多功能机床: 未来世界机床的发展方向

多功能机床，就其加工能力和构造而言，摆脱了传统的车削加工和加工中心的限制，给沉闷的机床市场带来几缕火花。多功能机床的销量在所有机床的销量比例增加迅速，一些人甚至认为，多功能机床有可能成为将来的主导机床。 
多功能机床的主要优点是在相同设置时，可以对机床进行车削、铣削、钻削及其他操作。由于使用同一夹具固定，从而消除了使用多个夹具时产生的公差累积问题。缩短或消除了繁冗的加工工艺，减少了换刀次数，从而为企业增加了利润。

    刀具是多功能机床的一个重要因素，但相对来说，又极易被忽视。即使它在机床的整体成本占用的比例很小，但对机床加工的影响而言，其影响比例与机床整体成本相比又不成比例。就加工整体而言，机床制造商和刀具供给商都趋向于新型刀具设计，即更好地体现机床独特性的优势所在。

    Kennametal 公司的分裂技术和突破技术总监Gregory Hyatt说：“我个人认为，这些多功能机床的潜力还没有完全发挥出来，”他说，“实际上，在机床设计时，新型刀具的设计应更多考虑在其原来固有的操作范围基础上能否进行扩展，从而使用户能更多地利用它的使用价值。”Hyatt对此有着深入的了解，他将分裂技术定义为“任何开发的潜力都更具有生产性。当用户买到后，在实践操作中，感受其带来的重大变化而将其生产性体现出来。”他又补充到“我个人认为，一个好的争论能使多功能机床名副其实。”

    Mazak公司的产品应用工程师Michael Finn说：“刀具应用要经历一个不断完善的过程。这就要求不断研究、开发，如何使其应用在多功能机床上，无论在软件方面还是在机床和刀具方面，如何使其应用更加完善。” Michael Finn还引证了一个齿轮铣刀的例子，该应用要求开发控制软件和刀具。他说：“这种软件能增强两个主轴的同步性。刀具是一个标准滚铣刀，也就是与齿轮滚铣机上所用的刀具相同，由一个心轴支撑。该滚铣刀由铣削轴驱动，设置在转塔刀架上，并绕B轴旋转。我们已经用此设置生产正齿轮、螺旋齿轮、外花键。”

    齿轮滚铣刀应用在机床上，这一点看来有些特殊，新型刀具已经设计出来，目前正由刀具制造商Sandvik Coromant试制。据该公司的刀具系统专家James Grimes表示，这种刀具应用在多功能机床上，同普通的车削和铣削加工相比，大大提高了生产力。James Grimes说：“我们新型的45o；刀具支架用来支撑主轴绕B轴旋转的多功能刀具， 能保证主轴与旋转轴成45o；角，此时该刀具处于最佳加工位置。这种设计避免了卡盘与B轴产生干涉的可能，并可进行扩展操作。我们有80o；金刚石车刀、55o；金刚石车刀、35o；金刚石车刀进行外形加工，内圆车刀和几何车刀。

    Mori Seiki 美国公司的产品应用经理Gerald Owen说：“45o；刀具配置通过降低上面转塔刀架头的作用力，也能有效地增加B轴硬度。该刀具能重新改变切削力方向，从而使机床可承重较重载荷”。

    另外，Sandvik目前正在进行的开发试制一种称作“迷你型转塔刀架”。该刀具架还是用于机床B轴，该装置与多功能车刀组成一个单元机构，通过滚铣主轴导引，从而缩短换刀时间。 “一些客户抱怨，例如，换刀时间的长短主要还要看是粗加工还是精加工。”

    James Grimes说，"因此，我们将三个不同的钻刀放进一个迷你型转塔刀架里，用户可以做到连续操作，例如，精车、钻孔和车螺纹，而不用回到刀库里去取另一把刀具。因此，只需0.2s的导引时间代替1.5～2s的换刀时间。" Gerald Owen说，“迷你型转塔刀架”也用来加工硬质工件材料，这些材料加工时要求多面插入导引加工。他回忆说：“我们有一个客户，在他们加工1～2m长的航空发动机用的Inconel-718主轴时，在每个插入角落，刀具使用寿命是525 mm。但是通过使用3座试‘迷你型转塔刀架’后，他们能进行更快地车削，并通过‘迷你型转塔刀架’导引到一个新插点，然后返回切削。”

    用于多功能机床上的多功能刀具看起来很灵敏，Mazak公司已经开发了一种新刀架，这种刀架可以以不同的插入方式进行固定操作和旋转操作。Michael Finn解释说，“该Flash刀具座采用静态插入三角形式车刀、80o；金刚石车刀和55o；金刚石车刀。静态定位能进行标准的切削——OD 和 ID的粗加工和精加工，铰孔和螺纹切削加工。当进行操作时，机床确定刀具的加工方向，它同时也可用于铣削和钻削的加工中。

    Gregory Hyatt认为多功能刀具的设计要比Flash Tool刀具更加独特，所以将来它会在加工兵器时大有作为。他说：“将来，我们会看到多功能刀具的应用会和其他新型刀具一样。我们希望将一些新产品在6个月内上市，机床制造商还没有预料到这些新产品远不再是机床外边的工具箱而已。因此，我们将和他们及一些CAD/CAM的供应商一起来支持这种新型刀具的推出。在这些机床上典型应用的人机对话操作程序更加使大家支持这种新型刀具设计”。

    Carboloy 公司的产品经理Bob Goulding认为超声波的应用作用很大，他说：“我们有几个刀具正在申请专利，这些刀具可以用来固定操作和旋转操作，从而我们看到使用这些刀具的机床发展前景，客户要求弹性加工，这就要从刀具和机床本身两方面来决定”。

    Mori Seiki 美国公司的Gerald Owen指出，用户也想采用现有的刀具能满足多功能机床的要求并能缩短换刀时间。他说，许多使用组合式机床的公司通过使用镗孔钻头来完成两个插入——两个80o；菱形或两个三角形，如这些刀具旋转可与主轴旋转反向。其他刀具则设置在使用同一卡盘头的镗削之前或之后。在多功能机床上，如果有效地利用刀具则可以减少换刀时间。对其他种类加工而言，无论采用新刀具还是采用新技术，都可以应用到这些机床上。

    多功能机床上使用的车刀发展很特殊并引起了广泛的注意。Sandvik公司已经开发了一种四切屑槽碳素合金端铣刀，用来提高加工工件表面的加工精度，在OD铣削加工应用时，机床以C轴旋转可以减少刀具压力。James Grimes说：“我们使用这种四切屑槽碳素合金端铣刀的其中两个切屑槽形成很微小的1.5o；夹角。”他解释说，“另外两切屑槽可以进行无中心定位切削，然后从切削边缘返回一些。因此只有两切屑槽有面接触，而且只是在两切屑槽侧面有接触。这两个锋利的切屑槽就像两个锋利的滑片，提高了加工表面精度，另外两切屑槽的底部不接触，从而缓解了刀具压力，因此对于一个四切屑槽切削刀，只有两个切屑槽真正参与了面接触。”

    Mazak公司的Michael Finn说，“这些5轴机床，他们能以不同的方式定位刀具，也就意味着能以更多方式进行加工。”另外一个关于机床功能扩展的例子是被Michael Finn称作转向端铣的机床。他说：“我们用一个面铣刀代替了静态刀具来对OD的工件进行粗加工，结果用了很长时间，并且切屑呈带状。”他解释说，“工件是先以一个方向旋转，然后端铣主轴以相反的方向旋转。这种旋转式铣刀震裂了原本堆积在周围的切屑”。Mazak 公司也开发了一种抛光操作，其利用了主轴的反向运动原理，各种抛光轮通过一个电力应用的4140钢件的旋转来实现操作。