复杂箱体精密复合镗铣加工中心国内外研究现状
国内外研究现状世界机床技术的发展可概括为三个阶段：（1) 1769〜1930年小批量制造用 的普通机床；（2) 1930〜1952年大批量制造用的自动化机床；（3)自1952年至 今的多品种、大批量、柔性制造用的精工机床，机床已经成为人类发展需要的不 可缺少的重要生产工具。自二十世纪五十年代末，机械制造的生产过程发生了巨大变化，由传统的普 通机床以及组合机床所构成的加工生产线，慢慢的发展到以加工中心和精工机床（CNC)所构成的柔性制造系统，实现了多品种、大批量的柔性自动 化生产，机床技术在经历三十多年的发展和应用以后，部分工业发达国家的精工 机床使用率占整个机床的80%左右。然而，加工中心已经成为现代化车间的基本 制造单元，其使得自动换刀、空行程等速度加快，也提高了生产过程的连续性， 高性能的加工中心不但成倍的提高机床的加工效率，而且进一步的改善了加工零 件的表面质量和精度[3_5]。因此，这一先进制造技术的出现，使得各国的工业制造 界和学术研究界对此高度重视，综合分析机床技术的发展历史，可以得到现今高性能加工中心所包括的技术框架如图对于镗铣床的研发与应用，国内外已经生产出多款高中档的镗铣加工中心，例如我国沈阳机床集团在2003年首批生产出具有国内外领先技术的镗铣加工中心HMC50h如图1.2所示，HMC50h加工中心是国内高档加工中心的典型代表，HMC50h的主轴特性、换刀系统、刀具管理、系统控制等技术均达到国内外领先水平。国内江苏新瑞机床厂也陆续开发出了大型落地镗铣床TH6916如图1.3所示，TH6916是面向大型、重型的箱体类零件的镗铣加工，以及对复杂曲面和深孔螺纹的加工[6]。除此之外，大连机床厂所生产的IA5F12UE镗铣机床，IA5F12UE是单立柱单工作台卧式的加工中心，IA5F12UE的X轴行程为3200mm，Y、Z轴的行程均为1200mm，IA5F12UE加工中心解决了大型零件长表面特征镗铣加工难题。国外典型的镗铣加工中心中，例如德国德玛吉（DMG)公司所生产的卧式铣镗中心DMC75HCdh，DMC75HCdh的主体结构是单立柱单工作台的卧式结构，主要的特点是拥有高的进给速度，如图1.4所示。马扎克公司（MAZAK)在中国的 独资小巨人所开发出的VTC160AN镋铣加工中心是一款小型镋铣加工中心， VTC160AN主体结构是单立柱双工作台的立式加工中心，如图1.5所示。图1.4德玛吉DMC75HCdh图1.5小巨人VTC160ANFig. 1.4 DMG DMC75HCdhFig. 1.5 Xiaojuren machine TH6916上述所介绍的镗铣加工中心多数是镗铣的功能性复合与工艺的复合性相结 合，这些加工中心集结了先进的机床技术，表1.1为几款国内外典型镗铣加工中心 产品的技术参数与结构形式。1.2.1加工中心整体布局与主要功能部件结构设计综述新世纪以来，随着世界机床技术的快速发展，机床的切削加工水平已经提升 到了一个全新的高度，所以高性能的加工中心不但要向着高速、高精密、高稳定 性的方向发展，更要向复合化的大方向发展与应用，这样可以大大的提高机床的 工作效率。在传统的零件加工过程中，为了尽可能的降低由于机床换刀、上下料、 重新换位装夹、找正等辅助动作所浪费的时间，把不同的工序安排在同一个机床 上来完成是机床发展的需要，因此复合化的机床已经成为近年来机床技术的发展 方向。NT系列车铣复合加工中心复合结构是将车削部分选用水平的床身方式布置， 为了降低由床身的受热变形所导致的误差，把副主轴和刀具设计在同一平面上。 口本的森精机NT系列车铣复合加工中心的基本构造如图1.6所示。图1.6森精机NT系列高精高效车铣复合加工中心的基本构造Fig. 1.6 The basic structure of the Mori Seiki NT-series high precision and efficient turning millingmachining center由图1.6可知，口本的森精机NT系列高精、高效车铣复合加工中心是一款典 型的复合式加工中心，其是将NL系列车床和NH系列加工中心有机的结合成为 NT系列车铣复合加工中心，复合式加工中心集结了两种系列机床的重要优点。其 中NL系列车床具有较高的静刚度床身，又因为床身的平头特殊构造，使得床身在 受到较大冲击时仍然能具有很好的稳定性；NH系列加工中心主轴箱是采用对称驱 动的形式，具有较好的整体刚性，最为核心技术是基于重心驱动原理的双丝杠进 给系统大大的提高了进给特性。精密复合化加工中心的产生，使得工件的小批量、变批量、多品种制造生产 变得相对容易和经济实惠，不用为了实现零件复杂特征的制造而特需专用机床， 因此复合化机床的通用性是极高的。复合化机床在加工过程中降低了工件装夹次 数，降低了由于重复定位所带来的误差，缩减了工件生产周期。国外对复合机床的开发主要有车铣复合加工中心、镗铣复合加工中心、多主 轴复合加工中心等；国内的复合式机床主要是以功能复合为主的车和铣相结合， 然而其在机床的结构方面，多主轴、多刀架的结构很少见。精工镗铣加工中心是 建立在精工铣床和精工镗床的发展之上逐步形成的多工艺同步加工技术机床，复 合化的加工中心与传统的普通机床相比较具有如下优点[7]:(1)工件只需一次定位夹紧，充分保障了工件高精度、高质量的加工要求。(2)复合式机床可以实现多工序同步加工，有效的降低加工成本，提高终端产品的经济性。(3)复合式机床的加工技术提高了机床的生产效率。1.2.2加工中心主轴滑枕挠度误差补偿综述镗铣机床的主轴滑枕挠度误差补偿分析是镗铣机床在研发过程中的关键难 点，因此，在精密复合式镗铣加工中心的结构设计中，主轴滑枕挠度变形分析及 补偿方法是一个急需重点研究的方向。随着机床技术的发展，对于主轴滑枕挠度 补偿的研究，其补偿方法及补偿结构已经得到了有效的验证。基于滑枕挠度补偿这一问题研究可知，国内的很多研究人员一直在从事大型 镗铣床主轴滑枕变形分析与误差补偿技术的研究，例如XK7721型精工卧式铣床， 其是国内最具代表性的镗铣机床，是由齐齐哈尔第二机床厂所生产的，XK7721 主轴总成及滑枕的外观如图1.7所示。图1.7XK7721型精工卧式铣床主轴滑枕外观Fig. 1.7 XK7721 type horizontal CNC milling machine spindle ram appearance除此之外，综合分析国内外对主轴滑枕的变形补偿研究得出，目前国内外对 滑枕挠曲变形的补偿措施主要采用机械式修正法和精工软件修正法补偿，但这些 措施对滑枕的非线性变形改善效果却不理想。文献[8]提出一种采用预应力挠曲变 形的结构设计，将滑枕因自重变形超出理想形状的那部分材料去除掉，从而使滑 枕在行程中处于平直状态，该方法能够得到一定的补偿效果，但没有考虑到因更 换刀具时由装刀部件重量变化引起的变形量改变，以及对滑枕本身的加工与装配 要求较高。文献[9, 10]提出一种通过机床的精工系统实现滑枕的挠曲变形补偿方 法，该方法利用精工系统通过控制Y轴上升相应的位移来实现误差补偿，但它仅 补偿因重力引起的挠度，并未补偿滑枕的弯曲变形。文献[11]提出一种电液比例控 制法对滑枕挠曲变形进行补偿，取得了一定的补偿效果，但该法需要准确的把握 滑枕的各个阶段的变形函数，对于快速移动的滑枕会出现响应滞后的现象。文献 [12-15]提出一种滑枕分段补偿法，该法在滑枕的前半部安装推杆，在滑枕的后半 部安装拉杆，虽然能够很好地补偿主轴滑枕的角度摆动误差，但补偿的控制过程 是很难实现的。1.2.3加工中心大型床身结构设计及优化分析综述随着电子计算机技术的快速发展，基于计算机的有限元设计、优化等方法得 到了逐渐的完善，商用大型分析软件的进一步成熟及其应用的增多，使得机械设 计逐渐摆脱了传统的基于经验类比设计和静态设计，开始向现代设计转变。这就 使得在应用不同分析软件的同时，各种现代设计、优化方法不断涌现。对于机床 结构的设计而言，国内也正在逐步由传统设计向现代设计过渡。过渡过程中，在 一些机床龙头企业逐渐形成了一套使用范围较广的适合于我国现状的设计分析流 程方法[16，17]，其步骤为：根据设计的要求和任务进行半经验半理论传统设计，在 此基础上完成三维CAD绘图，然后对初步设计进行基于大型商用软件的CAE分析，进而根据分析得出的静动态特性结果进行再设计、再优化；如此反复，直至 性能达到要求，最后进行制造，设计流程如图1.8所示。床身是机床的基础大件之一，是机床其他附件的主要支承体，且为机床的主 要基准，因此，床身的特性将直接影响到机床的加工精度。为了能满足机床的高 性能技术要求，对床身的结构设计以及优化分析是相a重要的。在结构的设计方 面，需要设计出具有良好的静刚度及动态性能床身结构，从而使机床具备高的抗 振性和稳定性。国内外对于床身的设计研究使得本课题在研究其床身方面得到了 很多借鉴，例如文献[18，19]对TH5663型精工加工中心的床身借助有限元软件对 结构进行了优化分析，得出床身内部筋板的分布型式对该床身的动、静态特性的 影响方式；文献[20]主要是对床身结构进行优化分析，首先对原有的床身结构进行 有限元的静刚度分析，得到床身的静刚度的薄弱之处，然后针对床身的结构提出 了几种改良方案，针对几种改良后的结构方案进行有限元的动态灵敏度分析，最 后选出改良后的结构方案；文献[21]提出一种先进的优化理念一 “ESO方法”，首 先是对床身进行静动态分析，其次再运用渐进结构的优化方法对床身进行拓扑优 化；文献[22]提出一种边建模边分析的设计理念，是针对某一磨床进行研究设计， 深入的分析了变化床身内部筋板的分布方式对床身的静动态特性的影响，并得出 了静动态特性的改变方式。