淺談大、重型數(shù)控機(jī)床對(duì)大型和超大型工件的加工

肖志華

引言：眾所周知，大型和超大型工件的特點(diǎn)是尺寸大，尺寸從幾米到幾十米不等；重量很重，重量從幾噸、幾十噸到幾百噸，這就要求機(jī)床具有足夠的剛度和承載能力，要有足夠的空間容納工件，還要有足夠的驅(qū)動(dòng)和切削功率，加工刀具也要有相應(yīng)的切削能力和壽命。所以，必須攻克這一整套的裝備和技術(shù)才能完成這些大型、超大型零件的加工任務(wù)。 國外在研發(fā)用于加工大型和超大型零件的設(shè)備方面的成果較多，進(jìn)展也比我們快，特色機(jī)床更多，技術(shù)水平更高。下面，有選擇地簡介幾個(gè)歐洲企業(yè)加工有代表性的大型和超大型工件的方法和加工設(shè)備情況。

一、超大規(guī)格傳動(dòng)裝置殼體的加工

在為制造船舶和風(fēng)電設(shè)備等應(yīng)用的大型齒輪傳動(dòng)裝置殼體所提供的加工設(shè)備方面，德國Renk公司的聲譽(yù)較好。他們制造了重達(dá)100噸、傳遞扭矩達(dá)350 kNm的標(biāo)準(zhǔn)系列的傳動(dòng)裝置。由于傳動(dòng)齒輪是每個(gè)傳動(dòng)裝置的核心部件，Renk公司自己生產(chǎn)齒輪。傳動(dòng)裝置的殼體由上、下殼體兩部分組成，而殼體本身就重達(dá)20噸，殼體也是自己加工制造。

為這項(xiàng)任務(wù)，Renk公司用了2臺(tái)能加工的工件尺寸9m×3.8m×2m的大型加工中心，既承擔(dān)平面銑削加工，還要預(yù)加工軸承孔，從粗加工到精整尺寸以及全部的孔加工。用這種方式，Renk節(jié)省很多準(zhǔn)備時(shí)間。加工時(shí)間是一個(gè)重要因素，所以要充分利用好機(jī)床的生產(chǎn)能力。每臺(tái)大型加工中心最近7年的平均使用時(shí)間有4，700h。加工一個(gè)傳動(dòng)裝置的上、下殼體要花費(fèi)30至50小時(shí)，因此，能節(jié)省每一分鐘都是值得的。

要提高加工超大型工件的效率，除了機(jī)床本身的性能好以外，切削性能良好的刀具也很重要。20多年來，Renk公司一直應(yīng)用山高（SECO）刀具公司的刀具。在大型機(jī)床上應(yīng)用了SECO公司的Double Octomill面銑刀，這個(gè)具有16個(gè)刀片的面銑刀，可提供的直徑從63mm至500mm不等。大功率可轉(zhuǎn)位刀片適合對(duì)各種不同材料的大型零件進(jìn)行粗加工和精整加工。考慮到應(yīng)用的靈活性，由高速鋼（HSS）制成的中間夾緊孔和導(dǎo)向桿保證在大進(jìn)給量時(shí)，16個(gè)可轉(zhuǎn)位刀片都能很好的精確定位，每個(gè)刀片顯示的成本都很低。Double Octomill面銑刀能以很高的速度進(jìn)行切削加工，同時(shí)也降低了刀具成本。

二、直徑達(dá)8，000mm環(huán)形零件的加工

近年來，在風(fēng)力設(shè)備上特別需要應(yīng)用環(huán)形零件；塔形結(jié)構(gòu)件需要的法蘭連接也需要直徑8，000 mm的環(huán)形零件；同樣，纜車吊箱和轉(zhuǎn)子葉片最佳定位必需的大型旋轉(zhuǎn)聯(lián)接機(jī)構(gòu)也少不了大型環(huán)形件?？墒且乙慌_(tái)高生產(chǎn)率的加工大型環(huán)形零件的專用機(jī)床并不容易。由于實(shí)際市場容量并不大，人們往往只能選用一些現(xiàn)有的龍門結(jié)構(gòu)的立車或立式銑削中心來加工。而西班牙的Ibarmia公司提出了一整套加工大型環(huán)形零件的特殊解決方案。因?yàn)楹芏嘤脩舳夹枰ㄣ@孔、銑削和車削等加工大型環(huán)形件的全套加工方案。下面就簡介一下他們的方案。

Ibarmia公司把環(huán)形件安裝在機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)上，呈準(zhǔn)確的自然水平位置進(jìn)行加工，這樣便于分度，可以用回轉(zhuǎn)頭或角鏜頭一個(gè)接一個(gè)地進(jìn)行臥式孔加工。該公司制造高精度轉(zhuǎn)臺(tái)，用合適的同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，并按需要選用滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)臺(tái)或靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)，這兩種轉(zhuǎn)臺(tái)，都是通過1個(gè)高質(zhì)量的大齒輪和2個(gè)小齒輪驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)還配備一個(gè)通過海德漢的RCN空心軸同步發(fā)送機(jī)工作的直接測量系統(tǒng)，用于精確的回轉(zhuǎn)控制。近20年來，Ibarmia公司開發(fā)了一系列適合用戶需要，并滿足不同工件夾緊的各種手動(dòng)或自動(dòng)定心的夾緊裝置，其中就有靈活的快速找正的夾爪和支架。

Ibarmia公司還集成一個(gè)包括刀具監(jiān)控和管理的先進(jìn)的控制系統(tǒng)。除了可以無人化生產(chǎn)外，需要時(shí)還能診斷刀具破損或工件損壞引起機(jī)床停機(jī)的時(shí)間。

用可轉(zhuǎn)位刀片的鏜刀，在已知孔深的情況下，還要求用高壓冷卻液內(nèi)冷卻刀具。這不僅是散熱必需的，而且也是借高壓冷卻液排出切屑的重要手段，以保證所要求的加工精度和質(zhì)量。冷卻液泵是用壓力為20巴到60巴可調(diào)的電泵。為了防止高壓冷卻液流出和切屑傷人，加工空間密封是必要的。切屑和冷卻液通過兩級(jí)凈化處理。

Ibarmia的動(dòng)立柱機(jī)床可標(biāo)準(zhǔn)配置SV系列的立式主軸頭或SVK系列的立/臥自動(dòng)轉(zhuǎn)換主軸頭。一個(gè)尺寸規(guī)格大的支柱，在轉(zhuǎn)臺(tái)一側(cè)從外向內(nèi)移動(dòng)，可加工不同直徑的環(huán)形零件。把強(qiáng)有力的主軸頭安置在支柱前面進(jìn)行孔加工。而配置SVK自動(dòng)主軸頭的方案，可進(jìn)行立式和臥式孔加工，這對(duì)于一次裝卡就能完成各種孔加工和其他加工來說是比較理想的配置。

機(jī)床還可以配置兩個(gè)加工單元，同時(shí)對(duì)工件進(jìn)行加工。如FVV系列機(jī)床就配置兩個(gè)立式主軸單元；FVK系列機(jī)床配置一個(gè)立式主軸單元和一個(gè)可用于立/臥加工的立/臥自動(dòng)轉(zhuǎn)換主軸單元；而FKK系列機(jī)床則帶兩個(gè)用于立/臥加工的立/臥自動(dòng)轉(zhuǎn)換主軸單元。在加工不對(duì)稱孔的情況下，或者需要銑削加工時(shí)，機(jī)床可以用一個(gè)帶有另一控制軸的十字滑座來擴(kuò)展機(jī)床的功能。

就機(jī)床結(jié)構(gòu)而言，認(rèn)為龍門式結(jié)構(gòu)較好，加工幾乎不受限制。所以他們開發(fā)了P系列和G系列不同龍門結(jié)構(gòu)機(jī)床。P系列龍門結(jié)構(gòu)機(jī)床可加工小直徑至很大直徑的環(huán)形件。轉(zhuǎn)臺(tái)位于橫梁中間下方，橫梁上可選配一個(gè)或兩個(gè)可移動(dòng)的立式主軸加工單元，并可同時(shí)用兩個(gè)立式主軸加工單元加工，效率更高。如需臥式加工，則可按需要選配不同角度的鏜頭或臥式主軸頭。在G系列龍門結(jié)構(gòu)機(jī)床上，工件的徑向定位不通過轉(zhuǎn)臺(tái)，而應(yīng)用獨(dú)有的線性軸，包括立柱在內(nèi)的龍門架沿長度方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定位，其巨大的優(yōu)點(diǎn)是除可加工大型環(huán)形件外，還可加工大型平板件。

三、大規(guī)格超精密機(jī)床DIXI 210

DMG森精機(jī)研發(fā)的產(chǎn)品中，大規(guī)格超精密機(jī)床DIXI 210當(dāng)屬目前世界上獨(dú)有的最新、規(guī)格最大、技術(shù)水平最高的超精密加工機(jī)床。它結(jié)合了瑞士的精密加工傳統(tǒng)以及手工技藝和德國工程技術(shù)人員認(rèn)真的制造工藝。這是一臺(tái)高檔的龍門結(jié)構(gòu)機(jī)床，制造的很完美。為了達(dá)到盡可能高的剛性和穩(wěn)定性，龍門結(jié)構(gòu)采用3點(diǎn)支撐，即用3個(gè)由GGG60材料制成的鑄件塊來支撐。這為在強(qiáng)力銑削加工時(shí)達(dá)到最好的精密度和盡可能大的功率值奠定了基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)表示，用DIXI 210超精密機(jī)床，只要多一點(diǎn)夾緊，就可以加工直徑達(dá)2，500 mm、高1，250 mm以及最重8，000 kg的工件，既可以高效率進(jìn)行粗加工，也可以高動(dòng)態(tài)（0.6g）、快速進(jìn)給（60mm/min）進(jìn)行精整加工，體積精度<35μm。主軸采用不同的大功率電主軸，最大功率為114 kW。同樣也可以選用1，550 Nm和最高轉(zhuǎn)速6，300 r/min的電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸。這么大的機(jī)床，精密度是真正的拿手技藝，只有通過有經(jīng)驗(yàn)的DIXI員工的手工刮研500多小時(shí)后，才能達(dá)到精密度規(guī)定的接觸面平整度、直線度和垂直度的要求，在所有直線坐標(biāo)和回轉(zhuǎn)坐標(biāo)的共同高精度作用下，最終才能在工件上達(dá)到最小的形位誤差。

用戶在以后的使用過程中不丟失精度，其中之一是要注意控制所有發(fā)熱部件的冷卻問題。此外，機(jī)床安裝后要全部進(jìn)行三維尺寸的測量，有時(shí)還要進(jìn)行精確的調(diào)整，既要注意局部的熱膨脹，也要關(guān)注空間精度和環(huán)境溫度梯度。

總之，世界主要機(jī)床制造大國，大、重型機(jī)床創(chuàng)新成果很多，中國機(jī)床工快速發(fā)展中，大、重型機(jī)床的成果也很突出。以上介紹涉及的大型和超大型工件的加工設(shè)備，中國的機(jī)床工業(yè)幾乎都能提供。近年來，中國風(fēng)電工業(yè)的強(qiáng)勁發(fā)展以及航空、航天和國防軍工技術(shù)的發(fā)展成果，都是很好的例證。我想，現(xiàn)在中國機(jī)床行業(yè)完全有能力解決這類零件的加工問題。

（作者單位：國營九六三一廠）