則和典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖中可見，實(shí)體的立柱固然具有最大的剛度，但材料耗費(fèi)也最大，沒有加強(qiáng)筋的薄殼柱體，材料最省，重量僅為實(shí)體的19%，但變形最大。設(shè)計(jì)者的任務(wù)是在兩者之間選擇相對剛度較大，材料用量相對較少的優(yōu)化方案。圖中列出不同機(jī)床廠家采取的措施：有網(wǎng)格形、隔板形、蜂窩或交叉形加強(qiáng)筋。重型機(jī)床的結(jié)構(gòu)件不能僅憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，必須借助有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化才能獲得最佳的剛度重量比，保證機(jī)床良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。一個(gè)成功的加強(qiáng)筋案例（藍(lán)點(diǎn)）材料耗費(fèi)僅增加4%，而剛度卻提高了350%，

1.2 導(dǎo)軌和驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

重型機(jī)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(dǎo)軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了難題。線性導(dǎo)軌的承載能力有限，滑動導(dǎo)軌當(dāng)載荷波動大的情況下，性能也不理想，靜壓導(dǎo)軌往往成為首選的方案，如圖2所示。

從圖中可見。往復(fù)移動工作臺的導(dǎo)軌面上安裝有液壓支撐塊，借助兩個(gè)驅(qū)動齒輪使工作臺移動；回轉(zhuǎn)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(dǎo)軌配合。為了適應(yīng)工件重量的變化，要求每個(gè)液壓支撐塊獨(dú)立供油、壓力可調(diào)、溫度保持恒定，構(gòu)成一個(gè)壓力和溫度的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

當(dāng)直線移動距離超過6 m時(shí)，滾珠絲杠螺母傳動就不太適用。因此，在重型機(jī)床的長距離移動時(shí)大多采用齒輪齒條傳動。為了消除反向背隙，通常采用兩個(gè)伺服電動機(jī)完成進(jìn)給，從伺服電動機(jī)用于消除背隙。回轉(zhuǎn)工作臺的雙伺服電動機(jī)驅(qū)動也然。

1.3 加工工藝復(fù)合化

加工工件重量大、搬運(yùn)不方便、定位調(diào)整費(fèi)事費(fèi)時(shí)，最好一次安裝全部加工完畢。復(fù)合加工機(jī)床應(yīng)運(yùn)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(tuán)推出的INVAR落地鏜銑床是現(xiàn)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(shù)控（包括雙擺數(shù)控銑頭），不僅外形美觀，呈現(xiàn)時(shí)代感，且具有以下3個(gè)與眾不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如圖4所示。

（1）移動立柱采用全封閉結(jié)構(gòu)。借助獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)供給恒溫氣流，保持立柱和主軸箱處于一個(gè)恒定的熱狀態(tài)，避免機(jī)床結(jié)構(gòu)熱變形所引起的加工誤差。

（2）獨(dú)立的外部承力框架。與立柱相互獨(dú)立的外部框架（圖中顯示為黑色）承擔(dān)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(dān)滑座垂直導(dǎo)向和切削力，大大減少了立柱的載荷和變形，從而達(dá)到了非常高的定位精度。

（3）4臺力矩電動機(jī)驅(qū)動。立柱的X軸移動借助4臺力矩伺服電動機(jī)驅(qū)動，分為兩組對稱安裝在立柱兩側(cè)。每一組是一臺電動機(jī)位于另一臺直接與小齒輪相連的電動機(jī)的上面，以實(shí)現(xiàn)消除反向背隙的電預(yù)緊載荷，提高了移動軸的動態(tài)性能，避免了齒輪箱傳動的機(jī)械磨損，達(dá)到實(shí)時(shí)響應(yīng)的目的。

為了適應(yīng)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(zhuǎn)工作臺，移動范圍為1 500 mm～4 000 mm。INVAR3落地鏜床的主要技術(shù)規(guī)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(jī)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(jī)床的典型產(chǎn)品。該系列的基本型號是GMCU-15000 AR，配置一個(gè)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(gè)移動龍門，縱向最大行程30 m，可在工作臺上裝夾多個(gè)工件，借助兩個(gè)龍門的主軸同時(shí)加工相同或不同的工件，以提高生產(chǎn)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(tǒng)，可以按需更換不同的銑頭，如圖7所示。

機(jī)床的結(jié)構(gòu)件采用高強(qiáng)度灰鑄鐵，整個(gè)機(jī)床結(jié)構(gòu)對稱，保證了高剛度、高精度、高阻尼和高穩(wěn)定性。3個(gè)線性軸的導(dǎo)軌系統(tǒng)是在淬硬到58～62 HRC的矩形導(dǎo)軌面上安放預(yù)緊力可調(diào)的滾柱排條構(gòu)成滾動導(dǎo)軌，剛度較高，調(diào)整方便。

X軸和Y軸的移動借助雙伺服電動機(jī)驅(qū)動齒輪齒條來實(shí)現(xiàn)，從而避免了反向背隙，保證機(jī)床具有良好的動態(tài)性能和加工精度。

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

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4 M150大型車銑復(fù)合機(jī)床

大型軸類零件通常具有復(fù)雜的特征形狀，需要進(jìn)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(fù)合機(jī)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(dá)8 m，其外觀如圖8所示。

MILLTURN 系列的設(shè)計(jì)理念是將車床、5軸加工中心和3D測量機(jī)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(jī)床的穩(wěn)定性、且加工區(qū)域的可接近性好、操作方便。

床身采用全封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部充填砂子，以增加阻尼，減少振動，提高加工表面質(zhì)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(jī)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(lián)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(fù)合機(jī)床的技術(shù)參數(shù)見表3。

5 超大型高速銑床

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飛機(jī)、風(fēng)電、核電、汽輪機(jī)、汽車、船舶設(shè)計(jì)往往需要制作1:1的模型，為了適應(yīng)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(huán)氧樹脂代木模型的加工。該機(jī)床其設(shè)計(jì)理念是：

（1）用途廣?？蛇M(jìn)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(shù)字化掃描。

（2）輕量化。橫梁采用碳纖維管構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)，主軸滑座和殼體采用鋁合金制造，提高其動態(tài)性能，減少驅(qū)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(jìn)給速度可達(dá)150 m/min，涂覆、激光加工等流程最大移動速度可達(dá)220 m/min。

（4）尺度大，兩側(cè)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(diào)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(gè)移動軸皆采用直線滾動導(dǎo)軌、X軸和Y軸采用2×1.8 kW伺服電動機(jī)驅(qū)動無間隙齒輪齒條傳動，定位精度±0.2 mm。

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

HSM-Modal高速5軸加工機(jī)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(shí)況如圖11所示，加工空間之大無與倫比。

6 結(jié)語與展望

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

重型和超大型機(jī)床是一個(gè)國家機(jī)床行業(yè)是否強(qiáng)大的標(biāo)志，我國重型機(jī)床廠不少，但居于國際領(lǐng)先水平的不多，缺乏自己的核心技術(shù)和基礎(chǔ)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(jī)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(shù)十年，仍然能夠保持加工精度。

重型機(jī)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(jī)床產(chǎn)品創(chuàng)新與設(shè)計(jì)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(jī)床產(chǎn)品創(chuàng)新與設(shè)計(jì)”專欄歷時(shí)一年半，得到了眾多業(yè)界人士的密切關(guān)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(xué)貫中西，從底層技術(shù)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(nèi)外的實(shí)際范例，深入淺出地闡述了重點(diǎn)機(jī)床產(chǎn)品的特性、現(xiàn)狀及趨勢。這種精準(zhǔn)、專業(yè)而亮點(diǎn)頻現(xiàn)的講述不僅抓住了中高層技術(shù)人員和管理人員的目光，即使是剛?cè)胄械男率忠矔闹惺芤娣藴\。

中國的機(jī)床工業(yè)發(fā)展的短短數(shù)年，取得了長足的進(jìn)步，也有著不少亟待解決的困難。我刊一向秉承為中國機(jī)床工具行業(yè)服務(wù)的宗旨，在此也借張曙教授專欄的一隅向全行業(yè)呼吁，最大限度地重視產(chǎn)品設(shè)計(jì)與創(chuàng)新才是促進(jìn)我國機(jī)床行業(yè)發(fā)展的光明之路。