卧式铣镗加工中心技术分析与发展前景许立亭

卧式铣镗加工中心技术分析与发展前景
许立亭 刘 欣
摘要 我国当前刨台式及十字滑台线卧式铣镗加工中心的研发、制造水平，包括机床的总体布局结构特点的技术分析。阐述在 机床高精度、高速度及重大型方面今后的重点发展方向。
关键词 卧式铣镗加工中心 结构技术分析 发展方向 中图分类号 TP202 文献标识码 B
卧式铣镗加工中心在我国生产制造已经有几十年的历史， 其制造技术比较成熟，一般生产机床工作台规格都在 2000mm 以下。20 世纪 80 年代开始，由最初国内几家企业到如今制造该 产品的企业达几十家，产品技术水平也有了质的飞跃。但在几十 余年的发展历程中，该产品虽然在技术性能、精度、主轴转速及 坐标移动速度等方面不断突破，但在产品规格上最大也只是 2000mm 工作台。大规格、重大形式卧式铣镗加工中心近几年才 开发出来。现如今 2500mm 或以上规格工作台、带交换工作台站 的重大型卧式加工中心，开创了该类产品历史先河，为我国航 空、航天、军工、电力、船舶、工程机械和其他机械制造业行业提 供了大型关键设备。
图 1 侧挂箱、平旋盘主轴结构机床
轴箱沿 Y 向上下运动。 主轴箱可以是正挂箱、侧挂箱两种形式。此类机床适用于中
型复杂零件的镗、铣等多工序加工。 （2）固定式框架立柱结构，主轴箱沿 X、Y 向作十字运动，工
作台沿 Y 向运动。定 在 床 身 上 ，主 轴 箱 侧 挂 在 立 柱 上 ，主 轴 箱 沿
一、卧式铣镗加工中心总体布局的结构特点与技术分析 本文仅对传统上刨台式及十字滑台式卧式加工中心进行分 析，不包括落地式及五轴加工中心。 卧式加工中心产品的总体布局有立柱固定式和移动式结 构；主轴箱有正挂箱和侧挂箱；主轴形式有固定和移动式，移动 式主轴有镗杆式、滑枕式、平旋盘式等多种结构。侧挂箱、平旋盘 主轴结构机床如图 1 所示。 1.立柱固定式的结构 采用立柱固定式结构的机床，其机床布局不外乎有这么几 种形式： （1）立柱固定在床身上，工作台沿 X 向、Z 向作十字运动，主
跂賲 设备管理与维修 2013 №1
设备与技术
Y、Z 向作运动，工作台沿 X 向运动。此类机床适用于中型零 件镗、铣等多工序加工。正挂箱、固定式主轴结构机床如图 2 所示。
图 2 正挂箱、固定式主轴结构机床 2.立柱移动式结构 立柱移动式机床特点是整体车床身大多呈 T 字形布局，它 包括以下几种结构形式： （1）床身呈 T 字布局刨台式结构，立柱在纵床身上沿 Z 向 运行，工作台在横床身上沿 X 向运动。主轴箱在立柱上有正挂 箱、侧挂箱两种形式，沿 Y 向运动。这类机床适用于中、大型零 件，特别是长度较大零件的镗、铣等多工序加工。 （2）床身呈倒 T 字形布局结构，立柱在横床身上作 X 向运 动，工作台在纵床身上作 Z 向运动。主轴箱在立柱上有正挂箱、 侧挂箱两种形式，沿 Y 向运动。这类机床适用于中、大型零件的 镗、铣等多工序加工。 （3）床身呈倒十字形布局结构，立柱沿 X、Z 向十字运动，主 轴箱在立柱上作 Y 向运动，工作台固定在前床身上。这种机床 可适用于中、小型复杂零件的镗、铣等多工序加工。 目前，国内外卧式加工中心机床布局大多采用 T 字形结 构，这种结构的机床技术比较成熟。从上述结构布局分析可以看 出，一般中、小型机床采用倒 T 字形结构。这种结构的机床可配 备多个工作台实现快速交换。运动部件也可高速移动，并能高速 切削加工，提高工作效率。而 T 字形刨台式结构适用于大、重型 机床，可配备双工作台交换加工，机床工作的同时可以在待加工 区进行工件的装夹，提高机床加工效率。这种结构布局可作为柔 性单元，搭配自动线构成柔性制造系统。 3.主轴箱正挂箱结构分析 主轴箱为正挂箱即是主轴箱体在龙门框架式热对称立柱中 央沿立柱导轨上下移动。由于是正挂箱结构，主轴处于箱体的对 称中心部位，机床运转所产生箱体温升变形对主轴轴线位移影 响较小。因此，主轴箱为正挂箱的机床更容易保证零件加工精 度。而主轴箱装在龙门框架立柱内部，其装配工艺复杂，必须有 特殊工艺、工装才保证主轴箱与龙门式立柱的装配。这种结构的
加工中心是一种高精度机械加工设备，以提高零件加工精 度为前题。因此，国内外企业的卧式加工中心大多数采用正挂箱 结构。
5.主轴部件分析 （1）固定式主轴结构 ①机械主轴：当今一般都采用结构紧凑集成主轴组结构，通 过独立伺服电机驱动，经齿轮有级传动带动主轴旋转。由于采用 齿轮降速传动，主轴变速范围大，可实现大转矩、重切削加工要 求。另外还有采用齿型带同步传动结构，可实现主轴无级调速。 无论采用哪种传动的主轴结构，主轴轴径头部位置与箱体间存 在有间隙。一般在箱体或主轴法兰蓝盘设计成迷宫式结构，并以 气幕加以保护，避免切削液和粉尘等渗入，以保证主轴的精度和 使用寿命。 ②电主轴：这种主轴通常采用内藏式电机主轴单元结构，以 零传动的方式实现主轴高速旋转。主轴内部装有编码器，通过伺 服装置对主轴运转进行控制，可完成主轴准停、急停等功能。由 于是电机直接驱动，无传动链，可使主轴达几万转或更高转速， 并可减少机床的噪声、发热、振动和功率损失。一般适用于切削 力小、薄壁、复杂曲面、精密零件的加工。 （2）移动式主轴结构。 移动式主轴结构一般用在中、大型机床上。它克服了固定式 主轴接长刀杆加工易使刀杆变形而带来的弊端，通常用以较深 孔的镗削或平面铣削加工。镗杆或滑枕伸出时会产生挠度误差， 而影响工件加工质量，因此，对于采用移动式主轴的机床这是一 个比较关键项目。国内外企业对此不断进行深入研究，采用新材 料，改进设计、工艺，采用主轴集成技术等方法提高移动部件的 刚性，利用控制及补偿技术修正移动误差来保证加工精度。 ①镗杆式移动主轴（图 3）：这种主轴结构可以由独立伺服 电机驱动滚珠丝杠拖动镗轴移动，镗轴移动位置由位置控制器
机床工艺制造成本较高。 4.主轴箱侧挂箱结构分析 侧挂箱是主轴箱侧挂于立柱外侧沿立柱导轨上下移动。立
柱一般都是采用封闭式矩形箱形结构，其抗弯、抗扭、抗变形能 力较强。由于主轴箱挂于立柱侧面，机床运转所产生箱体温升或 受其他热辐射使箱体变形而使主轴轴线产生偏移，影响工件的 加工精度。这种结构机床可承受较大的切削力，且装配较正挂箱 相对容易简单。