有關(guān)精密臥式加工中心產(chǎn)品的研究
2022-8-31 來源：沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 作者：張麗麗
一、概述
隨著裝備制造業(yè)的發(fā)展，僅適用于單件、小批量、精加工生產(chǎn)的傳統(tǒng)坐標(biāo)鏜的市場(chǎng)逐漸縮小，取而代之的是包括精密臥式加工中心在內(nèi)的精密（坐標(biāo)）加工中心。
該類加工中心適用于軍工、航空航天、核電、船舶、汽車、能源、機(jī)床、刀具模具及機(jī)器制造業(yè)精密零件加工，如箱體類、盤套類、板件及模具類等復(fù)雜零件的中、小批量精密加工，特別適用于尺寸、形狀和位置精度要求高的孔系加工。五軸產(chǎn)品可進(jìn)行模具制造行業(yè)復(fù)雜型面加工、航空航天領(lǐng)域鋁合金與鈦合金的高精度和高速加工、醫(yī)療器械領(lǐng)域淬火鋼和不銹鋼等特殊材料加工、風(fēng)電行業(yè)的葉片加工等。
近年來，精密臥式加工中心向著高精度、高剛性、高速度、高可靠性、高柔性等方向不斷發(fā)展。目前，世界知名的該類機(jī)床制造商有日本安田（YASDA）、瑞士迪克西（DIXI）等。
二、主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手產(chǎn)品及特點(diǎn)
1.日本安田
公司產(chǎn)品應(yīng)用于模具、航空航天、機(jī)械加工、精密零件等行業(yè)。追求亞微米精度的超高精度、高生產(chǎn)率的自動(dòng)化、高超加工技術(shù)的多功能化，是安田的研發(fā)理念。
（1）精密臥式加工中心系列。
機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所示。具體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。該類機(jī)床適用于機(jī)床主要部件、注塑機(jī)主要部件、壓縮機(jī)殼、印刷機(jī)架等的加工。
圖 1 YBM 系列精密臥式加工中心
表 1
YBM10T : 高承重（5t）。YBM15T: 承重達(dá) 12t，適用于重型工件的高速、高精度的加工定位，達(dá)到坐標(biāo)鏜分度精度。
（2）臥式五軸加工中心系列。機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)如表 2 所示。其結(jié)構(gòu)外形如圖 2 所示。
圖 2 YBM T-TH 系列精密臥式五軸加工中心
表 2
YBM10T-TH : 高承重（5t），適用于中大型工件的高精度多面加工。
YBM10T-100TT: 適用于飛機(jī)零件、難加工和復(fù)雜零件。
H30i-32PLS 分上下三層，最多可存放 32面工作臺(tái) ;H40i-24PL 分上下三層，最多可存放24 面工作臺(tái)，節(jié)省空間和長(zhǎng)時(shí)間的無人操作特性，實(shí)現(xiàn)加工的最佳性價(jià)比。
（3）主要技術(shù)特點(diǎn)
1）高剛性、高精度主軸
傳統(tǒng)的主軸預(yù)加負(fù)載方式，由于受到主軸轉(zhuǎn)速增加引起熱量溫度上升造成預(yù)載增加的制約，而不得已采用盡量減少主軸初期預(yù)載這種有悖于主軸功能的方法。
公司開發(fā)的預(yù)載自動(dòng)調(diào)整型高速主軸，低轉(zhuǎn)速時(shí)大預(yù)加負(fù)載，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)根據(jù)軸承發(fā)熱量自動(dòng)調(diào)整預(yù)加負(fù)載，實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速重切削，高轉(zhuǎn)速低發(fā)熱高精度旋轉(zhuǎn)。主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)和主軸通過柔性聯(lián)軸節(jié)高度同軸連接，實(shí)現(xiàn)全轉(zhuǎn)速范圍高精度旋轉(zhuǎn)，使高硬度材料的高精度加工成為可能，在加工中發(fā)生軸向切削力反向時(shí)也能保持高精度加工。
2）高剛度機(jī)床結(jié)構(gòu)
床身 : 采用最簡(jiǎn)單的 “H” 型結(jié)構(gòu) , 側(cè)面結(jié)構(gòu)壁厚 90mm, 上部水平結(jié)構(gòu)壁厚 40mm, 具有極高剛性 , 保證立柱移動(dòng)時(shí)不變形。各部結(jié)構(gòu)熱容積相同 , 并預(yù)設(shè)恒溫系統(tǒng)管道 , 保證床身在室溫變化時(shí)不產(chǎn)生扭曲或彎曲變形。
導(dǎo)軌 : 機(jī)床精度及精度保持性取決于導(dǎo)軌。機(jī)床導(dǎo)軌由淬火軸承鋼制成 , 經(jīng)精心磨削、手工拋光后 , 導(dǎo)軌表面具有極高表面粗糙度 , 為定位精度及其持久性奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
經(jīng)高精度加工的導(dǎo)軌安裝在經(jīng)過手工精密刮研的具有準(zhǔn)確直線度的床身、滑鞍、立柱的導(dǎo)軌安裝面上。在承重的 X 軸及 Z 軸上 , 配有承重檢測(cè)系統(tǒng) , 根據(jù)承重自動(dòng)調(diào)整導(dǎo)軌面壓 , 實(shí)現(xiàn)大、重零部件的高速移動(dòng)。
立柱 : 立柱導(dǎo)軌左右并非完全平行 , 而是稍呈 “鼓形”。無論主軸箱位于哪個(gè)位置 , 主軸箱兩側(cè)將受到恒定預(yù)加負(fù)載。主軸變形小,定位精度高。
3）工作臺(tái)夾緊機(jī)構(gòu)
工作臺(tái)夾緊機(jī)構(gòu)由 120~175mm 厚的優(yōu)質(zhì)鑄鐵制成的高剛性工作臺(tái)以及夾緊構(gòu)造系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)采用弧齒聯(lián)軸節(jié)盤定位工作臺(tái)于底盤，通過聯(lián)軸節(jié)盤圓周上帶 30°壓力角的弧齒以無齒隙咬合實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)高精度定位。工作臺(tái)與底盤的結(jié)構(gòu)一體化結(jié)構(gòu)，保證高剛性?shī)A緊，以及良好的振動(dòng)衰減性。同時(shí)具有工作臺(tái)交換的高重復(fù)定位精度，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的無人高精度加工。
4）機(jī)身溫控裝置
機(jī)床在工廠里所處的設(shè)置環(huán)境對(duì)機(jī)身精度有很大影響。比如強(qiáng)烈的室溫變化、室內(nèi)上部下部的溫差、來自頂棚與墻壁的熱輻射等，都會(huì)使機(jī)械不斷發(fā)生熱變形，并左右它的精度。安田產(chǎn)品的機(jī)身溫控裝置可將工廠環(huán)境對(duì)機(jī)身影響局限在最小范圍內(nèi)，通過在機(jī)身上循環(huán)的冷媒把主要部位控制在室溫的 ±0.2℃以內(nèi)，以防機(jī)身急劇變形，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的穩(wěn)定高精度加工。
5）控制系統(tǒng) “YASDA MiPS”
為實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率和高度自動(dòng)化而獨(dú)創(chuàng)的控制系統(tǒng) “YASDA MiPS” 具有便于機(jī)械日常維護(hù)的“維護(hù)演示功能”，能發(fā)現(xiàn)機(jī)械故障并以畫面顯示故障部位的 “自診斷功能”，管理刀具、監(jiān)視加工動(dòng)力情況的 “管理功能”，而且還在進(jìn)一步增加新的加工支持功能，進(jìn)行更高水平的機(jī)械控制。這些功能還可以與互聯(lián)網(wǎng)對(duì)接。
6）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
加工中心 X、Y、Z 軸采用雙伺服電動(dòng)機(jī) , 雙絲杠驅(qū)動(dòng) , 結(jié)構(gòu)重心與驅(qū)動(dòng)中心重合 , 保證驅(qū)動(dòng)精度。X、Y、Z 軸定位精度依據(jù) VDI/DGQ3441標(biāo)準(zhǔn)實(shí)測(cè)值為 3.9μm。
2.瑞士迪克西
自 1904 年成立以來，迪克西一直追求 “高精度” 理念，制造的機(jī)床應(yīng)用于尖端技術(shù)領(lǐng)域，憑借產(chǎn)品及服務(wù)的高品質(zhì)和可靠性，獲得了世界各地的客戶的高度評(píng)價(jià)。公司精密臥式加工中心主要有DHP（DIXI High Production）高性能系列，產(chǎn)品有三種規(guī)格 :DHP40、DHP 50、DHP80。機(jī)床具體結(jié)構(gòu)見圖 3 所示。
圖 3 精密臥式加工中心 DHP 系列
（1）DHP 高性能系列臥式加工中心該系列產(chǎn)品是專為成批生產(chǎn)和大量生產(chǎn)中精密加工復(fù)雜零件而設(shè)計(jì)的四軸和五軸機(jī)床。其主要技術(shù)指標(biāo)如表 3 所示。
表 3
（2）主要技術(shù)特點(diǎn)
1）機(jī)床理念
DIXI 機(jī)床的理念 : 不需要試加工即可加工。所有機(jī)床都是根據(jù)這個(gè)理念開發(fā)的。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)理念，在全部加工中的定位準(zhǔn)確性要控制到亞微米水平。通常，高精度機(jī)床的定位精度是5μm，DIXI 機(jī)床可實(shí)現(xiàn) 0.99 μm。
2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
迪克西機(jī)床的主要特征是堅(jiān)固的床體和不隨時(shí)間變化的高精度。模塊化機(jī)床結(jié)構(gòu)，由整體式自支承球墨鑄鐵框架組成，穩(wěn)定性和剛性高。為保證高精確度、精度和幾何形狀，床身經(jīng)手工刮研。
采用預(yù)加應(yīng)力的滾動(dòng)導(dǎo)向元件，實(shí)現(xiàn)高精度和高速度。它帶有集成在導(dǎo)軌內(nèi)的集成測(cè)量系統(tǒng)和磁讀數(shù)頭，測(cè)量系統(tǒng)同導(dǎo)軌自身一樣有相同的膨脹系數(shù)，可大大減小幾何形狀誤差和變形誤差，并可保證較高的精度等級(jí)。在正常操作條件下，集成測(cè)量系統(tǒng)對(duì)油、潤(rùn)滑脂和冷卻液的污染不敏感。
3）主軸
機(jī)床裝有以長(zhǎng)壽命理念開發(fā)的高剛性、高精度、高性能的主軸。主軸均用預(yù)加載荷的鋼陶瓷混合軸承，且可根據(jù)速度進(jìn)行調(diào)整 ; 主軸上安裝有軸向位移傳感器、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器等元件。
主軸結(jié)構(gòu) : 為了提高剛性，主軸采用了懸垂較短的構(gòu)造。主軸驅(qū)動(dòng)采用了直驅(qū)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)高速同步攻絲。
軸承預(yù)緊的無級(jí)控制 : 為了延長(zhǎng)軸承壽命和優(yōu)化負(fù)載能力，研發(fā)了液壓無級(jí)控制的主軸軸承預(yù)緊裝置，可以根據(jù)主軸轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)整主軸軸承預(yù)壓，削減了軸承產(chǎn)生的熱量。
主軸冷卻 : 對(duì)主軸發(fā)熱處的軸套進(jìn)行冷卻，避免熱量轉(zhuǎn)移到主軸箱，從而防止熱擴(kuò)散，抑制熱變形。
4）雙轉(zhuǎn)臺(tái)
可選直接驅(qū)動(dòng)方式電機(jī)雙轉(zhuǎn)臺(tái)，兩軸配備線性光柵尺和編碼器，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，兼顧高效率、高精度加工。Ａ、Ｂ軸可同時(shí)分度，高效加工復(fù)雜形狀及工序集約型工件。刀具可從最適合的角度趨近，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量加工效果和刀具的長(zhǎng)壽命。可選配托盤交換系統(tǒng)。
適用加工工件最大直徑為 φ1000/1200 mm，最大高度為 810 mm ( DHP 80 II)。機(jī)床可實(shí)現(xiàn)重切削中的高精度加工。在傾斜位置上自動(dòng)更換刀具，擺動(dòng)角度大，有利于復(fù)雜形狀工件加工。
5）工作臺(tái)
通過采用直驅(qū)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)零間隙的高速、高效驅(qū)動(dòng)，有利于減少維護(hù)工時(shí)、延長(zhǎng)壽命。高速的雙面旋轉(zhuǎn)式托盤交換系統(tǒng) ，簡(jiǎn)潔而可靠性高，可提高生產(chǎn)效率。托盤交換系統(tǒng)提供一個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)托盤和一個(gè)的任選托盤。托盤交換時(shí)間小于 8s。機(jī)床防護(hù)頂部天窗寬度大，可以使用天車裝卸工件。
三、產(chǎn)品戰(zhàn)略發(fā)展建議
產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)路徑宜聚集國(guó)內(nèi)其它關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)單位，采用 “產(chǎn)學(xué)研用” 相結(jié)合的模式，建立研究和制造隊(duì)伍，全面開展針對(duì)用戶典型產(chǎn)品的加工工藝研究，通過自主設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試，掌握高精度數(shù)控臥式坐標(biāo)鏜床關(guān)鍵單元技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備和儀器的開發(fā)技術(shù)，為精密臥式加工中心等相關(guān)高精度機(jī)床的研發(fā)、制造培養(yǎng)相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)團(tuán)隊(duì)。
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