车铣加工中心的研究概述

1.2.1车铣加工中心的研究概述

目前高档数控机床正向着髙速度、高精度、髙效率、复合化、智能化的方向发展。在世界机床制造和机械加工领域，复合加工.技术正以其独特的魅力被逐渐认识并应用于实践中，尤其近几年，复合加工技术以较快的速度向前发展。复合加工是一种先进的制造技术，其中车铣复合加工是最流行的加工工艺之一，可以把几种不同的加工工艺在一台机床上实现。工序复合和工种复合是机床集成制造技术发展的基本点，而追求在一次装卡下完成零件的全部加工，是制造技术发展的趋势之一。车铣加工中心不但可以缩短加工时间，提高加工.精度，而且缩短生产周期，实现零库存，最终提高整体生产效率。

今天用户对车铣复合加工技术的需求是以动态多变的市场经济环境和个性化产品的社会需求为基础的，而生产条件则是小批最、多品种，甚至是单件生产所推动的。航空、航天等军工领域经常出现小批量、高强度材料制成的髙精度复杂零件，对于这些零件，所涉及工艺需要采用多种加工方法，涉及的机床种类繁多，配套工艺夹具设汁生产困难，产品生产周期长，质量也难以有效控制；而车铣复合加工技术正好解决这样的问题，设计机床时可以尽量考虑能适用于各种复杂的工件形状，在一次装卡下尽可能全部完成所有的加工工序，因此产生了车铣复合加工中心这种新机型[1’9]。这种新的加工理念和新机型在一些特殊零件的加工中，以其不可替代的优势被越来越多的行业所接受，如今已广泛应用于航空、航天、船舶、核工业以及一些民用工业领域中小批量、高精度、形状复杂的回转体零件的加工。例如:航天工业中导弹的引芯、起爆壳体以及模拟试具;航空工业中各种飞机的发动机主轴、起落架、各种泵体、精密插接零件，变螺距变导程的复杂零件（图1.2)，核工业中的各类泵、发动机，船舶工业中的柴油机曲轴、发动机活塞、柄、分离机分离毂、印刷行业印滚、螺旋叶片（图1.3)等的加工。

从上述适用范围可以看到车铣加工中心主要用于加工形状复杂、精度要求高、批量较小的异形冋转体零件，这些零件的加工往往是在车削的基础上还附加铣、钻、镗、攻丝等多种加工方法，有些还附加有深孔钻、滚齿、插齿、铣螺纹、铣复杂的空间曲面等。使用车铣加工这些零件，既省时省力又易于保证零件的加工精度。

1.车铣复合加工的特点

随着零件复杂性要求的增加，同时制造业对加工效率的要求越来越高，车铣工艺有很多用武之地，因为它不仅能加n复杂的形状，而且能通过一次装卡完成零件加工。车铣复合加工技术包括两方面含义。

(1)车铣技术。车铣是利用铣刀和工_件旋转的合成运动来实现对工件的切削加工，使工件在形状精度、位置稍度、表面粗糙度及残余应力等多方面达到使用要求的一种先进切削加工方法。它不是车削与铣削的简单结合，而是在当今数控技术得到较大发展的条件下产生的一种高新切削技术，利用车铣合成运动来完成各类表面的加工。车铣技术完全不同于普通意义上的车、铣功能的简单叠加，而是车、铣两个主轴运动合成的结果，是在当今数控技术得到较大发展的条件下产生的一种高新切削技术[12]。它完全摒弃了传统的车削加工原理和部分车削功能部件（如车刀和车刀架等），增加了车削主轴功能——实现c轴功能和动力刀架b轴（铣刀主轴）功能。加工.刀具用铣刀代替r车刀，即以铣代车。

(2)复合加工技术，是机械加工领域目前国际上最流行的加工工艺之一。复合加工就是把几种不同的加工工艺，在一台机床上实现。复合加工应用最广泛的就是车、洗复合加丄，其相当于一台数控车床和一台加工中心的复合，可以使r_件在一次装夹中完成车、铣、钻、镗等不同方法的加工。由于车铣复合加工中心具有上述特点，深受用户的青睐，吸引了众多机床制造商研究幵发，Fi前复合加工机床已占到数控机床的约20%。随着多品种、中小批量生产需求的增加和复合加丄机床自身技术的发展，该类机床的需求量将会大大增加，在未来几年，该类机床将可能占到数控机床的50%?60% ^3]。

车铣加工包括铣刀旋转、工件旋转、铣刀轴向进给和径向进给四个基本运动。车铣切削速度由铣刀旋转速度和工件速度共同决定，其中铣刀旋转是主切削运动，特别是在高速、超髙速车铣加工中，工件旋转速度对切削速度的影响可以被忽略。切削的进给速度由1：件旋转速度、铣刀轴向进给速度和径向迸给速度三个基本速度共同决定，其中工件旋转速度对进给的影响远大于其他两个基本速度。铣刀的直线进给运动根据不同加工的需要可采用轴向进给（如加工轴类零件）或径向进给（如加工盘类零件）运动，也可同时采用轴向进给和径向进给（如加工.锥体零件）运动。车铣加工依据工件旋转轴线与刀具旋转轴线相对位置的不同，车铣加工主要可分为轴向车铣、正交车铣以及一般车铣。根据刃具轴线与工件轴线的空间最小距离分为无偏心、上偏心和下偏心3种情况。依据工件和刀具旋转相对方向的不同，他们又都可分为顺铣和逆铣两种不同的形式，其中轴向车铣和正交车铣是应用范围最广泛的两类车铣加工方法，它们分别具有各自的特点及局限性[~。如图1.4(a)所示为正交车铣，由于铣刀与工件的旋转轴线相互垂直，它不能对内孔进行加工，但在加工外圆表面时由于铣刀的纵向行程不受限制，且可以采用较大的纵向进给，因此在加工外圆表面时其效率较高，同时也是目前应用最为广泛的加工方式。如图1.4(b)所示为轴向车铣，由于铣刀与工件的旋转轴线相互平行，它不但可以加工外圆表面，也可以加工内孔表面。但由于他们的旋转轴线相互平行，铣刀直径小于其主轴箱体径向尺寸时，就限制了铣刀的纵向行程，在这种情况下不适宜用轴向车铣加工，尤其是轴向行程较长的外圆表面或较深的内孔表面。

车铣加n与其他传统切削方法一样，车铣技术并不是适用于所有零件的切削加工，它只有在一些特定条件下才能充分发挥它的优点。具有如下主要优点：

(1)采用车铣加工中，一次装卡工件，不需更换机床，可以完成很多道工序，因此减小工件的安装定位次数，从而可减小其安装定位误差，有利于提高工件的加工精度。

(2)减小工序的工装夹具件数，从而可减小工装的准备时间及成本。

(3)减小因工序转换所需的等待、上下料及装夹等辅助时间，提高了生产率。

(4)不仅可以使加工系统所需的机床台数减少，而且由亍加工过程的集约化，使物流系统缩短，从而可以大大减少加工系统的占地面积。

(5)车刀通常不能很好地用于间断切削，而使用铣刀则能达到间断切削，这样可以使刀具有充足的冷却时间。

(6)由于切削速度是由工件和刀具的回转速度共同合成，因此工件不需要高速旋转也能实现高速切削。

一种加工方法的优劣取决于加工精度和加工效率，车铣加工正体现这些优点[12^4]。

2.车铣加工中心国内外研究现状

1)国外车铣加工中心研究现状

车铣加工的生产和发展与生产实践是分不开的，1955年德国的H.Weher总结了大量的实际生产经验，在《生产技术》上发表了《用硬质合金刀具铣削圆柱表面》一文，详细介绍了铣削圆柱表面时进给量、切削速度等主要参数的选用，并对已加工的表面精度进行了详细研究。该文献对后来车铣技术的研究产生了重要的影响，它介绍的用铣刀加工圆柱表面的方法，就是车铣技术的一种基本方法——轴向车铣的早期萌芽。1983年德国的K. R Sorge在他的博L?论文《车铣技术》中系统地研究了车铣技术的另一种基本加工方法——正交车铣，对正交车铣的运动原理、已加工件的表面精度、切削力、切削速度等迸行了开拓性的研究工作…]。1984年，德国的H.J. Wedeniwski[ll]在他的博士论文中研究了在车铣轴向进给加工运动原理及儿何形状误差分析。1990 年，C[KP会员Schulz[9]等人提出车铣加工.技术，为了满足高生产率和高质量这两大目标而发展起来的一种先进的制造技术。1994年,H Schulz等人利用车铣加工和车削加工硬质材料进行对比分析。 1997年J. K叩ac和M. P〇gaCnik[?对车铣加工表面质量理论与应用进行了研究。2000年,M. Pogacnik和j. Kopac[l6^过参数优化对车铣加工的动态稳定性进行研究。2000年，S. K. Chmi(1hUry[17]等人对正交车铣加工回转工件进行详细分析与研究。2005年，印度的 S. K. Choudhuiy和J. B. Bajpai⑴两位学者对正交车铣如何获得完好的表面质量进行了分析研究。2007年和2008年土耳其的V. Savas[l8]* 别利用立铣刀对轴向车铣加工表面粗糙度分析和利用遗传算法对轴向车铣加工表面粗糙度优化。2008年，克罗地亚S. Skoric1193对旋转表面加工的可行性进行研究，利用正交车铣加工技术对工件圆周表面加工可行性进行了详细分析。

从车铣加工中心产品角度讲，在20世纪80年代，奥地利的林茨机床公司（WFL)率先提出全工序加工的新概念——即在一次装卡中，完成工.件的所有车、铣、钻、镗等工序，也就是用一台设备完成从毛坯到成品的全部加工。在大规格产品上，以奥地利WFL公司开发较早，技术水平也领先。在20世纪90年代国外研发出高性能数控车铣复合加工中心。进入21世纪，将九轴五联动双主轴双刀架的车铣加工中心已较成熟地推向市场。随着数控机床产品高薪技术功能部件的商品化，参与开发数控车铣加工中心机床的厂商增加很多，竞争加剧，使其产品向更高的技术水平和更广泛的适应性发展。车铣复合加工中心根据生产的需要，有了快速的发展，为了满足高精度回转体零件一次装卡完成精密切削而设计的五轴到九轴车铣复合加工中心，可以实现五轴联动加工，如奥地利WFL公司、德国MAXMULLER公司、日本MAZAK公司等都有自己的产品，如图1.5所示为奥地利WFL的M35-G，图1.6所示为德国DMG的GMX2501inear车铣加工中心。目前，德国的Aachen工业大学和DarmsUdt 工业大学都设有专门从事车铣技术的研究中心。这两个研究中心是德国11个重要的机械研究中心中的主要两个，各类实验用的机床、测试仪器及科研设备非常齐全，科研水平处于世界前列。在这两个研究中心里，众多科研人员在车铣加工原理、车铣运动学及动力学、车铣机床的动态特性、已加工件表面质量、不同材料的车铣工艺性、车铣加工中心的设计与测试以及CA丨)/CAM等多个领域内从事研究工作。尤其值得关注的是Darmstadl工业大学机床及生产工程研究所的H. Shultz教授将长期从事高速铣削技术的研究成果成功地与车铣技术相结合，开创了高速、超高速车铣新领域。这些研究成果支持德国机床工业制造出了商品化的CNC车铣中心[~。从最近几届德国汉诺威国际机床展上展出的数控车铣中心机床来看，其数景和品种逐年增多，精度逐年提高，有的甚至可以以车或铣代磨，充分展现出车铣中心机床向髙速、高效、高精及柔性化、智能化和模块化方向发展；数控功能向专门化、开放式和智能型发展;机床性能与价格之比向有利于用户方向发展的趋势。

2)国内车铣加工中心研究现状

从国内发表的文献可知，国内开展车铣加工比较早的主要有沈阳理工大学的贾春德和姜增辉fl2]，西安理工大学刘军山和黄玉美[21]等人。1998年和2001年姜增辉和贾春德等人分别对轴向车铣加工的运动学建模与表面粗糙度分析和正交工件理论粗糙度的计算模型，分析了主要工艺参数对工件理论粗糙度的影响。并通过实验对工件的表面粗糙度进行了分析，证明了采用正交车铣完全可实现零件的粘:加工。2002年，姜增辉[25]等人给出了正交车铣运动的矢量方程和正交车铣切屑仿真的数学模型，阐述了切屑形状的计算机仿真方法，并得到了不同工艺参数下切屑的仿真结果。2004年，王凡[26]等人研究了在正交车铣加工时，轴向进给tt、铣刀与工件转速比以及偏心量等主要切削参数对被加工零件表面质量的影响，并对其运动轨迹进行了仿真。2004年，姜增辉^]等人通过数学方法对正交车铣已加工表面的形成机理进行了详细的研究。通过对微观圆度和侧母线的研究，在空间=个维度上阐述了正交车铣工件表面的形成机理。2005年，姜增辉127]等对轴向车铣加工.的切屑进行仿真。通过运动的矢量仿真，给出了切肩仿真的数学模型，阐述了切屑形状的计箅机仿真原理，并通过仿真得到了不同工艺参数P的切M形状。2005年，金成哲等人在车铣加工中心上,分別采用硬质合金和TiN涂层硬质合金刀片，对铝合金和不锈钢工件进行了车铣加工的刀具磨损试验，研究分析了车铣刀具的磨损和破损特征。2006年，姜增辉[33]等人以瞬时切削而积为主要研究对象建立了瞬时切削力的计算模型，并对瞬时切削力的变化进行了仿真。2007年，吉林大学的马岩1341研究非轴对称工.件车铣加工的切削力建模与仿真。2007年，黄树涛[35]等人综合考虑f刀具几何参数、刀具与工件的相对运动以及切削用量对已加工表面轴向残留面积高度的影响，建立了高速正交车铣已加工表面轴向残留面积高度的理论计算模型和计算公式，并据此提出了已加工表面粗糙度理论值的计算方法。并提出理论轴向残留面积高度是影响实际高速正交车铣已加工表面粗糙度的主要因素。2007年，刘克非等人[36]对微小型车铣加工切屑形态实验研究，分析其切屑形状的特点。2008年，西安理工大学的周红杰u°]对车铣复合加工表面微观几何形貌仿真及切削参数分析研究。2008年，上海交通大学的冯付良和李丹f37W利用计算机仿真技术对轴向车铣表而粗糙度进行了研究。2008年，侯敏139]对立式车铣复合机床中并联铣削机构进行了研究。2009年，金成哲等人对车铣粗糙度预测模型建立和分析，通过正交试验法，进行一系列的正交车铣铝合金切削实验，研究车铣切削用量与表而粗糙度之间的变化规律。

从国内开发车铣加工中心产品上看，研制出产品时间比较晚，大多数出现在21世纪初，特别是开发大规格的数控九轴五联动车铣复合加工中心。2005年和2007年两届北京国际机床展览会，国内亟待开发这种高性能机床，主要生产车床的企业近年来均在寻求产品开发途径，有的合资，有的合作，有的引进先进技术，均在努力开发适应市场的高件能产品。随着我国国民经济迅速发展和国防建设，对高档的数控机床提出了急迫的需求。经过技术人员的探索实践，如今我国数控机床产业终于取得了很大的成就，特别是沈阳机床集团和大连机床集团在研究车铣复合型加工中心方面已经有了实质性的突破。大连机床公司研发的CDH25型九轴五联动车铣复合加工中心，如图1.7所示，双主轴双刀架，一次装卡可以完成所有加工工序，大大提高加工效率;沈阳机床（集团）有限责任公司研发出HTM63150iy车铣复合加工.中心，如图1. 8所示，该机床特别适用于军工、航空、航天等复杂零件的加工.

近年来国内的主要机床生产企业均在寻求车铣复合加工中心的研究与开发，但与国外发达国家相比，我国复合加工机床的制造水平还有较大的差距。虽然有的已经生产出该类产品，但关键部件都是从国外引进，并?没有真正意义上的国产化。这种趋势目前也代表着国内的这种高性能数控车铣中心的开发状态[3]。目前加工中心在进给速度、主轴转速、典型件加工精度等方面与国外有10?15年左右的差距，其产品可靠性远落后于国外，平均无故障时间仅为500?800h，与国外大多在2000h 以上相比差距显著。具体体现在：国外车铣复合加工中心的主轴的转速已达到30000r/min以上，国产车铣复合加工机床的主轴的转速只有 12000r/niin;国外车统复合加工中心的最大进给速度在50m/min以上，而国内车锐复合加工中心的最大进给速度只有30m/min左右；国外车铣复合加工中心的车削主轴均釆用高速电主轴，国产车铣复合加工机床的车削主轴基本上还采用伺服电机驱动，功率小、转速低;此外，动力刀架、高精密轴承、伺服电机、液压原件等功能部件还严重依赖进口[2,3]。航天、航空、军工制造业的不断发展，现有机床越来越不能满足需要，尤其高速、精密、多轴、高效数控机床显得非常重要，如果用车铣复合加工中心加工这类零件不仅可以满足产品的特殊性要求，而且可以提高效率、降低成本。为了摆脱国外对该项技术的垄断，满足国防工业和未来市场发展的需要，进一步完善和深化该类产品的加工技术显得口益迫切。我国对车铣技术应重视以下研究方向：①车铣技术应用前景的研究;②车铣加I中心的结构动态特性的研究;③车铣加工原理的研究;④车铣加工可靠性的研究;⑤高速、超高速车铣以及相关技术的研究。

3.车铣加工中心发展趋势

当前世界机床技术发展的潮流是复合加工技术，复合加工机床成为各国机床制造业开发的热门产品。新型复合加工中心主要呈现下面儿个特点。

1)配有仿真系统

机床生产厂商与CAM软件开发商之间开始了更紧密的合作，许多车铣加X中心都配有仿真系统，如英国Palhlrace公司的EdgeCAM软件、美国CGTech公司的Vericut软件、DPTechnoIogy公司的ESPRIT软件以及各生产厂家根据自己的需要所开发的仿真软件等，这些仿真软件基本上可以对车铣加工中心进行模拟、程序验证、自动生成数控代码、CNC程序优化、精度检测等功能，提高加工效率和安全性。

2)多轴控制扩大机床加工能力

车铣加工中心有新的进展，现有机床大多为双主轴双刀架九轴控制实现五轴联动机床，该机床可以在一次安装下完成所有车铣钻工序。例如（如图1.5所示的奥地利WFI.公司的M35-G，如图1.6所示的德国DMG的GMX250 linear车铣加工中心）除了 5个铣削用轴X1、Y、 Z1、B、C1夕卜，还有车副主轴的C2、W2两个轴和刀架X2、Z2两个轴。多轴控制扩大了机床的加工能力，只要配置多任务通道的高档数控系统，可以同时进行两个零件不同任务的加工。该型机床是模块化设计的多功能机床，可以根据用户的要求，通过不同的模块组合方式可扩展到用于完成更精确或更复杂型面的车铣复合加工中心。

3)车铣加工.中心关键部件——B轴和C轴

车铣复合加工中心的B轴功能相当于将卧式/立式数控车床的车削功能与五坐标加工中心的铣削及加工功能结合为一体。B轴大部分采用伺服电机和减速机构（齿轮）驱动，通过鼠齿盘定位和圆光栅测量反馈、液压夹紧机构夹紧，定位精度高，铣削和车削都相当方便灵活。在铣削时，B轴为电主轴可进行高速加工，一般在180°内可无级旋转；主轴上安装车削刀具进行车削加工时，依靠90°分度定位装置，将旋转主轴进行定位夹紧，可进行正车削或反车削加工。它丰富了铣削功能，配合C轴实现五轴联动加工，通过一次定位进行全部的铣削和车削，提高了加工效率和加工精度，另外用户也可以通过控制Y轴进行偏心的铣削加工，可以进行复合角度加工，特别适合于要求复杂零件和精密加工的行业。C轴的驱动有特殊的要求，即车削时转速要高，铣削时要求低速大扭矩，其主要方法有伺服电机及减速机构驱动和电主轴直接驱动，大多数釆用了扭矩马达直接驱动技术，用电子控制直接驱动代替了传统的机械齿轮或皮带传动机构，消除了反向间隙，其刚性、扭矩和精度大大提高,c轴是电主轴，冷却系统处于恒温状态，可实现360°旋转，C轴分辨率为万分之一度，定位精度万分之五。当机床配置车副主轴时，利用双主轴同步控制，可以提高加工效率和加r.精度。

4)高速度、高精度、复合化、智能化

当前世界机床技术发展的潮流是复合加工技术，国内车铣复合加工中心体现了髙速度、高精度、复合化、智能化的数控机床发展方向，其中主轴转速可达（20000?30000 ) r/min，进给速度可达（30?50) m/min,加速度提高了原来的20%，基本都采用全闭环控制。机床复合化是当今提高数控机床精度和效率的主要措施，用加工中心加工工件，可在一次装卡的情况下，完成全部加工，消除了装卡位置误差，大大减少了零件工序间运输和等待时间，提高了工作效率。另外车铣加工中心实现r计算机联网，该机床可实现远程诊断、远程服务和人机对话编程等，是一台智能化的机床。w此充分展现出车铣加工中心向高速、高效、高精及柔性化、智能化和模块化方向发展。

我国应该在如下两个方面做出努力：

(1)长期以来西方发达国家对中国航空、航天、模具等行业急需的车铣加I.中心等高性能数控系统采取技术封锁、出口限制和价格垄断等手段来加以阻拦，五轴控制的高档数控系统、测量元件、B轴等还是依赖国外的技术，要真正实现车铣加工中心完全国产化还需要漫长的路程，我们必须一方面吸收国外的先进技术，另一方面要提高自己的创新能力，加速我国的经济和技术的快速发展。

(2)在开发新产品（如车铣加工中心）时，希望企业与高校相结合，企业不要过分注重生产，注重经济效益，应该处理好生产与技术之间的关系，提髙企业的竞争力；同时高校的研究成果应该与实际密切相关，将技术转化生产力，以防止技术资源浪费。

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