複合加工是實現“工業4.0”的首選技術。在世界機床制造和機械加工領域，複合加工技術正以其獨特的魅力被逐漸重視并應用于實踐中。我公司自主研發TS40車銑複合機床（見圖1），其為雙主軸、雙刀塔對稱布局，配備大容量自動裝料系統和雙抓手彈出機構， 可同時進行零件的兩面自動加工；實現了集成化以及車銑複合加工和物流傳送自動化，便于集合成線，成為加工單元、自動化工段、自動化車間等，提高了生産效率，減少了人力和體力勞動。

圖1

與普通卧式數控機床相比，TS40車銑複合機床的顯着特點是： ① 零件加工精度高、效率高， 并具有疊加效應。② 占地面積小， 多工序、多工位集約化，實現了零件短加工循環，機床的功率充分被利用，減少了效耗，是綠色機床制造的發展方向之一。

1. 機床的結構布局和模塊化設計

該機床采用平行對稱雙主軸、雙刀塔結構。其底座與床身為一體，床身采用矩形結構，導軌全部是滾柱式直線滾動導軌，采用日本FANUC數控系統。兩主軸都采用内置式高低速雙繞組α200L/6000iB主軸電動機，功率為15/22kW，線圈的切換可實現低速大轉矩、高速大功率；進給軸皆使用α型交流伺服電動機，驅動轉矩大，滾珠絲杠進行預拉伸安裝，定位精度高。機床兩電主軸左、右平行對稱排列，兩主軸均配有C軸，C軸分度精度為0.001°。動力刀塔采用左右對稱布局型式，獨立的Y軸結構，非合成軸，使加工能力更精更強；其驅動動力為内藏式電動機，結構緊湊、體積小，刀位數為12工位，每工位都可以配裝BMT65型刀座，即包括直柄、直角、直角後縮及其他特殊結構刀座等。該BMT型刀座剛性好、切削力大、重複精度高。機床産品設計結構如圖2所示。

機床整體布局合理， 維修與操作方便。兩電主軸配裝φ 254mm中空動力卡盤，最高轉速4 500r/min。動力刀塔刀柄規格為BMT65，動力刀具最高轉速6 000r/min，功率5.5/7.5kW，相鄰刀具換刀時間0.35s，重複定位精度4s。桁架式機器人自動上下料，機械手裝置完成零件的取放、裝卸、翻轉及交換等動作，一次批量裝料即可自動完成全部零件及工序的加工，實現24h無人值守。

應用模塊化設計理念， 總體規劃設計機床的結構配置，從機床的功能結構和各軸運動組合入手，按功能和安裝配置方式，劃分為不同的大小設計模塊，整體實現複雜的機械、電氣、液壓的匹配。内置電動機主軸和内置電動機刀塔是兩個主要的功能模塊。通過各功能模塊的組合，可構成不同功能的機床。擴展成一組機床公用一個床身，可以在機床内部實現零件工序之間的轉接。

2. 機床的關鍵技術及特點

（ 1 ） 電主軸。該車銑複合機床配置的是高低速雙繞組15/22kW的主軸電動機（見圖3），無論是低速重切削，還是高速精加工，均可實現廣域穩定輸出。

該電主軸特點是裝配維修方便。當裝拆轉子時，隻要擰緊松開轉子兩端鎖緊錐套8、9上的6個螺釘即可。因為轉子内套材料為20CrMnTi，兩端直徑較薄，有較好的彈性，鎖緊錐套一端開有6條均布的槽，通過鎖緊錐套的彈性變形收縮使轉子内套兩端緊緊抱在主軸上，主軸與電動機轉子就成為剛性一體。關于該電主軸結構設計、主要技術參數的确定、定子和轉子的熱裝配、動平衡的方法、溫控技術與密封技術等，在此不再細述。

（2）動力刀塔。我公司研制的十二刀位動力刀塔結構如圖4所示，裝刀方式為星型布置，配BMT65型刀座，刀座剛性好、切削力大、精度高。無論換刀和銑削，驅動動力都來自同一内藏電動機，當刀盤需變換刀位時，在油壓的作用下，鼠牙三齒盤松開（鼠牙三齒盤由鎖緊齒盤、定位齒盤和轉動齒盤組成，每個齒盤均為24齒），氣缸推動齒輪12右移，與齒輪組齧合，其齒輪速比為1∶12，經傳動軸帶動齒輪5轉動，而齒輪5與鼠牙三齒盤轉動齒盤、刀盤聯為一體，即刀盤轉動換位指定刀位後，通過鼠牙三齒盤鎖緊齒盤的移動實現刀盤的鎖緊。當氣缸推動齒輪12左移，與齒輪11咬合，齒輪11與電動機轉子主軸是一體，電動機的轉動通過螺旋傘齒輪以相同的速度帶動動力刀座上的刀具轉動，對工件進行銑、鑽、攻螺紋等的加工。使用室溫同調型油冷機，對内置電動機的發熱進行冷卻。

（3）桁架式機械手。該機床采用三軸機械手系統，主梁采用滾輪式傳動方式，支撐梁與導軌設計成一體結構。通過特殊設計的雙爪機械手實現零件的取放和更換，而零件的翻轉通過翻轉手爪來完成。機械手擁有大容量料倉（見圖5），對零件毛坯機成品進行集中統一管理，自動存放，一次裝料可滿足4h以上的連續工作。

圖5 機械手料倉

3. 機床的優勢

TS40系列車銑複合機床可保障工藝實施，确保穩定的加工裝配精度。

在對機床熱變形的控制方面，采用經過時效變形小的矩形整體床身，可将機床重心移至床身之處範圍内，降低床身特有的複雜扭曲變形和切削的振動。主軸前軸承采用發熱少的角接觸高速軸承，加大主軸直徑，提高了剛性， 減少了變形和延伸， 有效減少了熱變形。主軸箱形狀為左右對稱構造，床身的裝配面同X方向，工件和刀具的相對變形小。各軸的絲杠支出均采用“預緊 兩端”支持方式，減少了絲杠系統的熱變形。切屑和切削油回收路徑同床身分離，避免了切削熱量的直接傳遞。

在提高精度方面，導軌采用滾柱式線規，可提高重車削時的定位精度，主軸采用磁阻式編碼器，提高了主軸的C軸精度，讓伺服電動機在低速時更平滑。

在提高可靠性方面，運動環節采用光電開關進行信号的反饋和确認，不會發生機械破損的危險；配置刀具檢測裝置，防止由于刀具安裝錯誤導緻的碰撞；機械手和機床采用聯動報警及協同工作。

此外， 本産品操作十分方便。配置的機械手可實現無人化操作，同時設有氣密壓力檢測系統，可以自動檢測卡盤所裝卸工件準确限位的密着性，确保零件可靠裝夾。通常， 密着度超出0.03mm時，則将進行裝載再試或顯示報警。圖6所示為機床氣壓式着座确認裝置。夾持零件的卡盤與操作者正向面對，縮短了零件加工準備時間，并可輕松作業。控制元件集中在設備後面，并設有自動門，方便觀察及維護。

4. 結語

高精複合數控機床作為現代制造業的主要加工設備，能大幅縮短零件的加工周期、減少裝夾時間，有力地支持零件庫存準時制造（JTF）的實施；同時，減少工件安裝次數，避免安裝誤差，有利于提高加工精度、穩定性和可靠性。

以軍工、汽車、航空航天為代表的行業對高速、高精、高效複合加工機床需求旺盛，另外，我國沿海地區衆多模具、機械行業每年都需要大量的高效自動化設備來提高效率、降低生産成本， 滿足企業的生産需要。TS40系列車銑複合機床具有多項自主知識産權，精加工圓度達1.2μm、表面粗糙度值達Ra=0.4μm，完全可以替代進口，因此該産品在國内市場具有廣闊的應用前景。

作者：孫彥旭 高級工程師

單位：山東魯南機床有限公司

本文發表于《金屬加工（冷加工）》2016年第11期第9-11頁，版權歸金屬加工雜志社所有，如轉載請注明來源。

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