五軸車銑復(fù)合加工技術(shù)（車銑加工中心）的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
    五軸車銑技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的復(fù)合加工技術(shù)，是一種在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)和精密制造技術(shù)基礎(chǔ)上，集成了現(xiàn)代先進(jìn)控制技術(shù)、精密測量技術(shù)和CAD/CAM應(yīng)用技術(shù)的先進(jìn)機(jī)械加工技術(shù)。這種加工技術(shù)的實(shí)質(zhì)是一種基于現(xiàn)代科技技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的工藝創(chuàng)新并引發(fā)相關(guān)產(chǎn)業(yè)工藝進(jìn)步和產(chǎn)品質(zhì)量提升的新技術(shù)。
    五軸車銑中心是五軸車銑技術(shù)的載體，是指一種以車削功能為主，并集成了銑削和鏜削等功能，至少具有3個(gè)直線進(jìn)給軸和2個(gè)圓周進(jìn)給軸，且配有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的機(jī)床的統(tǒng)稱。這種車銑復(fù)合加工中心是在三軸車削中心基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，相當(dāng)于1臺(tái)車削中心和1臺(tái)加工中心的復(fù)合。因此可以在1臺(tái)車銑中心上，經(jīng)過一次裝夾，完成全部車、銑、鉆、鏜、攻絲等加工，其工藝范圍之廣和能力之強(qiáng)，已成為當(dāng)今復(fù)合加工機(jī)床的佼佼者，是世界范圍內(nèi)最先進(jìn)的機(jī)械加工設(shè)備之一。
    五軸車銑中心的先進(jìn)性表現(xiàn)在其設(shè)計(jì)理念上。在通常的機(jī)械加工概念中，1個(gè)零件的加工，少則一兩工序，多則上百工序，要經(jīng)過多臺(tái)設(shè)備的加工來完成，要準(zhǔn)備刀具、工裝夾具。對(duì)復(fù)雜的零件來說，有的一套工裝的準(zhǔn)備就需要三、五個(gè)月的時(shí)間，即使不考慮經(jīng)濟(jì)成本，三、五個(gè)月的時(shí)間很可能會(huì)錯(cuò)過許多商品機(jī)遇和戰(zhàn)略機(jī)遇。在汽車、家電等批量生產(chǎn)行業(yè)，為了提高效率和自動(dòng)化水平，廣泛采用自動(dòng)化生產(chǎn)線，龐大的物流系統(tǒng)構(gòu)成了自動(dòng)線很主要的一部分，同時(shí)是一個(gè)占錢、占地的部分，也是故障多發(fā)的部分，對(duì)復(fù)雜形面的加工，物流更是一個(gè)大問題。零件的多次裝夾和基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，有時(shí)帶來不必要的工序，同時(shí)也使零件加工精度喪失。
    五軸車銑復(fù)合加工中心從設(shè)計(jì)概念上解決了這個(gè)問題，它是一次裝夾，完成加工范圍內(nèi)的全部或絕大部分工序，實(shí)現(xiàn)了從復(fù)合加工到完整加工的飛躍。
    這種完整加工的設(shè)計(jì)理念有以下幾方面好處：
    （1）縮減生產(chǎn)過程鏈和減少在制品數(shù)量。
    完整加工大大縮短了生產(chǎn)過程鏈，而且由于把加工任務(wù)只交給一個(gè)工作崗位，不僅使生產(chǎn)管理和計(jì)劃調(diào)度簡化，而且透明度明顯提高，無需復(fù)雜的計(jì)劃系統(tǒng)就能夠迅速解決所發(fā)生的事情并使之優(yōu)化。工件越復(fù)雜，它相對(duì)傳統(tǒng)工序分散的生產(chǎn)方法的優(yōu)勢就越明顯。同時(shí)由于生產(chǎn)過程鏈的縮短，在制品數(shù)量必然減少，可以簡化生產(chǎn)過程管理。
   （ 2）減少基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，提高加工精度。
    工序集成化不僅提高了工藝的有效性，由于零件在整個(gè)加工過程中只有一次裝卡，加工的精度更容易獲得保證。
    （3）減少工裝夾具數(shù)量和占地面積。
    盡管加工中心機(jī)床的單臺(tái)設(shè)備價(jià)格較高，但由于過程鏈的縮短和設(shè)備數(shù)量的減少，工裝夾具數(shù)量、車間占地面積和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用也隨之減少，從而降低了總體固定資產(chǎn)的投資、生產(chǎn)運(yùn)作和管理的成本。
    （4）縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。
    可持續(xù)發(fā)展是企業(yè)的一個(gè)重要戰(zhàn)略目標(biāo)，其前提是產(chǎn)品的不斷更新。在競爭日益激烈的環(huán)境下，機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)瞬即逝，這就要求產(chǎn)品研發(fā)周期不能太長。對(duì)于航空航天領(lǐng)域的企業(yè)，新產(chǎn)品零件越來越復(fù)雜，精度也越來越高，因此具備高柔性、高精度、高集成性和完全加工能力的五軸車銑復(fù)合加工中心可以很好地解決新產(chǎn)品研發(fā)中復(fù)雜零件加工的精度和周期問題，大大縮短研發(fā)周期和提高新產(chǎn)品的成功率。
    五軸車銑中心功能
    五軸（有時(shí)為六軸）分別為3個(gè)或4個(gè)直線軸（X軸和E軸、Y軸、Z軸）以及2個(gè)回轉(zhuǎn)軸（C軸、B軸）。
    X、Y、Z構(gòu)成三維空間，在加工中，X軸、E軸形成回轉(zhuǎn)體的徑向尺寸或復(fù)雜曲面的插補(bǔ)銑加工；Y軸形成刀具與主軸中心的偏離，可用于鉆偏心孔、平面的Y向銑削或復(fù)雜曲面的插補(bǔ)加工；Z軸形成回轉(zhuǎn)體的軸向尺寸或可用于平面的Z向銑削復(fù)雜曲面的插補(bǔ)加工。
    C軸為繞Z軸旋轉(zhuǎn)的軸,在回轉(zhuǎn)體上實(shí)現(xiàn)周向進(jìn)給，分度和定向停車，用于端面鉆孔和插補(bǔ)銑削加工。
    E軸為X軸的平行軸，是為實(shí)現(xiàn)某些特殊功能而附加的軸。
    B軸為繞Y軸旋轉(zhuǎn)的軸,形成刀具與主軸回轉(zhuǎn)中心的夾角,當(dāng)作為連續(xù)軸插補(bǔ)加工復(fù)雜曲面時(shí)，刀具可以保持連續(xù)垂直于零件軌跡的切線方向。
    發(fā)展現(xiàn)狀
    進(jìn)入21世紀(jì)以來，五軸車銑中心發(fā)展非常迅速，不僅規(guī)格齊全，在硬件功能上十分完善，且軟件功能也很強(qiáng)大。如WFL的M系列和MAZAK的E-H系列等。
    在規(guī)格上，WFL的M系列從M30到M150，共有7個(gè)規(guī)格系列，基本上涵蓋了直徑從300mm～1500mm，長度最長到6500mm的所有工件；而MAZAK的E-H系列則基本上覆蓋了車削直徑從610mm～920mm的中型規(guī)格工件。
    在硬件功能上，除了標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊配置外，還有一些可選模塊。如WFL的M系列可選模塊有副主軸模塊、下刀塔模塊、長鏜刀桿模塊和對(duì)刀尖的ATC更換模塊、帶徑向自動(dòng)進(jìn)給的鏜刀桿模塊、角度頭模塊等。而MAZAK的E-H系列的可選模塊有副主軸模塊、下刀塔模塊、長鏜刀桿模塊和對(duì)其刀尖的ATC更換模塊。
    在軟件功能上，都具備在線檢測功能、刀具在線實(shí)時(shí)監(jiān)控及適應(yīng)控制功能、自動(dòng)對(duì)刀功能、溫度補(bǔ)償功能、CAD/CAM自動(dòng)編程功能等。
    目前，最先進(jìn)的五軸車銑加工中心除了可以進(jìn)行車、銑、鉆、鏜、攻絲等加工外，還可以鏜型腔、鉆深孔、滾齒、銑葉片以及進(jìn)行磨削加工和工件的在線測量，實(shí)現(xiàn)各種誤差補(bǔ)償、刀具在線監(jiān)控和適應(yīng)控制等。
    然而同樣的設(shè)計(jì)理念，在眾多的生產(chǎn)廠家當(dāng)中，所走的路線卻各不相同，各有各的特點(diǎn)，產(chǎn)品的應(yīng)用場合也有較大區(qū)別。主要分為兩大流派，一個(gè)是歐式風(fēng)格，以WFL、NILES、沈陽數(shù)控為代表，一個(gè)是以DMG、MAZARK為代表的日式風(fēng)格。
    1 兩類車銑中心在高效切削理念上的差別
    兩種流派的機(jī)床設(shè)計(jì)在考慮車銑效率時(shí)，實(shí)現(xiàn)的手段是不一樣的，日式車銑復(fù)合加工中心是以高速、小切深、大進(jìn)給為基礎(chǔ)來確定機(jī)床的參數(shù)的，利用了刀具的上限切削速度，適合于模具圓角和材料較軟的被加工零件切削。歐式車銑復(fù)合加工中心是以重切削為條件，即大切深、大進(jìn)給、高線速度來確定機(jī)床參數(shù)的。兩種高效切削方式實(shí)現(xiàn)方法明顯不一樣，以高速為基礎(chǔ)的方式實(shí)現(xiàn)高效，從經(jīng)濟(jì)上考慮，刀具壽命低，零件制造成本相對(duì)提高；以重切削為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的機(jī)床，剛性好，刀具使用中高轉(zhuǎn)速壽命長，經(jīng)濟(jì)性好。目前機(jī)械式動(dòng)力主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)9000r/min，有效地解決了小圓角切削線速度低的問題。
    2 車銑中心兩大流派的結(jié)構(gòu)分析
    （1）總體布局。
    日式布局緊湊、體積小，采用大平頂梯形床身截面，截面高度低（平床身）；歐式床身截面為三角形（斜床身）截面高度比日式要高，床身重，撓度小，但體積和重量都大，相對(duì)成本高。
    （2）Y軸形式。
    日式車銑復(fù)合加工中心的Y軸是虛擬Y軸，是X軸和一個(gè)與X軸有一定夾角Y′的軸差補(bǔ)來實(shí)現(xiàn)。Y坐標(biāo)與X坐標(biāo)的垂直關(guān)系由差補(bǔ)精度決定。在實(shí)現(xiàn)Y坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，X軸和Y′軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)。對(duì)兩軸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性要求較嚴(yán)格，這種形式X軸拖動(dòng)重力輕，易于控制，受部局影響Y軸行程較小。
    歐式車銑復(fù)合加工中心，是機(jī)械保證，Y與X、Z垂直，可達(dá)到較高精度，這在銑削Y向平面時(shí)易于達(dá)到理想的平面質(zhì)量。這種部局Y 向行程比日式大1/3左右。
    （3）刀具動(dòng)力主軸。
    日式車銑復(fù)合加工中心刀具動(dòng)力主軸通常采用電主軸，動(dòng)力主軸箱體積一般很大，相對(duì)來說主軸直徑較小，采用角接觸球軸承，這種設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速，屬高速小扭矩主軸，扭矩一般≤150N•m，對(duì)于大刀具懸伸和重負(fù)載切削不利。在小切深、高轉(zhuǎn)速方面有優(yōu)勢。主軸壽命相對(duì)較低，到達(dá)壽命后只有電主軸生產(chǎn)廠才有力量維護(hù)。
    歐式車銑復(fù)合加工中心的刀具動(dòng)力主軸是曲型機(jī)械式主軸，目前最高轉(zhuǎn)速9000r/min，相對(duì)電主軸轉(zhuǎn)速較低，對(duì)于絕大多數(shù)切削條件來說這個(gè)轉(zhuǎn)速可以滿足。這種形式一般很輕松達(dá)到300N•m以上扭矩，適合于大扭矩切削，在黑色金屬切削方面有明顯優(yōu)勢。
    （4）C軸形式。
    從日式和歐式風(fēng)格上看，相近規(guī)格日式C軸扭矩較小，歐式扭矩較大。從這一點(diǎn)上可以看出，歐式車銑復(fù)合加工中心在應(yīng)對(duì)較大慣量、較大直徑銑削能力上，更具有優(yōu)勢，尤其是C軸定向鎖緊功能，對(duì)提高銑削能力，提高零件表面質(zhì)量有很大的作用。
    3 五軸車銑中心的幾大結(jié)構(gòu)形式
    縱觀世界上各個(gè)生產(chǎn)廠商的車銑復(fù)合加工中心產(chǎn)品，雖然它們的結(jié)構(gòu)各不相同，各有千秋，但是總體來說可以分為以下4類典型結(jié)構(gòu)。 
    第1類是以WFL、沈陽機(jī)床為代表的斜床身式立式車銑復(fù)合加工中心。
    該類機(jī)床總體布局采用傳統(tǒng)臥式車床布局形式，床身采用高剛性的斜式床身結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌為特殊設(shè)計(jì)的大尺寸直線導(dǎo)軌，具有高剛性和優(yōu)良的抗振性。床身左端為車削主軸箱，具備C軸功能。右端為尾座裝置。斜式床身上部是車、銑、鏜主軸裝置，可沿縱向(Z軸)、橫向(X軸)、徑向(Y軸)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)和B軸的擺動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。斜式床身的下部是一個(gè)在縱向和橫向均可機(jī)動(dòng)控制的中心支架，用于端面和鏜內(nèi)孔加工不能使用尾座裝置時(shí)支撐工件。因而該類機(jī)床具備X、Y、Z、B和C多軸插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)功能，可在無人干預(yù)的情況下，進(jìn)行車削、鉆孔、銑削、磨削、槍鉆、內(nèi)外齒加工、車銑、圓弧銑削等加工任務(wù)。
    第2類是以DMG公司為代表的斜平床身的立式車銑復(fù)合加工中心。
    這類機(jī)床是世界上絕大多數(shù)機(jī)床制造商所采用的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)比較緊湊。其中DMG公司在其機(jī)床的Z軸采用了直線電機(jī)技術(shù)，快移速度達(dá)到70m/min；B軸采用渦輪蝸桿，其力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)分度精度可以達(dá)到0.001°。
    第3類是以日本的MORI SEIKI和MAZAK為代表的箱中箱式臥式車銑復(fù)合加工中心。
    這類機(jī)床是日本森精機(jī)公司在2005年著力推出的一款新型的車銑復(fù)合加工中心，此款機(jī)床采用了很多世界領(lǐng)先的技術(shù)。其中包括很多加工中心采用的箱中箱結(jié)構(gòu)、森精機(jī)公司提出的重心驅(qū)動(dòng)技術(shù)、絲杠中空冷卻技術(shù)、車削主軸箱體冷卻技術(shù)，以及其刀塔采用的力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力刀具等。
    第4類是以INDEX公司為代表的動(dòng)立柱式臥式車銑復(fù)合加工中心。
    這類機(jī)床借鑒了臥式加工中心成功的經(jīng)驗(yàn)，采用了動(dòng)立柱式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Z、X、Y向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而床身有兩種結(jié)構(gòu)，一種是采用平床身，另一種采用斜床身。
    從這4類典型的機(jī)床結(jié)構(gòu)不難看出，現(xiàn)代機(jī)床已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)完善的程度，各類機(jī)床之間彼此相互交融，第3和第4類機(jī)床就是很好地融合了臥式加工中心和車削中心的結(jié)構(gòu)而得到的一種全新的結(jié)構(gòu)，所以其既有臥式加工中心的特點(diǎn)，同時(shí)又有車削機(jī)床的特點(diǎn)，所以其加工范圍和能力就大大地增強(qiáng)了。
    國內(nèi)對(duì)五軸車銑中心的研究始于2000年，并在2001年制造出第一臺(tái)五軸車銑中心SSCKZ63-5；同年“十五”國家科技攻關(guān)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目SSCKZ80-5/2000啟動(dòng)并由沈陽機(jī)床承擔(dān)此項(xiàng)目的研究，2003年該項(xiàng)目通過國家驗(yàn)收并在2005年獲中國機(jī)械工業(yè)科學(xué)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
    在五軸車銑技術(shù)領(lǐng)域，我國與發(fā)達(dá)國家相比，雖然起步較晚，但在開始研發(fā)的時(shí)候就瞄準(zhǔn)當(dāng)時(shí)世界上五軸車銑中心最高水平，所以起點(diǎn)很高，走的是高剛性、大切削量的路線，而且進(jìn)步相當(dāng)快。經(jīng)過幾年的艱苦努力，目前這種五軸車銑中心在沈陽機(jī)床已進(jìn)入技術(shù)成熟期和產(chǎn)品成長期，并已量產(chǎn)化。已有6種規(guī)格、8個(gè)品種、20多臺(tái)設(shè)備在服役，無論在規(guī)格品種或功能上，還是在性能和精度上均與國外同類產(chǎn)品水平相當(dāng)，不僅可以為風(fēng)力發(fā)電、船舶、航空航天、軍工等國家重點(diǎn)行業(yè)提供這種高檔車銑復(fù)合設(shè)備和解決方案，還可為他們免費(fèi)提供相關(guān)技術(shù)支持，這也是沈陽機(jī)床這樣的國內(nèi)知名企業(yè)在服務(wù)觀念上的重大改變。
    發(fā)展趨勢
    五軸車銑復(fù)合加工中心從產(chǎn)生至今，已有近20年的歷史，技術(shù)已經(jīng)成熟并被國內(nèi)外用戶接收和認(rèn)可。從趨勢上看，主要向以下幾個(gè)方向發(fā)展：
�。�1）更高工藝范圍。
    通過增加特殊功能模塊，實(shí)現(xiàn)更多工序集成。例如將齒輪加工、內(nèi)外磨削加工、深孔加工、型腔加工、激光淬火、在線測量等功能集成到車銑中心上，真正做到所有復(fù)雜零件的完整加工。
    （2）更高效率。
    通過配置雙動(dòng)力頭、雙主軸、雙刀架等功能，實(shí)現(xiàn)多刀同時(shí)加工，提高加工效率。
    （3）大型化。
    由于大型零件一般多是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求加工的部位和工序較多、安裝定位也較費(fèi)時(shí)費(fèi)事的零件，而車銑復(fù)合加工的主要優(yōu)點(diǎn)之一是減少零件在多工序和多工藝加工過程中的多次重新安裝調(diào)整和夾緊時(shí)間，所以采用車銑中心進(jìn)行復(fù)合加工比較有利。所以目前五軸車銑復(fù)合加工中心正向大型化發(fā)展。例如沈陽機(jī)床的HTM125系列五軸車銑中心，回轉(zhuǎn)直徑達(dá)到1250mm,加工長度可以達(dá)到10000mm，非常適合大型船用柴油機(jī)曲軸的車銑加工。
    （4）結(jié)構(gòu)模塊化和功能可快速重組。
    五軸車銑中心的功能可快速重組是其能快速響應(yīng)市場需求，并能搶占市場的重要條件，而結(jié)構(gòu)模塊化是五軸車銑中心功能可快速重組的基礎(chǔ)。一些技術(shù)先進(jìn)的廠家(如德國DMG、奧地利的WFL、日本的MAZAK公司等)的許多產(chǎn)品都已實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)，并正在向如何實(shí)現(xiàn)功能快速重組的方面努力。
    結(jié)束語
    五軸車銑技術(shù)的先進(jìn)理念是提高產(chǎn)品質(zhì)量和縮短產(chǎn)品制造周期。因此，這種技術(shù)在軍工、航空、航天、船舶以及一些民用工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，尤其在航空航天領(lǐng)域一些形狀復(fù)雜的異形零件的加工中更具優(yōu)勢，因此國外早已在航空航天領(lǐng)域大批采用此類設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加工設(shè)備，而國內(nèi)在這方面則比較落后，因此還需借鑒國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，爭取在五軸車銑技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域改變落后的局面。