机床加工的梦想成真 - 文章

机床加工的梦想成真

作者：上海机床工具集团徐正平来源：《中国机械与金属》

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本人与机床专业接触，屈指已近半个世纪。其间，机床的变革可谓翻天覆地，尤其是数控技术的创新与发展，将金属加工能力不断推向新的高度，许多原先不可思议的加工难题，而今迎刃而解。以下仅就我体会最深的几项作些粗浅阐述。

机床革命始于数控加工

近代机床的发明始于1755年，而数控机床的诞生则是在上世纪50年代初期。数控机床的优越性很多，诸如加工效率高、加工出的零件质量好等等，然而根据我的体会，用户花大价钱购买它的主要原因还是在于功能，是为了解决普通机床所不能完成的零件加工。

1. 复杂的异形件加工

本人拙见，数控技术的最大长处在于解决了复杂形状零件的加工问题，也就是说，由于数控能够实现机床的多轴联动，曲线曲面的加工也就轻而易举了。

举个例子，大家都见过普通车床的中、小拖板的手柄，这个橄榄状的椭圆体零件要是靠手工操作，那非得请有经验的车工师傅来做，因为这需要手摇两联动，本领再大的车工也不能做到千篇一律，获得零件的一致性比较困难。

为加工这种零件，随后就想出用仿形办法（俗称“靠模”），这种方法需要事先做好模板，“仿形”是指沿模板的曲线走动，车削的轨迹亦随之生成。只是，所用的车床必须改装，通常要拆除横向丝杠，并配以弹簧压紧，这就得花很多功夫。

同样，如果要铣一个平面凸轮，就必须改装立式铣床，为了保证仿形指和模板贴紧，还需适配重锤吊紧。

特别应该指出的是，模板应大于实物，一般比例为2:1。而且，模板的制作并非是实物放大2倍就可以了，而应是角度值的放大，靠画法几何作成。通常，样板复制出轮廓后先用毛刀粗铣，随后请高级钳工师傅精锉而成。

从仿形雏形到仿形机床的诞生，又经过了几个年代，而今有了数控，这种最简单不过的手柄、凸轮等零件，只需2轴联动编程后就能轻易完成。

数字控制技术的关键是脉冲技术。脉冲是一种信号，也可看成是一种波形，脉冲通过脉冲发生器可以增多发出数量，也可加快发射频率，这就使伺服进给电机能够实现可控的直线进给，同时伺服主轴电机实现可控的回转运动。

故而上述所介绍的那些简单零件，只要在2个坐标轴上不断发出脉冲加工信号，刀具就可按照程序完成加工任务。

值此必须强调的是，绝对不可以错误地理解成：数控机床就等于一台普通机床加上数控系统。数控机床所追求的是快速响应性与定位正确性的统一，所以它的设计与普通机床完全不同，其主轴、丝杆、导轨等关键运动部件方面均和普机有区别，在机床的刚性、抗振、抗热变形等要素方面也有较高要求。

当今中国数控机床红火的热点之一是能完成复杂曲面加工的多轴联动加工中心（图1）及大型门式五面体加工机床（图2）。假如读者有机会去德国南部巴伐利亚的话，不妨参观一下位于弗朗顿的著名的DMG工厂，该公司开发的多轴联动加工中心，款式与品种均居同行首位。

图1 DMG公司的多轴联动数控加工中心

图2 大型龙门式五面体加工中心

2. 顺铣和逆铣

如果进入机加工车间学习操作普通铣床的话，师傅会叮嘱你一定要逆铣而不能顺铣。所谓顺铣，即铣刀转动的切线方向与工件的进给方向一致，而逆铣则相反（图3）。

图3 顺铣与逆铣工艺对比图

而今有了数控铣床或加工中心，就不存在顺铣与逆铣的问题了，操作人员甚至会故意采用顺铣，以求获得更佳的零件表面粗糙度。

为什么普通铣床只能逆铣而不能顺铣？那是因为普通铣床采用的丝杆是普通T型丝杆，丝杆与丝杆座之间的间隙较大，若采用顺铣，就会在进给方向上受到一股同向推力，使丝杆副之间的间隙变为最大，此刻工作台属失控状态，乃至造成工件拖动刀具而酿成事故；可是逆铣则不然，因为工件在进给方向上受到阻力，丝杆的一侧始终与丝杆座贴住，工件前进时铣刀能够正常切削，不会引发事故。

数控机床采用的是滚珠丝杆，这种丝杆副之间的间隙可通过拉预紧力方式预调，基本上不存在反向间隙，或者说是反向间隙很小，此项调试是在丝杆出厂时生产企业按用户提供的数据进行的，封装后交付使用。

然而在机床的装配过程中，由于机床零件加工会存在缺陷，以及装配质量等诸多原因会导致一些误差的产生，或是使用一段时间之后滚珠丝杆副也会产生误差，那时便可通过丝杠两端的双螺母，用插片进行调节，一般是以马达端的螺母为基准，调整另一端，而机床本身的运动累积误差则是由数控系统用螺距补偿方式解决的。

3. C轴功能和U轴功能

机床的坐标轴命令，国际上有统一标准。凡是机床主轴轴线都规定称之为Z轴，那么直角坐标系中另外两个方向便是X轴和Y轴。

以立铣为例，垂向为主轴轴线方向Z，左右运动的纵向为X，前后运动的横向为Y；卧式车床，由于床鞍的运动方向和车床主轴一致，称为Z，刀架横向进给则是X。上述X、Y、Z三根是直线轴，分别围绕X、Y、Z这三根直线轴回转的就称之为A、B、C三根回转轴。

数控机床的C轴功能，在车、铣上用得最多。就铣床及加工中心而言，C轴功能通常是指围绕主轴转动的回转工作台，它可以单纯分度也可以连续回转，以配合机床的多轴联动从而实现复杂零件的加工；而对数控车床及车削中心来讲，C轴功能的作用就更大了，它甚至可以实现六面加工。

双主轴、双刀架的车削中心，就能够对棒料零件进行六面加工，即第一主轴装夹零件后，利用主轴的C轴功能，进行分度及回转，并由第一刀架车削零件的4个侧面及端面。继而第1主轴卡盘松开传送至第2主轴，夹紧，随后由第2刀架切断棒料，加工该零件的背面。这样就完成了棒料的六面加工。

日本株式会社池贝（IKEGAI）发明的专利U轴功能（图4），其原理就是加工中心主轴具有数字控制的径向进给功能，即刀具在旋转切削的同时，刀头可沿着刀架端面作径向进给运动。进给由伺服电机来控制，精度可达0.001mm。

图4 池贝机床的U轴功能

这样一来，机床除了具有铣镗功能外，还能车削。即用一把刀具就能对零件进行阶梯加工、圆弧加工或锥体与锥孔加工，经换刀后还可进行曲面加工、切槽加工及螺纹加工等等。

4. 并联机床

在上世纪90年代以前，所有的金属切削机床都是串联机床，均是由一条传动链传递下来的，车床途径是由卡盘—车头箱—床身—床鞍—刀架—刀具，而铣床则由刀具—主轴箱—立柱—床身—床鞍—工作台传来。这种结构也称C字型结构，传动链沿C字状走向。而并联机床的诞生，是机床工业的又一革命性突破。

在IMTS1994（美国芝加哥国际机床展览会）上，美国G&L公司展出了一台名为Variax的并联运动机床，它是一款在Stewart平台即空间并联机构基础上发展而成的加工机床。

所谓并联机床，就是以空间并联机构为基础，以数控软件代替部分硬件、以电子装置及元器件代替部分机械装置，通过改变桁架杆的长度及移动支点位置，来迅速实现刀具与工件的相对位置变动，从而打破了传统机床以直角坐标系为基础的串联运动学原理。

随之而来的开发就越来越实用，如德国DS公司开发的Z3铣头，意大利COMAU公司的平动机床，瑞士STARRAG公司的关节机床等，都是相当典型的并联机床。DS公司开发的铣头，便是根据并联原理研制成功的，可钻到飞机的机翼里面进行加工。如图5的照片是我2000年在IMTS（美国芝加哥展览会）上拍摄的，当时它在美国辛辛那提的展台展出。

图5 DS公司的Z3铣头

我国清华大学、哈尔滨工业大学等高等院校和机床企业联手开发成功了许多具有自主知识产权的串并联相结合机床，也称混联机床，其刚性要比并联机床好得多，同样也是一种机床设计创新的发展趋向，在11月初刚于上海落幕的2007中国国际工业博览会上，齐二机床集团展出的XNZ2430混联机床便被评为金奖。

5. 复合加工机床

机床的分类，通常是按工艺的种类来分，如车、铣、磨、镗、钻等等，但数控机床还可用工件的运动轨迹来分或按伺服机构的控制方式来分，然而当今由于复合加工的不断发展，工艺界限也随之被打破。

复合加工机床的主要形式有如下几种。以车削功能为主，兼备铣削功能的加工形式，称之为车铣复合加工；具有车铣复合加工功能的机床被称之为车铣复合加工中心，有人建议称其为第二代复合加工中心。

上世纪90年代初，奥地利WFL公司首先推出车铣复合加工中心系列产品Mill-Turn（图6），使曲轴等复杂零件的高效加工成为可能。这类机床的基本构造为斜床身车床结构，双主轴、双刀架。在刀架上方安装一个铣头，它既可作X、Y、Z三向直线轴运动，还可绕Y轴作B轴回转，并带有刀库及换刀装置。

图6 WEL公司车铣复合加工中心Mill-Turn

日本山崎MAZAK是致力于倡导复合加工的著名公司，他们提出的口号是Done in one，即要在一台机床上把所有的工艺手段均融为一体。现如今他们开发出许多类型的复合加工机床，如INTEGREX e-H系列就被誉为划时代的超复合加工机，MAZAK还模拟出未来机床的雏形（图7），在未来机床中就不分工艺界限了。

图7 MAZAK模拟的未来机床

此外，德国DMG、韩国DEAWOO大宇（现更名“斗山”）等也均有车铣复合加工中心产品问世。我国的沈阳、大连、北一等也先后将此类产品开发成功，大连机床集团的CHD25九轴五联动车铣复合中心还被评为2006年春燕奖。秦川机床和沈阳机床还先后自主研发了龙门车铣复合中心，为大型工件提供加工装备。

第二种是以铣削功能为主，兼备车削功能的加工形式，称之为铣车复合加工；具有铣车复合加工功能的机床被称之为铣车复合加工中心，有人建议称为第一代复合加工中心。

铣车复合加工中心的基本型式是在加工中心上，加上车削主轴来完成铣—车加工，这些产品的主要实例有德国HAMUEL公司的HSTM系列，瑞士Willemin-Macodel的W408MT复合单元，瑞士BUMOTEC的S-192FT铣车复合加工中心等等。

另一种颇具代表意义的是金属成形复合加工机床，金属成形加工是金属加工领域的重要组成部分之一。金属成形加工的范畴主要有冲、锻、剪切、折弯等。随着数控机床的不断发展，金属成形加工也越来越先进，尤其表现在金属复合成形加工方面。

复合成形加工，其形式主要为冲压与剪切相结合、冲压与折弯相结合或者剪折冲三者相结合，而当今已将激光加工手段也融合进来了。

刀具的不断变革

机床的实质，是完成刀具与工件的相对运动，所以刀具在金属加工中同样也起到十分重要的作用。

我是文革期间从学校毕业后进入机床厂工作的，先是学做车床。大家都知道，车工师傅的本领在于磨刀，可对我来说确实很困难。

上世纪60年代，车刀基本上都是焊接式的，磨刀间又小又脏，被砂轮机磨下的尘埃堆起有几寸高，污染非常严重。焊接车刀主要有两种，加工铸铁的车刀称BK，不需磨断屑槽；而车钢材的TK，要开断屑槽，此外还有切沉槽的割刀等。我的笨拙常受到讥讽，被说成大学生连刀都磨不好，当时的我是多么企盼能获得一把好刀，钢与铁都能车削。

上世纪70年代后，机加工车间推行可转位夹固式刀具，即在刀体上装上硬质合金刀片，有车刀也有铣刀。刀片可呈三角形或四边形，每个角都是一个刃口，一旦损坏转换一个角度就行。

随着可转位夹固式刀具的逐步推广，落后的焊接式刀具终于被淘汰，既减少了原材料与人力资源的大量浪费，更是使用十分便捷，对环保也起到积极作用。

涂层刀具又是近20年出现的一种新型刀具，是刀具发展中的一项重要突破，也是解决刀具材料中硬度、耐磨与强度、韧性之间矛盾的一项有效措施。

涂层刀具是在一些韧性较好的硬质合金基体上，通过一系列理化方法使其表面涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物，使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合，从而提高硬质合金刀具的综合性能。

常用的涂层材料有TiC、TiN和Al2O3等。当今涂层硬质合金刀具，其切削速度可以提高到300m/min以上。更值得一提的是，涂层刀具既能切削钢也可加工铸铁，我的梦想亦已成真。

我赴瑞典山高（SECO）刀具总部考察时，该公司技术经理曾向我介绍道：按ISO国际标准，将6种常用材料冠以不同代号。P钢材（蓝），PM不锈钢（黄），K铸铁（红），N非铁素体有色金属（绿），S钛合金与镍基合金（桔黄），H淬火钢（灰）。而车削的代号为T（Turning），铣削为M（Milling），那么，车钢的刀具山高公司就称为TP，铣铸铁的刀具就称为MK，以此类推。值得指出的是，而今TP也可车铸铁，而MK也能铣钢。

当今刀具的涂层技术发展迅猛，SECO新近发明了一种名为Duratomic的专利技术，使氧化铝涂层的原子排列得以优化，由于α向性能得以改善，故而涂层又厚又牢，其耐磨性及抗冲击性大为提高。该专利用在SECO的TP2500刀片上面，加上断屑槽设计新颖独特，因此加工效率提高了100%，刀具的使用寿命提高了近400%。当然，它也是车钢与车削铸铁两用。

图8 SECO公司的涂层刀具

电永磁夹具的创新应用

既然机床是解决刀具与工件相对运动的机械，那么固定工件就要靠工装夹具了。本人自1973年走上技术岗位后，搞了10余年夹具设计工作，尽管设计水平甚差，但与工装的感情却是颇为深厚。

当今夹具发展也是与时俱进，新颖夹具有孔系定位的组合夹具，有快速定位夹具，有与气、液相配的随行夹具，还有模拟夹紧技术等等，然而使我最有感触的莫过于电永磁夹紧系统了。

假如要在大平面工件上进行铣、钻、镗、磨等工序加工，其压紧问题一般不大好解决，如果是厚一点的铸件，可加装工艺脚，将螺钉压板压在工艺脚上。那么薄一点的工件呢？往往要多次装夹，这样定位基准很可能失真，从而造成加工误差，同时装夹也相当不方便。

因此，我当初确实想象过，如果能搞一个磁性夹具那该有多好，然而就在此刻，欧洲已成功发明了此类产品，叫做电永磁吸盘，比永磁夹具更进一步，被誉为安全之力。

出于兴趣，本人在EMO2005汉诺威机床展上，详细讨教了意大利泰磁公司TECNOMAGNETE的全球销售总裁蔡林先生（Mr. Claudio Celin），该公司在电永磁领域居领先地位，并拥有多项技术专利。

图9 泰磁公司的电永磁夹具

电永磁夹具的工作原理是利用不同永磁材料的特性，通过电控系统对内部磁路的分布进行控制与转换，使系统内部磁场取得自身平衡，或呈消磁状态（DAMAG），或释放到夹具的上表面，即充磁状态（MAG）。

这种用于黑色金属切削之用的电永磁吸盘，切换状态仅靠电控按钮，断开就不存在磁场，吸住就永远有磁性，即使断电或拖线损坏也不受影响，故被称为安全之力。用电仅仅在于磁路转换的瞬间，处于工作状态时是不耗电的。开关的转换时间仅1-2秒，故装夹与松开非常方便。

从理论上讲，电永磁夹具的夹紧力达15kgf/cm3，远远大于切削力，即便是表面不平的毛坯工件，也能安全吸住，即使是铣削HRC52的淬硬工件，也可正常工作。

还有一个能解除我的疑虑的优越性是，此类系统不存在剩磁问题。电永磁夹具在夹紧过程中，只有夹具的上表面有磁力，其他周边均不存在漏磁，因此对刀具切削无任何影响。夹具松开后，无论是夹具本身或工件，均不存在剩磁，因为系统内部有电控退磁装置，能对工件作退磁处理。

遗憾的是，此类夹具进入中国巿场太晚，造成了很多工装设计与制造的浪费。

工业机器人的应用

人总是有惰性的，烦琐的事最好由机器来做。当今工业机器人在机床上的应用已成为发展的一大趋向。机器人与机床相结合，以往主要是解决工件自动上下料搬运问题，再配上相关的定位夹具，令机床得以实现连续24小时无人化运转，在这方面做得较多的是ABB和FANUC公司。

擅长专机制作的意大利COMAU公司，他们已将缸体及缸盖生产线中的零件搬运工序设计成由机器人完成，而且这一工艺已经发展得较为成熟。

值得一提的是，对工件的抛光打磨、清洗及其它脏累活计也是机器人施展才华的舞台。意大利意沃乐（EVOLUT）公司——欧洲最大的机器人应用与集成制造商，他们开发的DC-5机器人修边、倒角装置很有新意。

该机器人可以装夹工具对主轴上零件修边去毛刺，甚至还能为机器人加装动力源，用刀具对零件进行加工。可以说，机器人传统的搬运、喷漆、焊接的工作范围已被扩展到金属切削及抛光领域。

该工作单元还可以配备各种上料方式：比如，带视频装置可抓取随机摆放的工件，或以旋转台摆放，或以传送带摆放等等。

除此以外，机器人最常涉足的领域还有在压铸单元、车、铣中心单元、复合机床单元、零件抛光单元等方面的运用。随着社会的不断发展和进步，劳动力成本将越来越高，对环保及安全的要求也必将日益严格，所以工业机器人的应用势必是一种趋势。

而且，由机器人做出的工件，譬如说打磨，其零件的一致性要远远优于人工加工，因此欧洲有些名牌汽车制造商甚至对某些零件的某些工步，已规定必须由机器人来操作，可以预见工业机器人在机床上的应用将日益宽广。

人类社会总是不断进步，但发展是永恒不变的硬道理，机床制造技术也必将随着历史车轮滚滚向前，更多的梦想将在不远的明天变为现实。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/29/2008)


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