【行业研究】机床加工中心

  数控机床是发展我国先进制造技术及重大装备的基础，具有重大的经济和战略地位。随国民经济发展和国防建设的持续不断的发展，工业领域的产品向精密化、高效化、高性能、可靠性和经济性的方向发展，与此同时机床结构朝着简约和集成模块化方向发展。

  加工中心是在数字控制机床出现后，为了进一步提升加工效率，减少辅助时间，将自动换刀装置及刀库和数控机床集成而形成的自动化程度和生产率更高的新型数控机床。工件在一次装夹后，可以连续、自动完成多个平面或多个角度位置的钻、扩、铰、镗、攻丝、铣削等工序的加工，工序高度集中，可以说加工中心就是自动换刀数控镗铣床。高速精密加工中心作为机械装备母机，在航空航天、造船、工程机械、汽车、铁路、电力设备、风电设备、石化设备等方面均有着无法替代的作用。在高端机床加工中心领域，著名的“东芝事件”足以说明其对一个国家先进制造的重要性。上世纪末，日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的加工中心，使得前苏联用来制造潜艇的推进螺旋桨，质量明显提升，导致美国间蝶船的声纳监听不到潜艇的声音，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，惩处东芝公司。由此可见，高端加工中心系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设施等等行业，均有着举足轻重的影响力。

  （1）有自动换刀装置（包括刀库和换刀机械手），能实现工序间的自动换刀，这是加工中心最突出的标志性结构；

  （3）多工序的功能。在一次装夹中，尽可能完成多工序加工，回转工作台可实现多面加工；

  上世纪80年代国外已将多轴联动加工中心应用于工业生产，目前世界上从事高速精密加工中心设计制造的企业大多分布在在德国、瑞士与日本等。

  整机机构是支撑各机构及工件的机构，包含立柱、底座、鞍座、工作台、主轴头等（图1.1）。它们是加工中心的基础结构，要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载，因此必须是刚度很高的部件。这些大件可以是铸铁件也可以是焊接的刚结构件，是加工中心中重量和体积最大的部件。目前进口的高端加工中心已使用矿物质床身，国内也未实现国产化。相较于铸铁，矿物质床身拥有更好的抗震性、精度与抗形变能力。

  主要由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零部件组成。主轴的启动、停止和变转速等动作均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心核心部件主轴系的关键件，其精度要求高，加工工艺复杂，且加工质量直接影响主轴系的性能。加工中心的高精度、高速度、高刚性均要在主轴上有所体现。

  由驱动电机、进给元件（滚珠丝杠、直线电机）等组成，实现加工中心的坐标直线移动或回转运动，对加工中心的运动、使用性能等起关键作用。进给驱动系统是加工中心的核心部分。

  数控系统是加工中心的核心，主要由数控装置（Computer Numerical Control, CNC）、可编程序控制器、位置检测器、伺服电动机等部分所组成，它们是加工中心执行顺序控制动作和完成工艺流程的控制中心，对加工中心的性能有直接影响。

  主要由刀库、自动换刀装置（Auto Tool Change, ATC）等部件组成。刀库是存放工艺流程所要使用的全部刀具的装置。当需要换刀时，根据数控系统的指令，由机械手（或通过别的方式）将刀具从刀库取出装入主轴孔中。刀库有盘式、链式和鼓式等多种形式，容量从几把到几百把。机械手的结构根据刀库与主轴的相对位置几结构的不同也有多种形式。如单臂式、双臂式。回转式和轨道式等等。有的加工中心利用主轴箱或刀库的移动来实现换刀。

  包括润滑、冷却、排屑防护、液压和随机检测系统等部分。辅助系统虽不直接参与切削运动。但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此也是加工中心中必不可少的部分。

  按加工中心结构分，可分为立式加工中心、卧式加工中心、龙门式加工中心等。（1）立式加工中心：是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，一般适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件。立式加工中心一般不带转台，仅作顶面加工。（2）卧式加工中心：是指主轴轴线与工作台平行设置的加工中心，一般适用于加工箱体类零件。卧式加工中心一般具有分度转台或数控转台，可加工工件的各个侧面；也可作多个坐标的联合运动，以便加工复杂的空间曲面。（3）龙门加工中心是指：主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，一般适用于加工大型零件。具体示意图如图1.2。

  加工中心还可根据控制轴数分类，包括三轴加工中心、四轴加工中心、五轴加工中心、六轴加工中心等。常见的有三轴，3+2轴与五轴。不受约束的刀具（或工件）在空间有六个自由度（如图1.3）。现实是，在金属切削过程中，工件与刀具之间会产生巨大的切削力和摩擦力，为避免工件的位置移动，必须将工件夹紧，使之固定。多轴数控加工就是指在一台机床上有多个坐标轴，可在计算机数控系统控制下同时协调运动来加工。五轴加工就是指在一台机床上至少有5个运动轴，相应的数控机床有5个伺服轴可以一起进行插补（图1.4）。高端加工中心都能满足五轴联动的要求。

  按加工中心的加工精度可分为三种类型，分别是普通精度加工中心、高精度加工中心和精密级加工这些这三种类型。普通精度加工中心：分辨率为1μm，最大进给速度15～25m／min，定位精度l0μm左右。高精度加工中心：分辨率为0.1μm，最大进给速度为15～100m／min，定位精度为2μm左右。介于2～l0μm之间的，以±5μm较多，可称精密级加工中心。

  加工中心的技术特点主要体现在以下三个方面：（1）带有自动换刀装置（ATC），可实现铣、钻、幢、铰、攻丝等多工序加工；（2）加上托板自动交换装置（Automatic Pallet Changer, APC），可实现工件自动储存和上下料，组成柔性加工单元（Flexible Manufacturing Cell, FMC）。加工中心还可方便地组成柔性自动线（Flexible Transfer Line, FTL）或柔性制造系统（Flexible Manufacturing System, FMS），由“单机”构成“制造系统”，便于逐步发展实现工厂自动化（Factory Automation, FA）、以计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing, CIM）、计算机集成制造系统（CIMS），可实现无人化运转，可达72小时等；（3）“柔性”大，换品种调整方便,能实现中小批量、多品种、柔性生产自动化，克服了高效自动化机床、自动线的“刚性”缺点。随技术的发展，加工中心不断向高速化、复合化、柔性化等方面发展，在加工效率上逐步的提升，已逐步能替代组合机床、自动线。

  加工中心属于数字控制机床，但技术上又比一般数字控制机床如数控车床、铣床、钻床、铿床、磨床等更为复杂，有其共同点与不同点。加工中心能代替部分铣床、钻床、锉床、攻丝机等，因此使用范围较广、数量上增加较多、技术上发展也较快。其技术基础主要有如下四个方面：

  械行业的生产，批量、精度、材料、工件大小、复杂程度要求各有不同，因此加工中心在其加工工艺、切削参数、技术性能、大小型式、布局结构、驱动控制上随工艺不同而各有所侧重。因此，要发展各种先进加工中心，首先应熟悉用户生产，精通加工工艺，才可以更好的满足下游用户的需求；

  （2）具备高水平的设计能力。高端加工中心要求高精度与高稳定性，下游对加工中心的故障率容忍度低，因此对整机厂的设计能力要求非常高。整机厂必须有经验比较丰富、能力出色的工程师队伍，既需要有坚实的基础技术，也需要有扎实的应用技术。基础技术包括对加工中心的刚度，热变形、振动、控制、精度、效率、自动化、机械手可靠性等的科研试验研究，而应用技术主要是针对服务领域和服务对象的实际使用进行的工艺技术研究。

  （3）各种配套基础元部件、刀具、数控系统必须先进、可靠、优质、稳定、齐全，与各种各样的性能主机匹配，构成优质先进的完整产品；

  （4）需要有成熟的装配工艺。加工中心能实现多工序、多轴联动、各种复杂零件曲面等的加工，它是根据广大新老用户的需求设计的，复杂的结构设计之后是高度精密和专业的装配工艺，必须要有一批有扎实经验和基础的熟练技术工人以及恒温恒湿的装配环境。

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