倒置式制造系統(tǒng)張曙[1].doc

倒置式加工系統(tǒng)張 曙1，陸啟建2（1. 同濟(jì)大學(xué)，上海 200092； 2. 南京四開電子企業(yè)有限公司，南京 210007）摘 要：倒置式加工是近年來出現(xiàn)的一種加工形式。它簡(jiǎn)化了機(jī)床配置和結(jié)構(gòu)，有利于冷卻液和切屑的排出，易于保證加工精度。本文介紹了三種典型的倒置式加工系統(tǒng)：立式車削加工中心、臥式鏜銑加工中心和柔性制造系統(tǒng)以及應(yīng)用案例。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；倒置式加工；切削加工中圖分類號(hào)：Reverse Machining SystemZHANG Shu1， LU Qijian2(1. Tongji University, Shanghai 200092; 2. Skycnc Co. Ltd. Nanjing 210007）Abstract: In the recent years, a new principle of machining process, the reverse machining Immerged. The reverse machining principle make machine configuration and structure more simple, the chips and cooling take out more easy and machining accuracy higher. Four typical reverse machining systems, the vertical turning machines, the vertical and horizontal machine center, and flexible machining system with typical application technology has introduced.Keywords: CNC machines; reverse machining; cutting 10 引 言倒置式加工（Reverse Machining）,有時(shí)也作為倒立式加工，倒置式加工的主要特征是：1) 通常的加工方式是工件放置在工作臺(tái)上，刀具夾持在主軸上，主軸從上面移向工件進(jìn)行加工。倒置式加工反其道而行之，工件從上面移向刀具完成進(jìn)給，如圖所示。2) 由于所有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由夾持工件的主軸來完成，機(jī)床上可以配置多種刀具而不一定需要刀庫，因此機(jī)床結(jié)構(gòu)非常緊湊。3) 由于工件夾持在主軸上，加工過程產(chǎn)生是切屑以及冷卻液直接向下排放到機(jī)床床身內(nèi)的收集器內(nèi)，有利于保證加工精度。刀 具工 件夾 具夾 具工 件刀 具4) 由于工件在夾持狀態(tài)移動(dòng)，倒置式加工僅適用于加工尺寸較小、重量有限的零件。 a) 一般加工b）倒置式加工圖1 倒置式加工基本原理1 倒置式立式車床MAG自動(dòng)化集團(tuán)的HESSAPP公司是立式車床專業(yè)生產(chǎn)廠家（），最近推出DVH、DVH Duo、DVT等系列的倒置式立式車床。其中DVH系列是單主軸倒置立式車床，有7種型號(hào)，最大加工直徑從250mm到750mm；DVH Duo是雙主軸倒置立式車床，有3種型號(hào)，最大加工直徑從250mm到450mm；DVT系列是倒置和正置復(fù)合立式車床，有8種型號(hào)，最大加工直徑從250mm到750mm。DVH系列單主軸倒置立式車床到配置特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，操作者易于接近加工區(qū)域。代表性機(jī)型是DVH250i型，其外觀如圖2所示。傳送帶工件主軸圖 2 DVH250i型倒置立式車床外觀從圖中可見，機(jī)床的主軸用于夾持工件，位于機(jī)床的上方，不僅提供的切削所需的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且實(shí)現(xiàn)Z軸和X軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。此外，主軸還兼負(fù)機(jī)械手裝卸工件的功能。在穿過機(jī)床的傳送帶托板上裝上待加工的毛坯，傳送帶就將毛坯送入機(jī)床的加工區(qū)域，主軸就移向傳送帶，抓取或放下工件。DVH250i型和DVH450e型倒置立式車床的主要技術(shù)參數(shù)列于表1。表1 DVH250i型倒置立式車床的主要技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)DVH250iDVH450i最大加工直徑250mm400mm工件最大高度（包括夾緊裝置）350mm450mm主驅(qū)動(dòng)功率24kW45kW主軸前軸頸直徑100mm150mm最大扭矩220Nm750Nm最大轉(zhuǎn)速7000r/min4000r/min快速移動(dòng)，Z軸30m/min30m/min快速移動(dòng)，X軸60m/min45/75m/min刀柄直徑40mm50mmDVH450e型單主軸倒置立式車床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖 3 DVH450e倒置立式車床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)從圖中可見，在后面的斜床身上，由伺服電動(dòng)機(jī)通過滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的立柱可現(xiàn)實(shí)X軸快速移動(dòng)和進(jìn)給，而工件主軸在立柱上則作Z軸方向的快速移動(dòng)和進(jìn)給。在床身的左前方配置有轉(zhuǎn)塔刀架，右側(cè)配置有工件傳送帶。DVTH Duo系列倒置立式車床具有2個(gè)同樣的工件主軸，加工效率高，適合大批量生產(chǎn)。除價(jià)格緊湊、占地面積小外，還配置有伸縮托盤式裝卸機(jī)構(gòu)，使工件裝卸可在6s內(nèi)完成。DVT系列具有一正一倒雙主軸，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)工件的兩面加工，無需反轉(zhuǎn)機(jī)械手，從而明顯提高了生產(chǎn)效率，縮短了加工節(jié)拍。DVT450型雙主軸立式車床到內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示倒置主軸正置主軸正置主軸圖 4 DVT450型雙主軸立式車床到內(nèi)部結(jié)構(gòu)從圖中可見，左邊是倒置加工，主軸在上方；右邊為正置加工，主軸在下方。由于一正一倒，無需將工件反轉(zhuǎn)就可以加工工件的兩端部。此時(shí)，倒置的主軸則兼作裝卸工件的機(jī)械手。一正一倒加工的實(shí)況如圖5所示。倒置主軸正置主軸 a) 倒置加工 b) 正置加工圖 5 一正一倒加工的案例使用一正一倒雙主軸車床加工泵體外殼的例子如圖6所示。a) 泵體毛坯 b)下端面加工 c)上端面加工圖 6 一正一倒加工泵體外殼的案例2 倒置式臥式加工中心圖 8FM3+X型倒置式臥式加工中心德國ELHA Maschinenbau公司（www.elha.de）的FM3+X型機(jī)床是典型的倒置式臥式加工中心，其配置原理簡(jiǎn)圖和機(jī)床框架前視圖（未固定動(dòng)力頭）如圖7所示。工件主軸工件主軸動(dòng)力頭a) 配置原理 b) 機(jī)床框架前視圖圖 7倒置式臥式加工中心配置原理從圖中可見，在機(jī)床的封閉框架上布置有若干動(dòng)力頭。動(dòng)力頭類型多種多樣，可以是單軸的、多軸的、角度的和轉(zhuǎn)塔等。每個(gè)動(dòng)力頭都由獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。動(dòng)力頭上的每把刀具都有專門設(shè)計(jì)的“刀具主軸”。刀具主軸的類型和尺寸大小、扭矩和轉(zhuǎn)速是同加工任務(wù)要求以及所使用的刀具相匹配。動(dòng)力頭固定在機(jī)床框架的前板上?？蚣艿闹虚g夾持工件的“主軸”可以伸縮和完成X、Y軸的快速移動(dòng)（40m/min）和進(jìn)給。工件主軸不僅完成三個(gè)坐標(biāo)的移動(dòng)（max.40m/min）和一個(gè)坐標(biāo)軸的回轉(zhuǎn)，還起到抓取和放開工件的機(jī)械手功能，其移動(dòng)范圍為：400mmx1000mmx50mm。這種倒置式臥式加工中心配置的特點(diǎn)是：a) 每一個(gè)動(dòng)力頭（刀具）都有自己的電動(dòng)機(jī)（max.37kW），從而能夠?qū)崿F(xiàn)每一工步的刀具尺寸切削速度功率的最優(yōu)化。b) 所有的移動(dòng)都由夾持著工件的夾具“工件主軸”來完成，借助夾具夾緊和松開自動(dòng)在工作臺(tái)上更換工件。c) 機(jī)床的前方是加工空間，切屑自由落下，沒有任何阻擋；且機(jī)床加工區(qū)域和機(jī)構(gòu)移動(dòng)區(qū)域是隔離的，冷卻液和切屑不會(huì)進(jìn)入機(jī)床機(jī)構(gòu)移動(dòng)區(qū)。d) 機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊，布局簡(jiǎn)潔，占地面積小，；如在工件主軸上配置回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)4軸或5軸加工。工件主軸圖 10倒置式臥式加工中心加工實(shí)況FM3+X型倒置式加工中心的外觀如圖8所示。工件主軸刀具主軸工件主軸圖 9 機(jī)床配置的側(cè)視圖機(jī)構(gòu)移動(dòng)區(qū)垂直加工空間濕隔離圖9所示是機(jī)床布局的側(cè)視圖，可以進(jìn)一步以圖形方式描述上述特點(diǎn)。刀具主軸FM3+X倒置式臥式加工中心的姐妹型號(hào)是FM4+X，它具有更大的加工空間和生產(chǎn)效率，工件體積尺寸從200mm3提高到320mm3。FM系列兩種倒置臥式加工中心的技術(shù)特性見表2.倒置式臥式加工中心是把一條自動(dòng)線集成到一臺(tái)機(jī)床上，因此它既具有自動(dòng)線的高效率，又具有加工中心的柔性，加以維修、操作方便。適合加工各類殼體、軸類和盤類零件，一次裝夾，全部加工完畢，保證了較高的加工精度。表2 FM系列倒置式加工中心的技術(shù)特性技術(shù)特性FM3+XFM4+X行程范圍400x1000x500mm800x1400x800mm最大移動(dòng)速度40m/min48m/min最大進(jìn)給力700daN4000daN 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)300mm400mm工件尺寸200mm3320mm3主軸功率20kW(max)37kW(max)主軸轉(zhuǎn)速20000r/min(max)20000r/min(max)機(jī)床外形尺寸3050x3500x3950mm3500x4525x3950mm倒置式臥式加工中心適用于加工鑄鐵、鋁合金以及低合金鋼的零件，加工效率很高，加工一個(gè)零件的時(shí)間大約在20s到50s之間，可以滿足大批量生產(chǎn)的要求。典型的加工實(shí)例如圖10所示。3 TransFlex柔性制造系統(tǒng)瑞典Modig公司（www.modig.se）開發(fā)了一種新型的柔性制造單元，稱為TransFlex，以滿足在實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率和高精度的同時(shí)保持加工柔性的要求。由于它的柔性較高，既可適用于小批量生產(chǎn)，也可用于大批量生產(chǎn)。其外觀如圖11所示。圖 11TransFlex 柔性制造單元工件主軸動(dòng)力頭裝卸工位TransFlex柔性制造單元采取倒置式龍門配置，與一般龍門式加工中心類似，不同之點(diǎn)在于安裝在“主軸”上的不是刀具，而是夾具和工件。機(jī)床工作時(shí)，將夾持在“主軸”上的工件移向配置在兩側(cè)的動(dòng)力頭，完成一道工序后移至另一個(gè)動(dòng)力頭，進(jìn)行下一道工序的加工。TransFlex柔性制造單元的總體配置如圖12所示。圖 12 TransFlex柔性制造單元的總體配置從圖中可見，橫梁在機(jī)床立柱上沿X軸縱向移動(dòng)（4700mm），工件主軸在橫梁上沿Y軸移動(dòng)（1000mm），工件主軸上下作Z軸移動(dòng)（600mm）。如果配置回轉(zhuǎn)或擺動(dòng)裝置，工件和夾具可以完成C軸（180）和A軸（90)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)4軸或5軸聯(lián)動(dòng)加工。X、Y、Z方向3個(gè)軸皆采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，快速移動(dòng)的速度為120m/min，加速度為1g。此外，X和Y軸按照重心驅(qū)動(dòng)原理，采用兩個(gè)直線電動(dòng)機(jī)，使驅(qū)動(dòng)力的合力處于移動(dòng)部件中間位置，以保證最佳的動(dòng)態(tài)性能和定位精度。工件的最大尺寸為700mmx300mmx200mm，最大毛坯重量為75kg，零件凈重25kg。較大的工件在加工時(shí)可能會(huì)遇到一些限制，可能出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，需要進(jìn)行干涉檢查。TransFlex的兩側(cè)各最多配置5個(gè)沿直線導(dǎo)軌移動(dòng)的動(dòng)力頭，完成鉆、銑、鏜、鉸等工序。動(dòng)力頭可垂直或水平配置。功率和轉(zhuǎn)速可根據(jù)相應(yīng)的工序進(jìn)行優(yōu)化和確定。一次裝夾即可完成零件的全部加工。當(dāng)水平動(dòng)力頭退到后面位置時(shí)，可進(jìn)行換刀，刀庫的容量為2,4或15，按加工需要選擇。由于刀具交換是在另一個(gè)動(dòng)力頭工作時(shí)進(jìn)行的，與加工時(shí)間重合，沒有時(shí)間損失。由于大幅度降低了非切削時(shí)間，生產(chǎn)效率明顯提高，一個(gè)零件加工時(shí)間的分析表明，盡管切削加工時(shí)間一樣，由于輔助時(shí)間的減少，單位時(shí)間的生產(chǎn)效率提高了一倍，如圖13所示。主軸加減速定位1min, 33%物料搬運(yùn)定位1min, 33%切削加工時(shí)間1min, 33%物料搬運(yùn)定位0.5min, 25%切削加工時(shí)間1min, 75%普通機(jī)床加工20件/小時(shí)TransFlex加工40件/小時(shí)圖 13 加工時(shí)間比較TransFlex加工的典型零件如圖14所示。圖 13 TransFlex 柔性制造單元加工的典型零件南京四開電子企業(yè)有限公司已經(jīng)與瑞典Modig公司達(dá)成合作協(xié)議，引進(jìn)TransFlex有關(guān)技術(shù)，試制樣機(jī)即將于2008年底問世，計(jì)劃于2009年投入小批生產(chǎn)。TRansFlex還有一個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn)，就是它可以很方便地以串聯(lián)或并聯(lián)的方式，加上物流系統(tǒng)及裝卸機(jī)械手組成自動(dòng)生產(chǎn)線或無人化加工車間，將高效率的大批量生產(chǎn)和柔性制造結(jié)合起來。根據(jù)需要，它甚至還可以組成多品種零件的混流自動(dòng)生產(chǎn)線，并且快速調(diào)整，進(jìn)行高度柔性的混流生產(chǎn)。4 結(jié)語倒置式加工是近年發(fā)展起來的一種加工形式，它最大的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊，工件主軸兼作裝卸機(jī)械手，自動(dòng)化程度高，加以排屑方便，在某些加工領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)。除本文介