衛(wèi)美紅，張 曙

(1 南通納儂精密機械有限公司，江蘇 南通 226321)(2. 同濟大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)研究所，上海 200092)

高性能組合機床和高生產(chǎn)率加工中心

衛(wèi)美紅1，張 曙2

(1 南通納儂精密機械有限公司，江蘇 南通 226321)(2. 同濟大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)研究所，上海 200092)

以汽車關(guān)鍵零部件制造為例，分析了機械制造業(yè)中高效率與高柔性之間的矛盾和統(tǒng)一。介紹了國際上高性能組合機床及高生產(chǎn)率加工中心的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展趨勢，并指出將數(shù)控技術(shù)引入專用機床是化解這對矛盾的正確方向。

組合機床；加工中心；汽車零部件制造

1 高效率與高柔性的矛盾[1]

二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事工業(yè)的需要，基于模塊化原理快速設(shè)計專用機床的方法獲得了應(yīng)用，并逐漸演變成具有獨自結(jié)構(gòu)特點的鏜銑類專用機床——組合機床?！敖M合機床”一詞是從俄文翻譯來的，英文和德文中仍然使用“專用機床”一詞。

組合機床是以通用部件為基礎(chǔ),配以按工件尺寸形狀和加工工藝設(shè)計的專用部件和夾具,組成的半自動或自動化的專用機床。 組合機床采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時加工方式，生產(chǎn)效率比通用機床高幾倍甚至幾十倍。由于通用部件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，可根據(jù)需要靈活配置，能顯著縮短專用機床的設(shè)計和制造周期，并可方便地組成自動生產(chǎn)線，從而兼有低成本和高效率的優(yōu)點，因此在大批生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，用于加工特定零件的、缺乏生產(chǎn)柔性的組合機床和自動生產(chǎn)線遇到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。增加生產(chǎn)柔性的需求日益高漲，生產(chǎn)效率和柔性似乎成為制造系統(tǒng)一對不可調(diào)和的矛盾。20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了由數(shù)控加工中心組成的柔性制造系統(tǒng)，柔性化才開始有了轉(zhuǎn)機，但柔性制造系統(tǒng)在生產(chǎn)效率上較之組合機床自動線仍然略輸一籌。近年來，隨著高速加工的進(jìn)展，組合機床的數(shù)控化和柔性化才有了根本性突破，如圖1所示。

圖1 鏜銑類機床的市場份額變化

從圖中可見，在1965年以前，組合機床及自動線和傳統(tǒng)鏜銑機床各占市場份額40%和60%，到1985年，數(shù)控加工中心已經(jīng)占有市場份額25%左右，高速加工中心也開始出現(xiàn)。2005年加工中心的市場占有率已經(jīng)超過60%。

再仔細(xì)分析一下加工中心的發(fā)展趨勢：

近20年來，高速加工(High Speed Machining，HSM)在航空、模具行業(yè)等單件小批生產(chǎn)中獲得日益廣泛的應(yīng)用。同時應(yīng)該看到，在汽車工業(yè)等大量生產(chǎn)中獲得應(yīng)用的另一類高速加工發(fā)展更加迅速。后者的主要目標(biāo)是機床部件從A點移動到B點的時間最短，最大限度地縮短輔助時間，因此稱為高速定位(High Speed Positioning,HSP)更加確切，這種趨勢使加工中心與傳統(tǒng)組合機床嫁接，導(dǎo)致適合大批量生產(chǎn)的高生產(chǎn)率加工中心的出現(xiàn)。

2 高性能組合機床

近年來，隨著汽車新車型不斷發(fā)布，以及新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝的出現(xiàn)，對制造系統(tǒng)的柔性、效率和加工精度的要求越來越高。其中對汽車零部件制造系統(tǒng)性能要求的變化如圖2所示。

圖2 對制造系統(tǒng)性能要求的變化

從圖中可見，發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在加工節(jié)拍縮短、品種增加和成本降低。為了適應(yīng)這種變化，組成新一代自動化制造系統(tǒng)的高性能組合機床或高生產(chǎn)率加工中心應(yīng)該具有以下特征：

a.模塊化。按照模塊化原理進(jìn)行設(shè)計和制造的、面向大批量生產(chǎn)的專用機床是組合機床最基本和最重要的特征。

b.柔性化。剛性是組合機床及其自動線的局限性，柔性化就是在盡可能保持其高生產(chǎn)率特征的同時能夠適應(yīng)有限多品種生產(chǎn)的需要。

c.數(shù)控化。數(shù)控化是實現(xiàn)組合機床柔性化的主要手段，借助模塊化數(shù)控單元構(gòu)建組合機床和自動線，就有可能把組合機床的高生產(chǎn)率和加工中心的高柔性兩種優(yōu)勢加以整合。

d.高速化。對組合機床來說，高速化指的不僅是切削速度，更重要的是定位速度，因為當(dāng)加工節(jié)拍以秒計時時，縮短輔助時間就顯得非常重要。

e.可重構(gòu)。傳統(tǒng)組合機床僅僅是設(shè)計階段可組合，克服它的剛性局限的措施之一就是可重構(gòu)，即使用階段的可組合。當(dāng)加工對象改變時，可以迅速添加或拆除某臺機床組成新的制造系統(tǒng)。

f.智能化。此類機床具有自優(yōu)化、自監(jiān)控、自診斷和預(yù)維護(hù)等各種功能，其加工過程是在一系列傳感器的監(jiān)視下進(jìn)行的。在偏離設(shè)定值時，會自動調(diào)整工作參數(shù)，超出極限值時，能夠報警或停止工作。

筆者認(rèn)為，具有上述特征的新一代組合機床可統(tǒng)稱為“高性能組合機床”，在許多情況下，也可以理解為適合大量生產(chǎn)的高生產(chǎn)率加工中心(High Productive Center，HPC)。

3 數(shù)控加工單元

數(shù)控加工單元符合組合機床模塊化和面向大量生產(chǎn)的基本定義，是組成柔性自動線的基礎(chǔ)模塊。因此可認(rèn)為它是高性能組合機床的形態(tài)之一，主要由主軸單元和滑座單元兩部分組成。

對一些不法生產(chǎn)商，將劣質(zhì)水表投入到市場中，不論是強度還是性能，均不滿足國家規(guī)范要求。其中，機芯沒有安裝調(diào)節(jié)板，就會導(dǎo)致計量偏差。以某企業(yè)為例，針對63個水表的檢定結(jié)果見表1。分析可知，在相同的使用環(huán)境中，不同口徑水表的合格率卻不同，一次檢定合格率為54.0%，調(diào)修合格率為30.1%，不合格率為15.9%。

3.1主軸單元

主軸單元的功能是提供切削所需的功率和速度。與傳統(tǒng)組合機床的動力頭不同，高性能組合機床的主軸單元的特點是采用變頻或伺服電動機直接驅(qū)動的單主軸，結(jié)構(gòu)非常緊湊，安裝方便。在主軸端可以安裝單把刀具、復(fù)合刀具或六角轉(zhuǎn)塔頭。典型的電主軸單元如圖3所示。

圖3 典型的電主軸單元

3.2滑座單元

滑座單元的功能是提供加工工件時所需要的進(jìn)給運動和快速移動?；ǔＳ伤欧妱訖C驅(qū)動，按照坐標(biāo)數(shù)可以分為單坐標(biāo)、2坐標(biāo)和3坐標(biāo)；按照配置形式可分為立式和臥式，按照功能可分為滑座和加工單元，如圖4所示。

4 從加工單元到自動線

柔性自動線(Flexible Transfer Line，F(xiàn)TL)是由數(shù)控加工單元加上工件輸送和裝卸裝置等模塊組成的自動生產(chǎn)線。在許多情況下，柔性自動線除數(shù)控加工單元外，往往也包含各種形式的傳統(tǒng)組合機床，以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。組成柔性自動線的典型模塊如圖5所示。

圖4 滑座單元和數(shù)控加工單元

圖5 柔性自動線的組成模塊

Cross-Hüller公司推出的混合配置柔性自動線如圖6所示。它含有2套數(shù)控加工單元和若干臺組合機床，以及工件裝卸和輸送裝置，用于加工發(fā)動機的汽缸體。

Cross-Hüller公司最近推出的組合機床反映了這種趨勢，明顯提高了機床的單元化程度，每臺機床配有獨立的地基和控制系統(tǒng)，具有快速連接的機械、電氣和壓縮空氣的接口，可以方便地加入或退出自動線，如圖7所示。

圖6 混合配置的柔性自動線

圖7 單元化的組合機床

5 高生產(chǎn)率加工中心[2]

高生產(chǎn)率加工中心是適用于大量生產(chǎn)的、模塊化結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床。與一般的加工中心相比，它更多地關(guān)注生產(chǎn)效率，而不是生產(chǎn)柔性。從某種意義上來說，它是通用數(shù)控機床的專用化、組合機床的數(shù)控化。現(xiàn)對2種典型的高生產(chǎn)率加工中心略加闡述。

5.1STAR 500加工中心

Cross-Hüller公司推出的適應(yīng)“敏捷制造系統(tǒng)”的STAR 500加工中心，是組成STARline自動線和敏捷制造單元的基本模塊，但其結(jié)構(gòu)與一般的加工中心又有很大的區(qū)別，如圖8所示。

從圖中可見，工件安裝在立式隨行夾具上，主軸的正前方是裝卸和輸送工件的空間，而機床操作和調(diào)試則是在機床的側(cè)面。

圖8 STAR 500加工中心

STAR 500加工中心主要技術(shù)規(guī)格見表1。

表1 STAR 500加工中心的主要技術(shù)規(guī)格

由2臺STAR 500加工中心組成的敏捷制造單元如圖9所示。

5.2FLEX-V200

WEMA-Vogtland公司推出的FLEX-V200高生產(chǎn)率加工中心是典型的采用模塊化結(jié)構(gòu)和面向大批量生產(chǎn)的高性能組合機床。它具有單電主軸和雙電主軸2種配置，加上單坐標(biāo)或2坐標(biāo)回轉(zhuǎn)工作臺，可以構(gòu)成3坐標(biāo)、4坐標(biāo)或5坐標(biāo)加工單元。其外觀如圖10所示。

圖9 敏捷制造單元

圖10 FLEX-V200 高生產(chǎn)率加工中心

FLEX-V200高生產(chǎn)率加工中心具有良好的動態(tài)性能，快速移動速度可達(dá)80m/min，加速度達(dá)1.5g。為縮短換刀時間，刀具的交換直接在機床上部的刀庫里完成。該加工中心既可用于組成順序串聯(lián)的自動線，也可與多工位回轉(zhuǎn)工作臺集成，組成并聯(lián)的回轉(zhuǎn)自動線。由3臺FLEX-V200加工中心和4工位回轉(zhuǎn)工作臺組成的回轉(zhuǎn)式制造單元如圖11所示。

圖11 回轉(zhuǎn)式柔性制造單元

與傳統(tǒng)的串聯(lián)配置的自動線相比，并聯(lián)配置的回轉(zhuǎn)式制造單元具有較大的柔性、易維護(hù)性和可重構(gòu)性。加工同一汽車零件的兩種不同配置的指標(biāo)比較見表2。

6 結(jié)束語

適用于大批量生產(chǎn)的制造設(shè)備正面臨著革命性的變化。傳統(tǒng)的組合機床和自動線已經(jīng)不能完全滿足需要，組合機床的柔性化和數(shù)控化，以及高速化、可重組和可重構(gòu)是大勢所趨。高生產(chǎn)率加工中心的模塊化和專用化在大批量生產(chǎn)領(lǐng)域中有著廣泛的前景。高性能組合機床和高生產(chǎn)率加工中心的匯合將開創(chuàng)一個嶄新的自動化生產(chǎn)的新紀(jì)元。

表2兩種不同配置的指標(biāo)比較

[1] 張曙,衛(wèi)美紅,張炳生. 堅持自主創(chuàng)新發(fā)展專用數(shù)控機床——機床產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級途徑之八[J]．制造技術(shù)與機床，2010(7)：4-7.

[2] Lopez de Lacalle L N，Lamikiz A. Machine Tools for High Performance Machining[M]．London: Springer-Verlag，2009.

TheHighPerformanceCombinationMachineToolsandHighProductivityMachiningCenter

WEI Meihong1, ZHANG Shu2

(1.Nantong Nanong Precision Machinery Co., LTD., Jiangsu Nantong, 226321, China)(2. Tongji University, Shanghai, 200092, China)

Taking the car' parts and components manufacturing as examples, it analyzes the contradiction and unity between high efficient and flexible in machinery manufacture, introduces the application and development trend of international high performance combination machine tools and high productivity machining center, suggests basic strategy to introduce the numerical control technology into specialized machine tools.

Combination Machine Tool; Machining Center; Car Key Parts and Components Manufacturing

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.08.006

2014-07-03

衛(wèi)美紅(1968—)，女，江蘇南通人，南通納儂精密機械有限公司高級工程師，長期從事數(shù)控專用機床的設(shè)計研究工作。

TH122

B：

2095-509X(2014)08-0022-05