復(fù)合加工是數(shù)控機(jī)床的一個重要技術(shù)發(fā)展趨向。本文介紹了復(fù)合加工的基本概念，并分別闡述了棱柱體類零件和回轉(zhuǎn)體類零件復(fù)合加工機(jī)床的發(fā)展過程與現(xiàn)狀。
        概述
        在面向大批大量生產(chǎn)的組合機(jī)床上，多工序復(fù)合加工概念便已得到一定的體現(xiàn)，但這屬於剛性自動化范疇。而當(dāng)今所謂復(fù)合加工，則是指在柔性自動化的數(shù)控加工條件下，當(dāng)工件在機(jī)床上一次裝夾後，能自動進(jìn)行同一類工藝方法的多工序加工(比如同屬切削方法的車、銑、鉆、鏜等加工)或者不同類工藝方法的多工序加工(比如切削加工和激光加工)，從而能在一臺機(jī)床上順序地完成工件的全部或大部分加工工序。
         顯而易見，把許多加工工序集中到一臺機(jī)床上完成，不僅消除了分散加工時工件在各工序流通過程中的運(yùn)輸和等待時間，相應(yīng)縮短工件的加工周期和降低車間的在制品數(shù)量，而且由于工件不需要在不同(或同一)機(jī)床上重新定位裝夾，從而既減少了加工輔助時間，又提高了工件的加工精度特別是形位精度。所以自數(shù)控機(jī)床發(fā)明以來，復(fù)合加工便是其重要的技術(shù)發(fā)展方向之一。1958年問世的加工中心，便是最早出現(xiàn)的復(fù)合加工數(shù)控機(jī)床。下文將分別對棱柱體類零件(如箱、殼、板等)和回轉(zhuǎn)體類零件(如軸、套、盤等)的復(fù)合加工機(jī)床進(jìn)行闡述，重點(diǎn)放在充滿生機(jī)和活力的回轉(zhuǎn)體類零件復(fù)合加工上。
         棱柱體類零件的復(fù)合加工機(jī)床
         加工中心是通過自動換刀和工作臺分度來對棱柱體類零件進(jìn)行多工序(銑、鉆、鏜、攻絲等)和多面復(fù)合加工的。實踐證明，加工中心確實有利于解決中、小批量機(jī)械制造企業(yè)交貨期長、資源利用率低、在制品多和資金周轉(zhuǎn)慢的弊端，因而在工業(yè)生產(chǎn)中獲得愈來愈普遍的應(yīng)用。據(jù)專家估算，2001年全世界加工中心的擁有量已超過40萬臺，同年全球的產(chǎn)量也近5萬臺，加工中心業(yè)已成為機(jī)械制造業(yè)的主力加工設(shè)備。
         其后，人們又通過加工中心主軸頭自動旋轉(zhuǎn)90度立臥轉(zhuǎn)換等方式，使加工中心不僅可以加工箱體件的4個側(cè)面，而且可以加工第5個面－頂面，從而紛紛推出所謂5面加工中心，這也可以算作加工中心復(fù)合加工功能的一個提高。近年來，隨著5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的降價與普及，5軸聯(lián)動的5面(或多面)加工中心已經(jīng)成為近期國際機(jī)床展一個新的熱點(diǎn)。最近推出的可在一次裝夾下對棒料的6個面進(jìn)行銑、鉆等加工的棒料加工中心，則是加工中心多面復(fù)合加工能力的新發(fā)展。
         棱柱體類零件方面不同工藝方法的復(fù)合加工，目前引人矚目的傾向是切削加工與激光加工或超聲加工相復(fù)合。德國DMG公司幾年前就在高速銑床的基礎(chǔ)上增加了一個激光加工頭，推出了銑削與激光復(fù)合加工的機(jī)床DMU60L(現(xiàn)在的型號是DML60HSC)。該機(jī)裝有1個功率為100W的Q開關(guān)YAG激光器，光束直徑0.1mm、加工效率20mm3/min。工件(主要是模具)在這種機(jī)床上一次裝夾后，先用高速銑頭完成絕大部分工作量，再用激光頭以層切方式進(jìn)行精加工，去掉型面的銑削痕跡和加工出精細(xì)部分，包括雕刻花紋和圖案。
         玻璃、陶瓷、硬質(zhì)合金等硬脆材料，用傳統(tǒng)的工藝方法是很難加工的，然而，如果在傳統(tǒng)的銑削、鉆削、磨削的過程中加上高頻振動運(yùn)動，即把超聲技術(shù)與切削加工技術(shù)相結(jié)合，則加工效率會顯著提高。德國DMG公司之DMS系列超聲加工機(jī)床，就是借助主軸上的轉(zhuǎn)換器把超聲發(fā)生器的電氣高頻信號轉(zhuǎn)換成20KHz的機(jī)械振動運(yùn)動(縱向運(yùn)動)，然后由調(diào)壓器放大和控制振動幅值，再通過獲得專利的Sauer圓錐形刀夾，把振動全部傳給金剛石顆粒制成的銑刀、鉆頭或砂輪，使刀具在加工過程中對工件表面進(jìn)行20,000次/秒的連續(xù)敲擊，將零件表面材料以微小顆粒形式分離出來。不僅其加工效率比傳統(tǒng)方式提高5倍，而且表面粗糙度也可達(dá)到Ra<0.2μm。DMS系列超聲加工機(jī)床，有3軸聯(lián)動控制和5軸聯(lián)動控制兩種類型，主軸轉(zhuǎn)速20～6000r/min，還可選配刀庫和自動換刀裝置，從而成為既具有超聲加工功能，又能進(jìn)行鉆、銑、磨等多工序復(fù)合加工的機(jī)床�；剞D(zhuǎn)體類零件的復(fù)合加工機(jī)床車削中心的發(fā)展有相當(dāng)一部分回轉(zhuǎn)體類零件(有人估計占1/2左右)，除了車削外，還需要進(jìn)行銑削、鉆孔、攻絲等操作，加上回轉(zhuǎn)體件每道工序的加工時間相對較短，因此迫切需要在一臺機(jī)床上一次裝夾下對回轉(zhuǎn)體件進(jìn)行多工序復(fù)合加工，從而終於在上世紀(jì)70年代開發(fā)出車削中心。
         與普通數(shù)控車床相比，車削中心的轉(zhuǎn)塔刀架上裝有可使銑刀、鉆頭、絲錐旋轉(zhuǎn)的動力刀具，同時機(jī)床主軸上還具有可按數(shù)控程序精確分度和與X軸或(和)Z軸進(jìn)行插補(bǔ)聯(lián)動的C軸功能。這種能在一次裝夾下對回轉(zhuǎn)體件進(jìn)行車、銑、鉆、鏜、攻絲的3軸(X、Z、C)控制車削中心，迄今仍是工業(yè)生產(chǎn)中用得最多的回轉(zhuǎn)體件復(fù)合加工機(jī)床。其后，車削中心又進(jìn)一步向擴(kuò)大加工工藝范圍方向發(fā)展，為了鉆削或銑削偏離回轉(zhuǎn)體件中心線的孔或槽，又開發(fā)出帶Y軸控制的轉(zhuǎn)塔刀架，并相應(yīng)推出了4軸(X、Y、Z、C)控制的車削中心。不過，單主軸車削中心無論怎樣擴(kuò)大工藝范圍，仍無法解決回轉(zhuǎn)體件在一次裝夾下的背面二次加工(即工件夾持端的加工)問題，因而在上世紀(jì)80年代又出現(xiàn)了雙主軸車削中心。這種機(jī)床的兩根主軸大多是在同一軸線上對置排列，以便在加工完回轉(zhuǎn)體件的主要一端后，由第二主軸將工件從主軸上自動摘取過來以加工夾持端。由于夾持端的加工任務(wù)一般都相對簡單一些，故第二主軸通常稱為副主軸，其功率也相對小一點(diǎn)。雙主軸車削中心可以配一個刀架，但大多是兩個刀架，以利于提高加工效率和更充分發(fā)揮機(jī)床設(shè)備的潛能。該機(jī)在床身上方的同一軸線上，配備有相互對置的主軸(18.65kW)和副主軸(11kW)，兩主軸的轉(zhuǎn)速均為0~4000r/min，并都可以有C軸控制，副主軸還可沿軸線方向運(yùn)動以摘取在主軸上加工完一端的工件。在主軸的上方和副主軸的下方各配有一個10刀位的轉(zhuǎn)塔刀架，轉(zhuǎn)塔刀架上每個刀位均可配備功率為3.7kW、轉(zhuǎn)速為80～8000r/min的動力刀具，上刀架為3軸(X1、Y1、Z1)控制，下刀架為2軸(X2、Z2)控制。車銑中心的興起從車削中心基礎(chǔ)上發(fā)展起來，90年代后期開始成為熱點(diǎn)的5軸控制(X、Y、Z、B、C)車銑中心，則不僅進(jìn)一步增加了B軸控制(使刀架繞Y軸轉(zhuǎn)動)，以鉆斜孔和銑斜面，并且不采用車削中心傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)塔刀架型式，而代之以高轉(zhuǎn)速和更大功率的電主軸刀架。由于刀架上這根電主軸每次只能裝1把刀具(車削時電主軸被鎖住，不轉(zhuǎn)動)，故也要像加工中心那樣配備自動換刀機(jī)構(gòu)和刀庫。這種機(jī)床的銑、鉆能力相當(dāng)於1臺小型乃至中型加工中心，其實質(zhì)是把數(shù)控車床和加工中心融為一體，故命名為車銑中心。
         日本山崎馬扎克公司在CIMT 2003上展出的車銑中心Integrex 200-ⅢST，是該公司Integrex系列中較新的一種，增加了可沿X2和Z2軸運(yùn)動的下轉(zhuǎn)塔刀架。機(jī)床上對置排列有主軸和副主軸，兩主軸最高轉(zhuǎn)速均為5000r/min，功率分別為22/15kW和18/15kW。主軸的C軸功能最小分度值0.0001°，可實現(xiàn)輪廓加工，副主軸則能沿主軸中心線移動以摘取工件。上面的電主軸刀架除可沿X1、Z1軸移動外，還有Y軸行程±80mm、B軸轉(zhuǎn)角225°，電主軸上的刀具自然可以更換，相應(yīng)的刀庫容量20把(任選40或60把)，換刀時間1.3s(刀到刀)。為了減少換刀次數(shù)，Mazak公司開發(fā)了一種名為Flash Tool的圓柱形刀柄，沿刀柄圓周上安裝有多個刀片而成為復(fù)合刀具，在加工過程中可以充分利用這種復(fù)合刀具上的不同刀片以及同一刀片上的不同刃邊(電主軸分度後可在不同方位被鎖住)，使其最多能代替12把不同的刀具使用。車銑中心多為臥式布局，但也有類似于立式車床布局的車銑中心，以加工大直徑、短長度的回轉(zhuǎn)體零件。比如Mazak公司的Integrex V系列立式車銑中心，其回轉(zhuǎn)工作臺是為強(qiáng)功率、高精度車削加工大直徑零件設(shè)計的，但同時也秉承了Integrex機(jī)床的設(shè)計思路，除有X、Y、Z三個移動軸外，還有控制工作臺回轉(zhuǎn)的坐標(biāo)軸，特別是安裝刀具的電主軸(需要自動換刀)可在立/臥范圍內(nèi)擺動，從而好似把1臺數(shù)控立式車床和1臺可進(jìn)行立臥轉(zhuǎn)換的多面加工中心集成在一起。
        除了上述從數(shù)控車床基礎(chǔ)上發(fā)展起來的車銑中心外，近期又從加工中心基礎(chǔ)上派生出另一類車銑中心。這類車銑中心工作臺回轉(zhuǎn)速度高于原來的加工中心，同時機(jī)床的(電)主軸還要能被鎖住而且可以裝上車削刀具，德國DMG公司新近開發(fā)的車銑中心DMU80FD便屬於這一類型。DMU80FD的結(jié)構(gòu)與該公司DMU P系列加工中心完全相同，而且具有P系列加工中心的5軸和5面高速銑削等全部加工功能，該機(jī)工作臺采用了直接驅(qū)動技術(shù)，最高轉(zhuǎn)速為500r/min，同時機(jī)床主軸的最高轉(zhuǎn)速也達(dá)2000r/min，因此工件在這種機(jī)床上一次裝夾後便可高效率地實現(xiàn)5面和5軸加工以及從銑、鉆、鏜、攻絲到車削的復(fù)合加工。不同工藝方法的復(fù)合加工及新興的車磨中心 10年前，德國Traub公司就可提供配備有YAG激光頭的車削中心，但應(yīng)用較少并未形成潮流。上文所述的Integrex 200-ⅢST車銑中心，也能為回轉(zhuǎn)體件提供可實現(xiàn)其它加工工藝方法的各種選件，例如可以提供激光淬火裝置和砂輪軸，能夠在車、銑、鉆、鏜等操作之后進(jìn)行表面淬硬和內(nèi)、外圓磨削。
         不過從目前情況看，這類不同工藝方法的復(fù)合加工，一般更適合在單件和批量較小的條件下使用。但也不盡然，近年來出現(xiàn)的車磨中心，就適合包括汽車制造等大批量生產(chǎn)在內(nèi)的各種批量生產(chǎn)情況使用。圖7 德國Emag公司的VSC 250 DS 車磨中心 圖8 SchaudtMikrosaBWF公司的STRATOS M 圖9 快速點(diǎn)磨外圓磨床多工序復(fù)合磨削示意 現(xiàn)在市場上所謂的車磨中心，是指對淬硬的回轉(zhuǎn)體件進(jìn)行硬車和精磨的復(fù)合加工機(jī)床。1998年德國Emag公司展出了全球首臺倒置式車磨中心，2000年投入生產(chǎn)使用。圖7所示的Emag車磨中心，配置有車刀和磨削主軸的轉(zhuǎn)塔刀架在主軸下方，只進(jìn)行分度轉(zhuǎn)動不移動，主軸在上作X軸和Z軸運(yùn)動(由主軸內(nèi)的套筒完成Z軸運(yùn)動)并負(fù)責(zé)上下料。它主要用於加工淬硬的盤、套類零件，如傳動齒輪、滑動聯(lián)軸器、外星輪、軸承環(huán)等。凡是硬車能達(dá)標(biāo)的部位都由車削完成，需要磨削的部位硬車后也只留下幾μm的余量，這樣不僅生產(chǎn)效率高，而且加工質(zhì)量好。
         如今Emag的車磨中心已有多種類型，其中有的還增加了Y軸控制功能，刀具配置則更加靈活，根據(jù)需要最多可配置4個磨削軸、12把車刀。德國Schaudt Mikrosa BWF公司最近推出了另一種結(jié)構(gòu)型式的車磨中心STRATOS。這種車磨中心沒有轉(zhuǎn)塔刀架、刀具(車刀、內(nèi)圓與外圓磨削裝置)在主軸下方沿X向的T形槽柔性配置而形成不同的工位(最多為5個工位)，居於上方的主軸可進(jìn)行X軸(由直線電機(jī)驅(qū)動)和Z軸移動并能自動上下料。在主軸旁邊還配備有砂輪修整系統(tǒng)、磨削區(qū)和車削區(qū)則采用隔斷門分開。多工序復(fù)合磨削對于回轉(zhuǎn)體工件而言，完全可以在數(shù)控磨床上實現(xiàn)多工序復(fù)合磨削。比如數(shù)控外圓磨床，一般有控制砂輪架前后移動的X軸，控制工作臺左右移動的Z軸，并可配備控制工件主軸旋轉(zhuǎn)的C軸。借助X軸和C軸的聯(lián)動控制，可以磨削不同心的圓形表面和各種非圓形表面，通過C軸和Z軸的聯(lián)動控制，可以磨削螺紋，若再加上砂輪架繞中心回轉(zhuǎn)的B軸，則可自動磨削各種錐度。同樣的道理，工件在數(shù)控凸輪磨床上一次裝夾后，可以磨削凸輪軸的桃形、主軸頸、止推面和端部，數(shù)控曲軸磨床則可在一次裝夾下磨削曲軸的主軸頸和曲柄銷(比如德國Schaudt Mikrosa BWF公司的ZEUS磨床)。
         世界上頗有名聲的德國Junker公司的高速點(diǎn)磨(Quickpoint Grinding)外圓磨床，就是使用寬度為4～6mm的薄砂輪，在砂輪軸線與工件軸線成一傾角的條件下進(jìn)行磨削(這時砂輪與工件理論上變?yōu)辄c(diǎn)接觸，故稱點(diǎn)磨)。憑借此種磨床的數(shù)控(聯(lián)動)功能，在工件一次裝夾的條件下可以用高達(dá)140m/s的磨削速度對工件的錐面、臺肩、外圓、螺紋、圓角和非圓表面進(jìn)行多工序復(fù)合磨削。此外，市場上還流行一種在一次裝夾條件下磨削軸類零件外圓、端面和內(nèi)孔的復(fù)合磨床，在它的回轉(zhuǎn)式砂輪架上裝有2個外圓砂輪(或外圓、端面砂輪各1個)和1個內(nèi)圓磨頭，通過砂輪架的回轉(zhuǎn)分度來實現(xiàn)內(nèi)外圓及端面磨削。這種數(shù)控磨床在X軸和Z軸的基礎(chǔ)上增加了控制砂輪架回轉(zhuǎn)的B軸，還可選配控制工件主軸回轉(zhuǎn)的C軸，瑞士Studer公司的S21和S31磨床便是此類復(fù)合磨床的代表。結(jié)語采用多工序復(fù)合加工數(shù)控機(jī)床，無疑可以顯著縮短工件加工的過程鏈，因而愈來愈受到多品種、中小批量機(jī)械制造企業(yè)的青睞�，F(xiàn)在，隨著消費(fèi)的個性化和產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快，大批大量生產(chǎn)的柔性化已是大勢所趨，工序分散的剛性自動化裝備已開始部分被工序集中的柔性自動化裝備所取代。
         所以總的說來，柔性自動化條件下的復(fù)合加工具有發(fā)展?jié)摿�，特別是不同工藝方法的復(fù)合加工，目前發(fā)展得尚不充分。雖然復(fù)合加工是發(fā)展方向，但從裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工經(jīng)濟(jì)性的角度看，數(shù)控機(jī)床多工序復(fù)合加工能力還是有一個界線為好。以面向回轉(zhuǎn)體件的數(shù)控機(jī)床為例，目前的工序集中度基本上以熱處理為分界線，而且在多數(shù)情況下，齒形等特殊加工仍以使用專門化機(jī)床為宜。在一臺機(jī)床上一次裝夾下從毛坯到成品的全部加工，當(dāng)前僅僅適用于一定范圍的零件和生產(chǎn)方式。總的來說，復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展需要從三個方面一起推進(jìn)：一是復(fù)合加工機(jī)床設(shè)計制造技術(shù)的優(yōu)化改進(jìn)；二是相應(yīng)的高性能數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展；三是應(yīng)用技術(shù)水平的提高。應(yīng)該看到，車銑中心、五軸五面加工中心等高層次復(fù)合加工機(jī)床能否在工業(yè)生產(chǎn)中成功運(yùn)行，與應(yīng)用技術(shù)水平密切相關(guān)，特別是應(yīng)用技術(shù)中的編程技術(shù)(含後置處理)、防止干涉和碰撞的仿真檢查技術(shù)、刀具技術(shù)等至關(guān)重要。