五軸車銑復合加工技術（車銑加工中心）的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
    五軸車銑技術是20世紀90年代發(fā)展起來的復合加工技術，是一種在傳統(tǒng)機械設計技術和精密制造技術基礎上，集成了現(xiàn)代先進控制技術、精密測量技術和CAD/CAM應用技術的先進機械加工技術。這種加工技術的實質(zhì)是一種基于現(xiàn)代科技技術和現(xiàn)代工業(yè)技術的工藝創(chuàng)新并引發(fā)相關產(chǎn)業(yè)工藝進步和產(chǎn)品質(zhì)量提升的新技術。
    五軸車銑中心是五軸車銑技術的載體，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個直線進給軸和2個圓周進給軸，且配有自動換刀系統(tǒng)的機床的統(tǒng)稱。這種車銑復合加工中心是在三軸車削中心基礎上發(fā)展起來的，相當于1臺車削中心和1臺加工中心的復合。因此可以在1臺車銑中心上，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，已成為當今復合加工機床的佼佼者，是世界范圍內(nèi)最先進的機械加工設備之一。
    五軸車銑中心的先進性表現(xiàn)在其設計理念上。在通常的機械加工概念中，1個零件的加工，少則一兩工序，多則上百工序，要經(jīng)過多臺設備的加工來完成，要準備刀具、工裝夾具。對復雜的零件來說，有的一套工裝的準備就需要三、五個月的時間，即使不考慮經(jīng)濟成本，三、五個月的時間很可能會錯過許多商品機遇和戰(zhàn)略機遇。在汽車、家電等批量生產(chǎn)行業(yè)，為了提高效率和自動化水平，廣泛采用自動化生產(chǎn)線，龐大的物流系統(tǒng)構(gòu)成了自動線很主要的一部分，同時是一個占錢、占地的部分，也是故障多發(fā)的部分，對復雜形面的加工，物流更是一個大問題。零件的多次裝夾和基準轉(zhuǎn)換，有時帶來不必要的工序，同時也使零件加工精度喪失。
    五軸車銑復合加工中心從設計概念上解決了這個問題，它是一次裝夾，完成加工范圍內(nèi)的全部或絕大部分工序，實現(xiàn)了從復合加工到完整加工的飛躍。
    這種完整加工的設計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只交給一個工作崗位，不僅使生產(chǎn)管理和計劃調(diào)度簡化，而且透明度明顯提高，無需復雜的計劃系統(tǒng)就能夠迅速解決所發(fā)生的事情并使之優(yōu)化。工件越復雜，它相對傳統(tǒng)工序分散的生產(chǎn)方法的優(yōu)勢就越明顯。同時由于生產(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。
    盡管加工中心機床的單臺設備價格較高，但由于過程鏈的縮短和設備數(shù)量的減少，工裝夾具數(shù)量、車間占地面積和設備維護費用也隨之減少，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)的一個重要戰(zhàn)略目標，其前提是產(chǎn)品的不斷更新。在競爭日益激烈的環(huán)境下，機會轉(zhuǎn)瞬即逝，這就要求產(chǎn)品研發(fā)周期不能太長。對于航空航天領域的企業(yè)，新產(chǎn)品零件越來越復雜，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合加工中心可以很好地解決新產(chǎn)品研發(fā)中復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（有時為六軸）分別為3個或4個直線軸（X軸和E軸、Y軸、Z軸）以及2個回轉(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)體的徑向尺寸或復雜曲面的插補銑加工；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向銑削或復雜曲面的插補加工；Z軸形成回轉(zhuǎn)體的軸向尺寸或可用于平面的Z向銑削復雜曲面的插補加工。
    C軸為繞Z軸旋轉(zhuǎn)的軸,在回轉(zhuǎn)體上實現(xiàn)周向進給，分度和定向停車，用于端面鉆孔和插補銑削加工。
    E軸為X軸的平行軸，是為實現(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,當作為連續(xù)軸插補加工復雜曲面時，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
    進入21世紀以來，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，除了標準的功能模塊配置外，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、長鏜刀桿模塊和對刀尖的ATC更換模塊、帶徑向自動進給的鏜刀桿模塊、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、刀具在線實時監(jiān)控及適應控制功能、自動對刀功能、溫度補償功能、CAD/CAM自動編程功能等。
    目前，最先進的五軸車銑加工中心除了可以進行車、銑、鉆、鏜、攻絲等加工外，還可以鏜型腔、鉆深孔、滾齒、銑葉片以及進行磨削加工和工件的在線測量，實現(xiàn)各種誤差補償、刀具在線監(jiān)控和適應控制等。
    然而同樣的設計理念，在眾多的生產(chǎn)廠家當中，所走的路線卻各不相同，各有各的特點，產(chǎn)品的應用場合也有較大區(qū)別。主要分為兩大流派，一個是歐式風格，以WFL、NILES、沈陽數(shù)控為代表，一個是以DMG、MAZARK為代表的日式風格。
    1 兩類車銑中心在高效切削理念上的差別
    兩種流派的機床設計在考慮車銑效率時，實現(xiàn)的手段是不一樣的，日式車銑復合加工中心是以高速、小切深、大進給為基礎來確定機床的參數(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。歐式車銑復合加工中心是以重切削為條件，即大切深、大進給、高線速度來確定機床參數(shù)的。兩種高效切削方式實現(xiàn)方法明顯不一樣，以高速為基礎的方式實現(xiàn)高效，從經(jīng)濟上考慮，刀具壽命低，零件制造成本相對提高；以重切削為基礎設計的機床，剛性好，刀具使用中高轉(zhuǎn)速壽命長，經(jīng)濟性好。目前機械式動力主軸轉(zhuǎn)速已達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，相對成本高。
    （2）Y軸形式。
    日式車銑復合加工中心的Y軸是虛擬Y軸，是X軸和一個與X軸有一定夾角Y′的軸差補來實現(xiàn)。Y坐標與X坐標的垂直關系由差補精度決定。在實現(xiàn)Y坐標方向運動時，X軸和Y′軸同時運動。對兩軸運動的動態(tài)特性要求較嚴格，這種形式X軸拖動重力輕，易于控制，受部局影響Y軸行程較小。
    歐式車銑復合加工中心，是機械保證，Y與X、Z垂直，可達到較高精度，這在銑削Y向平面時易于達到理想的平面質(zhì)量。這種部局Y 向行程比日式大1/3左右。
    （3）刀具動力主軸。
    日式車銑復合加工中心刀具動力主軸通常采用電主軸，動力主軸箱體積一般很大，相對來說主軸直徑較小，采用角接觸球軸承，這種設計可實現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速，屬高速小扭矩主軸，扭矩一般≤150N•m，對于大刀具懸伸和重負載切削不利。在小切深、高轉(zhuǎn)速方面有優(yōu)勢。主軸壽命相對較低，到達壽命后只有電主軸生產(chǎn)廠才有力量維護。
    歐式車銑復合加工中心的刀具動力主軸是曲型機械式主軸，目前最高轉(zhuǎn)速9000r/min，相對電主軸轉(zhuǎn)速較低，對于絕大多數(shù)切削條件來說這個轉(zhuǎn)速可以滿足。這種形式一般很輕松達到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。從這一點上可以看出，歐式車銑復合加工中心在應對較大慣量、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
    縱觀世界上各個生產(chǎn)廠商的車銑復合加工中心產(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、沈陽機床為代表的斜床身式立式車銑復合加工中心。
    該類機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)，導軌為特殊設計的大尺寸直線導軌，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)進行直線運動和B軸的擺動回轉(zhuǎn)運動。斜式床身的下部是一個在縱向和橫向均可機動控制的中心支架，用于端面和鏜內(nèi)孔加工不能使用尾座裝置時支撐工件。因而該類機床具備X、Y、Z、B和C多軸插補聯(lián)動功能，可在無人干預的情況下，進行車削、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。
    第2類是以DMG公司為代表的斜平床身的立式車銑復合加工中心。
    這類機床是世界上絕大多數(shù)機床制造商所采用的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)比較緊湊。其中DMG公司在其機床的Z軸采用了直線電機技術，快移速度達到70m/min；B軸采用渦輪蝸桿，其力矩電機驅(qū)動分度精度可以達到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合加工中心。
    這類機床是日本森精機公司在2005年著力推出的一款新型的車銑復合加工中心，此款機床采用了很多世界領先的技術。其中包括很多加工中心采用的箱中箱結(jié)構(gòu)、森精機公司提出的重心驅(qū)動技術、絲杠中空冷卻技術、車削主軸箱體冷卻技術，以及其刀塔采用的力矩電機驅(qū)動的動力刀具等。
    第4類是以INDEX公司為代表的動立柱式臥式車銑復合加工中心。
    這類機床借鑒了臥式加工中心成功的經(jīng)驗，采用了動立柱式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)Z、X、Y向進給運動，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類典型的機床結(jié)構(gòu)不難看出，現(xiàn)代機床已經(jīng)發(fā)展到相當完善的程度，各類機床之間彼此相互交融，第3和第4類機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，同時又有車削機床的特點，所以其加工范圍和能力就大大地增強了。
    國內(nèi)對五軸車銑中心的研究始于2000年，并在2001年制造出第一臺五軸車銑中心SSCKZ63-5；同年“十五”國家科技攻關計劃重點項目SSCKZ80-5/2000啟動并由沈陽機床承擔此項目的研究，2003年該項目通過國家驗收并在2005年獲中國機械工業(yè)科學進步二等獎。
    在五軸車銑技術領域，我國與發(fā)達國家相比，雖然起步較晚，但在開始研發(fā)的時候就瞄準當時世界上五軸車銑中心最高水平，所以起點很高，走的是高剛性、大切削量的路線，而且進步相當快。經(jīng)過幾年的艱苦努力，目前這種五軸車銑中心在沈陽機床已進入技術成熟期和產(chǎn)品成長期，并已量產(chǎn)化。已有6種規(guī)格、8個品種、20多臺設備在服役，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，不僅可以為風力發(fā)電、船舶、航空航天、軍工等國家重點行業(yè)提供這種高檔車銑復合設備和解決方案，還可為他們免費提供相關技術支持，這也是沈陽機床這樣的國內(nèi)知名企業(yè)在服務觀念上的重大改變。
    發(fā)展趨勢
    五軸車銑復合加工中心從產(chǎn)生至今，已有近20年的歷史，技術已經(jīng)成熟并被國內(nèi)外用戶接收和認可。從趨勢上看，主要向以下幾個方向發(fā)展：
�。�1）更高工藝范圍。
    通過增加特殊功能模塊，實現(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，真正做到所有復雜零件的完整加工。
    （2）更高效率。
    通過配置雙動力頭、雙主軸、雙刀架等功能，實現(xiàn)多刀同時加工，提高加工效率。
    （3）大型化。
    由于大型零件一般多是結(jié)構(gòu)復雜、要求加工的部位和工序較多、安裝定位也較費時費事的零件，而車銑復合加工的主要優(yōu)點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)整和夾緊時間，所以采用車銑中心進行復合加工比較有利。所以目前五軸車銑復合加工中心正向大型化發(fā)展。例如沈陽機床的HTM125系列五軸車銑中心，回轉(zhuǎn)直徑達到1250mm,加工長度可以達到10000mm，非常適合大型船用柴油機曲軸的車銑加工。
    （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。一些技術先進的廠家(如德國DMG、奧地利的WFL、日本的MAZAK公司等)的許多產(chǎn)品都已實現(xiàn)結(jié)構(gòu)模塊化設計，并正在向如何實現(xiàn)功能快速重組的方面努力。
    結(jié)束語
    五軸車銑技術的先進理念是提高產(chǎn)品質(zhì)量和縮短產(chǎn)品制造周期。因此，這種技術在軍工、航空、航天、船舶以及一些民用工業(yè)領域中的應用具有相當?shù)膬?yōu)勢，尤其在航空航天領域一些形狀復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域大批采用此類設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加工設備，而國內(nèi)在這方面則比較落后，因此還需借鑒國外的先進經(jīng)驗，爭取在五軸車銑技術的應用領域改變落后的局面。