有关精密卧式加工中心产品的研究
2022-8-31 来源：沈阳机床（集团）有限责任公司 作者：张丽丽
一、概述
随着装备制造业的发展，仅适用于单件、小批量、精加工生产的传统坐标镗的市场逐渐缩小，取而代之的是包括精密卧式加工中心在内的精密（坐标）加工中心。
该类加工中心适用于军工、航空航天、核电、船舶、汽车、能源、机床、刀具模具及机器制造业精密零件加工，如箱体类、盘套类、板件及模具类等复杂零件的中、小批量精密加工，特别适用于尺寸、形状和位置精度要求高的孔系加工。五轴产品可进行模具制造行业复杂型面加工、航空航天领域铝合金与钛合金的高精度和高速加工、医疗器械领域淬火钢和不锈钢等特殊材料加工、风电行业的叶片加工等。
近年来，精密卧式加工中心向着高精度、高刚性、高速度、高可靠性、高柔性等方向不断发展。目前，世界知名的该类机床制造商有日本安田（YASDA）、瑞士迪克西（DIXI）等。
二、主要竞争对手产品及特点
1.日本安田
公司产品应用于模具、航空航天、机械加工、精密零件等行业。追求亚微米精度的超高精度、高生产率的自动化、高超加工技术的多功能化，是安田的研发理念。
（1）精密卧式加工中心系列。
机床主要技术参数如表 1 所示。具体结构如图 1 所示。该类机床适用于机床主要部件、注塑机主要部件、压缩机壳、印刷机架等的加工。
图 1 YBM 系列精密卧式加工中心
表 1
YBM10T : 高承重（5t）。YBM15T: 承重达 12t，适用于重型工件的高速、高精度的加工定位，达到坐标镗分度精度。
（2）卧式五轴加工中心系列。机床主要技术参数如表 2 所示。其结构外形如图 2 所示。
图 2 YBM T-TH 系列精密卧式五轴加工中心
表 2
YBM10T-TH : 高承重（5t），适用于中大型工件的高精度多面加工。
YBM10T-100TT: 适用于飞机零件、难加工和复杂零件。
H30i-32PLS 分上下三层，最多可存放 32面工作台 ;H40i-24PL 分上下三层，最多可存放24 面工作台，节省空间和长时间的无人操作特性，实现加工的最佳性价比。
（3）主要技术特点
1）高刚性、高精度主轴
传统的主轴预加负载方式，由于受到主轴转速增加引起热量温度上升造成预载增加的制约，而不得已采用尽量减少主轴初期预载这种有悖于主轴功能的方法。
公司开发的预载自动调整型高速主轴，低转速时大预加负载，高速旋转时根据轴承发热量自动调整预加负载，实现低转速重切削，高转速低发热高精度旋转。主轴驱动电机和主轴通过柔性联轴节高度同轴连接，实现全转速范围高精度旋转，使高硬度材料的高精度加工成为可能，在加工中发生轴向切削力反向时也能保持高精度加工。
2）高刚度机床结构
床身 : 采用最简单的 “H” 型结构 , 侧面结构壁厚 90mm, 上部水平结构壁厚 40mm, 具有极高刚性 , 保证立柱移动时不变形。各部结构热容积相同 , 并预设恒温系统管道 , 保证床身在室温变化时不产生扭曲或弯曲变形。
导轨 : 机床精度及精度保持性取决于导轨。机床导轨由淬火轴承钢制成 , 经精心磨削、手工抛光后 , 导轨表面具有极高表面粗糙度 , 为定位精度及其持久性奠定了坚实基础。
经高精度加工的导轨安装在经过手工精密刮研的具有准确直线度的床身、滑鞍、立柱的导轨安装面上。在承重的 X 轴及 Z 轴上 , 配有承重检测系统 , 根据承重自动调整导轨面压 , 实现大、重零部件的高速移动。
立柱 : 立柱导轨左右并非完全平行 , 而是稍呈 “鼓形”。无论主轴箱位于哪个位置 , 主轴箱两侧将受到恒定预加负载。主轴变形小,定位精度高。
3）工作台夹紧机构
工作台夹紧机构由 120~175mm 厚的优质铸铁制成的高刚性工作台以及夹紧构造系统构成。该系统采用弧齿联轴节盘定位工作台于底盘，通过联轴节盘圆周上带 30°压力角的弧齿以无齿隙咬合实现工作台高精度定位。工作台与底盘的结构一体化结构，保证高刚性夹紧，以及良好的振动衰减性。同时具有工作台交换的高重复定位精度，实现长时间的无人高精度加工。
4）机身温控装置
机床在工厂里所处的设置环境对机身精度有很大影响。比如强烈的室温变化、室内上部下部的温差、来自顶棚与墙壁的热辐射等，都会使机械不断发生热变形，并左右它的精度。安田产品的机身温控装置可将工厂环境对机身影响局限在最小范围内，通过在机身上循环的冷媒把主要部位控制在室温的 ±0.2℃以内，以防机身急剧变形，实现长期的稳定高精度加工。
5）控制系统 “YASDA MiPS”
为实现高生产率和高度自动化而独创的控制系统 “YASDA MiPS” 具有便于机械日常维护的“维护演示功能”，能发现机械故障并以画面显示故障部位的 “自诊断功能”，管理刀具、监视加工动力情况的 “管理功能”，而且还在进一步增加新的加工支持功能，进行更高水平的机械控制。这些功能还可以与互联网对接。
6）驱动系统
加工中心 X、Y、Z 轴采用双伺服电动机 , 双丝杠驱动 , 结构重心与驱动中心重合 , 保证驱动精度。X、Y、Z 轴定位精度依据 VDI/DGQ3441标准实测值为 3.9μm。
2.瑞士迪克西
自 1904 年成立以来，迪克西一直追求 “高精度” 理念，制造的机床应用于尖端技术领域，凭借产品及服务的高品质和可靠性，获得了世界各地的客户的高度评价。公司精密卧式加工中心主要有DHP（DIXI High Production）高性能系列，产品有三种规格 :DHP40、DHP 50、DHP80。机床具体结构见图 3 所示。
图 3 精密卧式加工中心 DHP 系列
（1）DHP 高性能系列卧式加工中心该系列产品是专为成批生产和大量生产中精密加工复杂零件而设计的四轴和五轴机床。其主要技术指标如表 3 所示。
表 3
（2）主要技术特点
1）机床理念
DIXI 机床的理念 : 不需要试加工即可加工。所有机床都是根据这个理念开发的。为了实现这个理念，在全部加工中的定位准确性要控制到亚微米水平。通常，高精度机床的定位精度是5μm，DIXI 机床可实现 0.99 μm。
2）结构特点
迪克西机床的主要特征是坚固的床体和不随时间变化的高精度。模块化机床结构，由整体式自支承球墨铸铁框架组成，稳定性和刚性高。为保证高精确度、精度和几何形状，床身经手工刮研。
采用预加应力的滚动导向元件，实现高精度和高速度。它带有集成在导轨内的集成测量系统和磁读数头，测量系统同导轨自身一样有相同的膨胀系数，可大大减小几何形状误差和变形误差，并可保证较高的精度等级。在正常操作条件下，集成测量系统对油、润滑脂和冷却液的污染不敏感。
3）主轴
机床装有以长寿命理念开发的高刚性、高精度、高性能的主轴。主轴均用预加载荷的钢陶瓷混合轴承，且可根据速度进行调整 ; 主轴上安装有轴向位移传感器、温度传感器、振动传感器等元件。
主轴结构 : 为了提高刚性，主轴采用了悬垂较短的构造。主轴驱动采用了直驱电机，实现高速同步攻丝。
轴承预紧的无级控制 : 为了延长轴承寿命和优化负载能力，研发了液压无级控制的主轴轴承预紧装置，可以根据主轴转数调整主轴轴承预压，削减了轴承产生的热量。
主轴冷却 : 对主轴发热处的轴套进行冷却，避免热量转移到主轴箱，从而防止热扩散，抑制热变形。
4）双转台
可选直接驱动方式电机双转台，两轴配备线性光栅尺和编码器，实现五轴联动，兼顾高效率、高精度加工。Ａ、Ｂ轴可同时分度，高效加工复杂形状及工序集约型工件。刀具可从最适合的角度趋近，实现高质量加工效果和刀具的长寿命。可选配托盘交换系统。
适用加工工件最大直径为 φ1000/1200 mm，最大高度为 810 mm ( DHP 80 II)。机床可实现重切削中的高精度加工。在倾斜位置上自动更换刀具，摆动角度大，有利于复杂形状工件加工。
5）工作台
通过采用直驱电机，实现零间隙的高速、高效驱动，有利于减少维护工时、延长寿命。高速的双面旋转式托盘交换系统 ，简洁而可靠性高，可提高生产效率。托盘交换系统提供一个的标准托盘和一个的任选托盘。托盘交换时间小于 8s。机床防护顶部天窗宽度大，可以使用天车装卸工件。
三、产品战略发展建议
产品开发技术路径宜聚集国内其它关键技术优势单位，采用 “产学研用” 相结合的模式，建立研究和制造队伍，全面开展针对用户典型产品的加工工艺研究，通过自主设计、制造、安装调试，掌握高精度数控卧式坐标镗床关键单元技术、系统集成技术、关键试验技术、关键设备和仪器的开发技术，为精密卧式加工中心等相关高精度机床的研发、制造培养相应的优势团队。
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