倒置式制造系统张曙[1].doc

倒置式加工系统张 曙1，陆启建2（1. 同济大学，上海 200092； 2. 南京四开电子企业有限公司，南京 210007）摘 要：倒置式加工是近年来出现的一种加工形式。它简化了机床配置和结构，有利于冷却液和切屑的排出，易于保证加工精度。本文介绍了三种典型的倒置式加工系统：立式车削加工中心、卧式镗铣加工中心和柔性制造系统以及应用案例。关键词：数控机床；倒置式加工；切削加工中图分类号：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）,有时也作为倒立式加工，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台上，刀具夹持在主轴上，主轴从上面移向工件进行加工。倒置式加工反其道而行之，工件从上面移向刀具完成进给，如图所示。2) 由于所有进给运动由夹持工件的主轴来完成，机床上可以配置多种刀具而不一定需要刀库，因此机床结构非常紧凑。3) 由于工件夹持在主轴上，加工过程产生是切屑以及冷却液直接向下排放到机床床身内的收集器内，有利于保证加工精度。刀 具工 件夹 具夹 具工 件刀 具4) 由于工件在夹持状态移动，倒置式加工仅适用于加工尺寸较小、重量有限的零件。 a) 一般加工b）倒置式加工图1 倒置式加工基本原理1 倒置式立式车床MAG自动化集团的HESSAPP公司是立式车床专业生产厂家（），最近推出DVH、DVH Duo、DVT等系列的倒置式立式车床。其中DVH系列是单主轴倒置立式车床，有7种型号，最大加工直径从250mm到750mm；DVH Duo是双主轴倒置立式车床，有3种型号，最大加工直径从250mm到450mm；DVT系列是倒置和正置复合立式车床，有8种型号，最大加工直径从250mm到750mm。DVH系列单主轴倒置立式车床到配置特点是结构紧凑，占地面积小，操作者易于接近加工区域。代表性机型是DVH250i型，其外观如图2所示。传送带工件主轴图 2 DVH250i型倒置立式车床外观从图中可见，机床的主轴用于夹持工件，位于机床的上方，不仅提供的切削所需的旋转运动，且实现Z轴和X轴的进给运动。此外，主轴还兼负机械手装卸工件的功能。在穿过机床的传送带托板上装上待加工的毛坯，传送带就将毛坯送入机床的加工区域，主轴就移向传送带，抓取或放下工件。DVH250i型和DVH450e型倒置立式车床的主要技术参数列于表1。表1 DVH250i型倒置立式车床的主要技术参数技术参数DVH250iDVH450i最大加工直径250mm400mm工件最大高度（包括夹紧装置）350mm450mm主驱动功率24kW45kW主轴前轴颈直径100mm150mm最大扭矩220Nm750Nm最大转速7000r/min4000r/min快速移动，Z轴30m/min30m/min快速移动，X轴60m/min45/75m/min刀柄直径40mm50mmDVH450e型单主轴倒置立式车床的内部结构如图3所示。图 3 DVH450e倒置立式车床的内部结构从图中可见，在后面的斜床身上，由伺服电动机通过滚珠丝杠驱动的立柱可现实X轴快速移动和进给，而工件主轴在立柱上则作Z轴方向的快速移动和进给。在床身的左前方配置有转塔刀架，右侧配置有工件传送带。DVTH Duo系列倒置立式车床具有2个同样的工件主轴，加工效率高，适合大批量生产。除价格紧凑、占地面积小外，还配置有伸缩托盘式装卸机构，使工件装卸可在6s内完成。DVT系列具有一正一倒双主轴，自动实现工件的两面加工，无需反转机械手，从而明显提高了生产效率，缩短了加工节拍。DVT450型双主轴立式车床到内部结构如图4所示倒置主轴正置主轴正置主轴图 4 DVT450型双主轴立式车床到内部结构从图中可见，左边是倒置加工，主轴在上方；右边为正置加工，主轴在下方。由于一正一倒，无需将工件反转就可以加工工件的两端部。此时，倒置的主轴则兼作装卸工件的机械手。一正一倒加工的实况如图5所示。倒置主轴正置主轴 a) 倒置加工 b) 正置加工图 5 一正一倒加工的案例使用一正一倒双主轴车床加工泵体外壳的例子如图6所示。a) 泵体毛坯 b)下端面加工 c)上端面加工图 6 一正一倒加工泵体外壳的案例2 倒置式卧式加工中心图 8FM3+X型倒置式卧式加工中心德国ELHA Maschinenbau公司（www.elha.de）的FM3+X型机床是典型的倒置式卧式加工中心，其配置原理简图和机床框架前视图（未固定动力头）如图7所示。工件主轴工件主轴动力头a) 配置原理 b) 机床框架前视图图 7倒置式卧式加工中心配置原理从图中可见，在机床的封闭框架上布置有若干动力头。动力头类型多种多样，可以是单轴的、多轴的、角度的和转塔等。每个动力头都由独立的电动机驱动。动力头上的每把刀具都有专门设计的“刀具主轴”。刀具主轴的类型和尺寸大小、扭矩和转速是同加工任务要求以及所使用的刀具相匹配。动力头固定在机床框架的前板上。框架的中间夹持工件的“主轴”可以伸缩和完成X、Y轴的快速移动（40m/min）和进给。工件主轴不仅完成三个坐标的移动（max.40m/min）和一个坐标轴的回转，还起到抓取和放开工件的机械手功能，其移动范围为：400mmx1000mmx50mm。这种倒置式卧式加工中心配置的特点是：a) 每一个动力头（刀具）都有自己的电动机（max.37kW），从而能够实现每一工步的刀具尺寸切削速度功率的最优化。b) 所有的移动都由夹持着工件的夹具“工件主轴”来完成，借助夹具夹紧和松开自动在工作台上更换工件。c) 机床的前方是加工空间，切屑自由落下，没有任何阻挡；且机床加工区域和机构移动区域是隔离的，冷却液和切屑不会进入机床机构移动区。d) 机床结构紧凑，布局简洁，占地面积小，；如在工件主轴上配置回转工作台，可以实现4轴或5轴加工。工件主轴图 10倒置式卧式加工中心加工实况FM3+X型倒置式加工中心的外观如图8所示。工件主轴刀具主轴工件主轴图 9 机床配置的侧视图机构移动区垂直加工空间湿隔离图9所示是机床布局的侧视图，可以进一步以图形方式描述上述特点。刀具主轴FM3+X倒置式卧式加工中心的姐妹型号是FM4+X，它具有更大的加工空间和生产效率，工件体积尺寸从200mm3提高到320mm3。FM系列两种倒置卧式加工中心的技术特性见表2.倒置式卧式加工中心是把一条自动线集成到一台机床上，因此它既具有自动线的高效率，又具有加工中心的柔性，加以维修、操作方便。适合加工各类壳体、轴类和盘类零件，一次装夹，全部加工完毕，保证了较高的加工精度。表2 FM系列倒置式加工中心的技术特性技术特性FM3+XFM4+X行程范围400x1000x500mm800x1400x800mm最大移动速度40m/min48m/min最大进给力700daN4000daN 回转工作台300mm400mm工件尺寸200mm3320mm3主轴功率20kW(max)37kW(max)主轴转速20000r/min(max)20000r/min(max)机床外形尺寸3050x3500x3950mm3500x4525x3950mm倒置式卧式加工中心适用于加工铸铁、铝合金以及低合金钢的零件，加工效率很高，加工一个零件的时间大约在20s到50s之间，可以满足大批量生产的要求。典型的加工实例如图10所示。3 TransFlex柔性制造系统瑞典Modig公司（www.modig.se）开发了一种新型的柔性制造单元，称为TransFlex，以满足在实现高生产率和高精度的同时保持加工柔性的要求。由于它的柔性较高，既可适用于小批量生产，也可用于大批量生产。其外观如图11所示。图 11TransFlex 柔性制造单元工件主轴动力头装卸工位TransFlex柔性制造单元采取倒置式龙门配置，与一般龙门式加工中心类似，不同之点在于安装在“主轴”上的不是刀具，而是夹具和工件。机床工作时，将夹持在“主轴”上的工件移向配置在两侧的动力头，完成一道工序后移至另一个动力头，进行下一道工序的加工。TransFlex柔性制造单元的总体配置如图12所示。图 12 TransFlex柔性制造单元的总体配置从图中可见，横梁在机床立柱上沿X轴纵向移动（4700mm），工件主轴在横梁上沿Y轴移动（1000mm），工件主轴上下作Z轴移动（600mm）。如果配置回转或摆动装置，工件和夹具可以完成C轴（180）和A轴（90)转动，实现4轴或5轴联动加工。X、Y、Z方向3个轴皆采用直线电动机驱动，快速移动的速度为120m/min，加速度为1g。此外，X和Y轴按照重心驱动原理，采用两个直线电动机，使驱动力的合力处于移动部件中间位置，以保证最佳的动态性能和定位精度。工件的最大尺寸为700mmx300mmx200mm，最大毛坯重量为75kg，零件净重25kg。较大的工件在加工时可能会遇到一些限制，可能出现干涉现象，需要进行干涉检查。TransFlex的两侧各最多配置5个沿直线导轨移动的动力头，完成钻、铣、镗、铰等工序。动力头可垂直或水平配置。功率和转速可根据相应的工序进行优化和确定。一次装夹即可完成零件的全部加工。当水平动力头退到后面位置时，可进行换刀，刀库的容量为2,4或15，按加工需要选择。由于刀具交换是在另一个动力头工作时进行的，与加工时间重合，没有时间损失。由于大幅度降低了非切削时间，生产效率明显提高，一个零件加工时间的分析表明，尽管切削加工时间一样，由于辅助时间的减少，单位时间的生产效率提高了一倍，如图13所示。主轴加减速定位1min, 33%物料搬运定位1min, 33%切削加工时间1min, 33%物料搬运定位0.5min, 25%切削加工时间1min, 75%普通机床加工20件/小时TransFlex加工40件/小时图 13 加工时间比较TransFlex加工的典型零件如图14所示。图 13 TransFlex 柔性制造单元加工的典型零件南京四开电子企业有限公司已经与瑞典Modig公司达成合作协议，引进TransFlex有关技术，试制样机即将于2008年底问世，计划于2009年投入小批生产。TRansFlex还有一个非常重要的优点，就是它可以很方便地以串联或并联的方式，加上物流系统及装卸机械手组成自动生产线或无人化加工车间，将高效率的大批量生产和柔性制造结合起来。根据需要，它甚至还可以组成多品种零件的混流自动生产线，并且快速调整，进行高度柔性的混流生产。4 结语倒置式加工是近年发展起来的一种加工形式，它最大的优点是机床结构紧凑，工件主轴兼作装卸机械手，自动化程度高，加以排屑方便，在某些加工领域具有明显的优势。除本文介