| 摘要：复合加工机由于可以实现工序集约，而且可以加工飞机零部件等复杂形状的工件，因此市场需求急速增长。但是在速度和精度等性能上与一般的加工中心和车床相比仍有一定的差距。 |
森精机(Moriseiki)的常务董事藤嵨诚 |
复合加工机分为以车床为基础和以加工中心为基础的两种设计形式。本论文将针对不同情况，对具有DCG、直驱式电机等构造的高速高精度复合加工机的研发加以阐述。针对以车床为基础设计而成的复合加工机，我们研发了可实现高精度加工的机床构造；针对以加工中心为基础设计而成的复合加工机，为了同时实现车削功能，我们开发了直驱式电机，在保持高性能分度功能的同时，实现了1000转以上的旋转功能。这些复合加工机新开发的功能都将通过加工实验得以验证。1. 绪论
近年来，在零件加工及模具加工领域，随着工件形状日趋复杂、产品高附加值日趋深化，5轴加工中心和复合加工机的需求急速增长。以在JIMTOF上展出的所有加工中心中5 轴加工机所占比例为例：2000年仅占8.2% , 2006年就增加到4倍左右的34.2% (如图1)。在零件加工中，为了在一道工序中完成加工，需要各种姿势的定位，因此需要5轴分度加工。既需要车床加工也需要加工中心加工的工件，以往是先用车床进行车削加工，然后用加工中心进行铣削加工，工件需要在多台机床间传递。最近，这样的零件加工开始要求改用复合加工机在一道工序内完成，以形状复杂的叶轮、叶片为代表的自由曲面形状的模具及航空零件，用3轴的机床不能完成加工，需要使用5轴加工机。但是，5轴复合加工机往往不能达到令人满意的性能。一般的5轴复合加工机存在如下问题：旋转结构复杂的倾斜工作台及旋转主轴，因为采用了蜗杆等减速结构，造成旋转驱动部分的速度不快，精度不高。特别是在加工中心中，采用倾斜工作台时，视线确认性较差，并且减速部分的构造限制了加工区域，因此还必须注意切削过程中刀具和减速构造装置之间的干涉。为了解决这些问题，本公司研发了高速、高精度的5轴复合加工机，其旋转轴驱动采用了直接驱动式电机，直线轴驱动采用了重心驱动。如果将既能进行车削加工也能进行铣削加工，并且通过5轴功能可以进行多面加工及复杂曲面加工的机床称之为复合加工机，那么复合加工机可以分为两大类。第一类是以车床为设计基础的复合加工机，另一类是以加工中心为设计基础的复合加工机。前者主要用于加工圆柱形的工件，后者主要用于加工箱子形状的工件。下一章起将对这两种机床的最新构造进行阐述。
图1 JIMTOF参展机中5轴加工中心所占比例
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图2 以车床为设计基础的复合加工机
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| 表1 直接电机驭动和蜗轮蜗杆驱动的比较 |
| | 直接驱动电机 | 蜗轮蜗杆驱动 |
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| 最高速度 | 100r/min | 27r/min |
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| 分度时间 | 0.58s/120°
0.078s/240°. | 0.93s/ 120°
1.68s/240°. |
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| 零件数量 | 15 | 30 |
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| 定位精度 | 3.05aresec | 7.66aresec |
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| 重复定位精度 | 2.51aresec | 6.88aresec |
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图4 八角形滑枕
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2. 以车床为设计基础的复合加工机
2.1 以车床为设计基础的最新型复合加工机
以车床为设计基础的最新型复合加工机如图2所示。为了实现高速、高刚性和高精度，在主要组成部分采用了最新构造。为了实现复合加工机的高速和高精度，X轴和Z轴采用了重心驱动技术。假想通过两根滚珠丝杠驱动物体的重心，从而抑制加速和减速时产生的振动，实现高速度和高精度。图3(a)显示了这样的构造。滑鞍采用两端支撑·垂直构造的Box in Box(箱中箱)构造、使移动物体的重心在移动时也能够保持良好的平衡。图3(b)显示的是八角形滑枕技术。为了使复合加工机Y轴驱动部分达到良好的刚性，在前后驱动旋转刀具主轴的导轨部位开发了内部构造为八角形的滑枕，由四面的侧导轨支撑，以此来确保其高刚性。图4显示了采用八角形滑枕后解决热变形问题的效果。刀具主轴的旋转轴称为B轴，B轴的旋内部。夹紧B轴的刀具，转动装载在主轴上的工件可以进行车削加工。另一方面，在进行斜面开孔和面切削时，通过夹紧主轴固定旋转的工件，B轴在任意角度分度夹紧，利用刀具主轴可以进行铣削加工。此外，在进行叶片、叶轮等工件的加工时，需要包括B轴在内的联动轮廓加工。因此，为了实现高速、高精度的分度及轮廓加工中良好的表面质量，B轴需要非常平滑的旋转。以前，B轴的驱动是通过蜗轮蜗杆等使伺服电机减速，并与B轴驱动部相连来实现的。这种方法存在因齿轮的反向间隙(backlash )、振动而影响表面质量及进给速度无法提高的问题。因此，为了提高性能，在B轴驱动上采用直接驱动式电机。一般情况下，直接驱动电机的转子通过热涨原理直接装入旋转轴。但是，为复合加工机的刀具主轴开发的直接驱动电机，采用以往的方法就无法将其收纳在滑枕内。因此，机床厂家不得不定做特殊设计的电机，采用转子和旋转轴一体化的构造将其收纳在有限的空间内，同时还需达到足够的输出扭矩。为此，本公司研发了最适合复合加工机的直接驱动式电机，如图3(b)所示。复合加工机采用直接驱动电机方式后和以往的蜗轮蜗杆方式进行比较，结果如表1所示。最高旋转速度可以提高到4倍左右，240°的分度时间缩短为0.9秒。 |
图3 在复合加工机中采用的主要技术 |
图5是旋转平滑度的比较。比较直接驱动电机方式和以往的蜗轮蜗杆方式在旋转方向上的误差可以看出：蜗轮蜗杆方式可以看到齿轮的齿周围产生的振动，而直接驱动电机方式则非常平滑，看不到振动。 |
图5 旋转平滑度的比较 |
图6 一般零件加工实例
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图7 涡轮叶片
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图8 涡轮叶片加工面 |
图9 以加工中心为设计基础的最新型复合加工机
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图10 传统5轴加工机的工作台
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图11 最新研发的5轴工作台
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图12 叶轮
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2.2 以车床为设计基础的复合加工机的加工实例
下面介绍一下在2.1中阐述的复合加工机的加工实例。- 一般机械零件
- 在复合加工机的应用实例中最多的是如何减少一般机械零件的加工工序。以加工机床的主轴为例，以往是采用数控车床和卧式加工中心。改用一台复合加工机后，我们对加工时间和耗电量进行了比较。图6(a)是使用车床和卧式加工中心时的工序照片，图6(b)是复合加工中心的，加工结果如表2所示。使用NC车床和卧式加工中心时，在每台机床上分别进行表面和背面的加工，因此需要4道工序。第1、2道工序使用NC 车床，第3、4道工序使用卧式加工中心，工序之间的更换需要由操作人员完成。而使用复合加工机时，只有表面和背面两道工序，工序间的转换也只是把工件从第一主轴换到第二主轴，不需要操作人员的介入，实现了完全自动化。比较加工结果，复合加工机把加工时间从199分13秒缩短到124分39秒，缩短了38% ；耗电量也从13O21.4wh减少到10315wh ，减少了21%。
- 把2台机床减少到1台机床，节省了人员、加工时间、能源消耗，并且因为没有工序之间的转移，减少了半成品。可以说，减少工序是引进复合加工机的最大优势。
- 涡轮叶片
- 下面介绍发挥复合加工机的车削和铣削能力及5轴加工的功能加工自由曲面的代表性例子一涡轮叶片的加工实例。在这里对在2中提到的高速、高精度新型复合加工机和传统的加工机进行比较。图7工件的毛坯为不锈钢，各工序的加工条件如表2所示。新型复合加工机通过提高机床的刚性与传统的复合加工机相比，实现了更高条件下的切削。并且，如图8所示在旋转轴加速度较高的部分(EDGEA, EDGE B)，传统机床可以看到一道道的痕迹，这是因为传统的蜗杆方式驱动在加速度较高的部分产生了过冲(overshoot)等同步误差。加工时间由传统机床的112分缩短为94分，缩短了16%。
表2 一般零件加工的加工结果| | 车床+加工中心 | 复合加工机 |
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| 加工时间 | 耗电量 | 加工时间 | 耗电量 |
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| 工序1 | 24分26秒 | 1728.4wh | 45分55秒 | 4030.5wh |
| 工序2 | 15分47秒 | 1061.5Wh | 78分44秒 | 6284.5wh |
| 工序3 | 117分5秒 | 7590.8wh | | |
| 工序4 | 42分00秒 | 2640.7wh | | |
| 合计 | 199分13秒 | 13021.4wh | 124分39秒 | 10315wh |
3. 以加工中心为设计基础的最新型复合加工机
以下，图9所示是以加工中心为设计基础的最新型复合加工机。一般的5轴加工中心，由于工作台结构构成复杂，因此接近性较差，加工时视线确认性较低。图10所示为一般5轴加工中心的工作台构造。支撑旋转部件的摆动机构被称为双臂耳轴，由于它被安置于机床加工区域内，因此成为影响加工时的接近性和视线确认的主要原因。为了克服以上课题，我们研发的复合机采用了单臂式的工作台构造，如图11所示。另外，驱动5轴加工中心工作台旋转的2轴一般都采用了蜗杆结构等的减速构造。该减速构造很早开始被使用，因为工作台与伺服电机的减速比为几十比1，可以使用扭矩较小的伺服电机，因此被广泛应用。但是，由于反向间隙(backlash )较大，速度最快只能达到几十转/分钟，因而无法应对工作台高速旋转的车削加工。此外，蜗轮齿轮的反向间隙也是5 轴联动加工时精度恶化的原因所在。为此，我们研发了直驱式电机，使高速的旋转驱动成为可能，同时消除了由于反向间隙而导致的精度恶化，简化了设计构造．。目前为止研制的同步式直接驱动式电机的最高转数为100r/min左右，与以往的蜗杆驱动等传统方式相比，速度提高了数倍。但是要进行车削加工，旋转速度必须提高到10倍左右，达到1000r/min左右。加工件一般为不规则工件，材质以灰铸铁为主。因此车削加工时的线速度需要达到200r/min左右。加工直径50mm以下的工件时，可以使用加工中心的功能进行健铣加工和铰孔加工，假设车削加工直径50mm以上的工件，最高旋转数设为1200r/min，工作台分度所用的时间，需要与现有的高速加工中心具有同等性能。具有代表性的90度的分度时间为0.75秒以下。因此，工作台需要在0.3秒内加速到120r/min。我们研发的工作台旋转部位的惯性为13.3kgm2，所以扭矩最大可达560Nm 。对于这项研发所需要的直接驱动式电机的规格如表1 所示。在设计旋转工作台用的DD电机时，电机的尺寸等都受限于设备整体的概略设计。为了实现与立式加工中心一样的简便操作，我们采用了如图11所示单臂式工作台构造。为了使设备在保持加工精度的同时实现高加速度，尽量减少发生干涉，操作简便，并能尽量减轻倾斜轴的扭矩不平衡现象，我们采用了紧凑型高刚性的工作台框架。此外，旋转工作台的支撑部位，我们选用了大口径轴承，尽可能的提高了刚性。即使装载最大重量300kg的工件时，也力求将工作台中心部位的变形量控制在0.005mm以下。以此为目标，我们把设计好的3维CAD模型通过COSMOS解析软件进行了FEM静态解析。解析结果如图12所示。承重3 000N负荷的工作台中央部位的歪曲度为0.005以下。作为复合加工机C轴工作台需要高速旋转。为了防止磁铁飞散，我们新开发设计了IPM电机，采用了将磁铁镶嵌在转子内部缝隙中的构造。此外，如果要满足5轴加工中心的分度工作台所需具备的高刚性，高扭矩，高精度要求及车削加工必需的高速旋转，就会产生升温、轴承寿命、低速旋转时的扭矩等问题，我们探讨研究了满足以上各项要求的极限值后，最终将最高旋转速度设定为1200r/min。3.2 以加工中心为设计墓础的复合加工中心的加工实例
接下来介绍3.1项中谈及的以加工中心为设计基础的复合加工中心的加工实例。表3 叶轮加工时间| | 传统5轴MC+车床 | 新型5轴复合加工机 |
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| 车削加工 | 19分10秒 | 21分26秒 |
| 粗加工 | 19小时42分14秒 | 13小时46分28秒 |
| 半精加工 | 3小时48分07秒 | 2小时39分28秒 |
| 精加工 | 12小时4分1秒 | 8小时26分8秒 |
| 合计 | 35小时53分32秒 | 25小时13分300秒 |
- 叶轮
- 以下如图12所示，是5轴联动加工的典型实例——高速叶轮加工。材质为铝合金，外圆尺寸Ø250mm×150mm。使用采用传统蜗杆方式驱动的5轴加工中心和数控车床的组合进行了实际加工。除了车削工序中，传统方式的NC车床稍快以外，在其他部分的加工中，使用新型复合加工机的加工时间大幅缩短。加工时间见表3。
表4 代表刀具(球形立铣刀R5)的切削| 主轴旋转速度 | 12,000r/min |
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| 切削进给速度 | 5000mm/min |
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| 切入深度 | 2～18mm |
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- 国际象棋棋子
- Ø75×155mm树脂材料，使用车削加工+5轴高速加工切削出国际象棋的骑士棋子。第一道工序以直驱电机转速：500r/min，进给150mm为加工条件进行外圆粗加工。图13所示为安装在加工中心主轴上的车削刀具。图14为成品，图15为材料。第一道工序通过C轴的高速回转，进行外圆车削粗加工。粗加工后使用刀具总数为4把，代表刀具的切削条件参考表4。不需要重新进行工艺交换，加工时间为25分/个。
图13 车削刀具
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图14 国际象棋棋子 |
图15 国际象棋棋子毛坯照片
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4. 结论
- 我们研发的5 轴复合加工机采用了直接驱动式电机、重心驱动等关键技术，可以实现高速度、高精度。
- 作台采用了高速直接驱动式电机，在确保高精度的同时还具有良好的操作性能。
- 以上效果是在以车床和加工中心为设计基础的复合加工机上分别进行加工测试后得以验证的。
