加工中心认知

一、加工中心概述

加工中心（Machining Center，MC）是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床；是备有刀库，具有自动换刀功能，能实现一次装夹工件后，可以连续对工件自动进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工序加工的数控机床。

加工中心主要由以下几部分组成：

（1）基础部件。基础部件由床身、立柱和工作台等部件组成。它们主要承受加工中心的静载荷以及在加工时产生的切削负载，因此必须具有足够的刚度，如图1-1所示。

图1-1　加工中心组成

（2）主轴部件。主轴部件由主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零部件组成。主轴的启、停和变速等动作由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，它是切削加工的功率输出部件，如图1-1所示。

（3）进给机构。由进给伺服电机、机械传动装置和位移测量元件等组成。它驱动工作台等移动部件形成进给运动，如图1-1所示。

（4）数控系统（CNC）。由CNC装置、可编程控制器、伺服驱动装置以及操作面板等组成。它是加工中心完成所有动作的控制中心，如图1-2所示。

图1-2　数控系统

（5）自动换刀系统（Automatic Tool Changer，ATC）。 自动换刀系统由刀库、机械手等部件组成。当需要更换刀时，数控系统发出指令，由机械手将刀具从刀库内取出并装入主轴孔中，如图1-3所示。

图1-3　自动换刀系统

（6）辅助装置。包括润滑、冷却、排屑、防护、液压、气动和检测系统等部分。

二、加工中心分类

加工中心种类较多，根据其主轴在空间位置不同、可加工工件类型、运动坐标轴数、联动轴数和工作台数量，有以下几种分类形式。

（一）按主轴在空间位置不同分类

1.立式加工中心

加工中心的主轴在空间处于垂直状态的称为立式加工中心（见图1-4）。其结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，无分度回转功能，适合加工盘、套、板类零件。一般具有三个直线运动坐标，并可在工作台上安装一个水平轴的数控回转台，用以加工螺旋线零件。

图1-4　立式加工中心

立式加工中心装夹工件方便，便于操作，易于观察加工情况，但加工时切屑不易排除，且受立柱高度和换刀装置的限制，不能加工太高的零件。立式加工中心的结构简单，占地面积小，价格相对较低，应用广泛。

2.卧式加工中心

加工中心的主轴在空间处于水平状态的称为卧式加工中心（见图1-5）。卧式加工中心通常都带有可进行分度回转运动的工作台。一般都具有三个至五个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标加一个回转运动坐标，它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合加工箱体类零件。

卧式加工中心调试程序及试切时不便于观察，加工时不便于监视，零件装夹和测量也不方便，但加工时排屑容易，对加工有利。与立式加工中心相比，卧式加工中心的结构复杂，占地面积大，价格也较高。

图1-5　卧式加工中心

3.复合加工中心

图1-6　复合加工中心

复合加工中心又称万能加工中心，也称多轴联动型加工中心（见图1-6），具有立式加工中心和卧式加工中心的功能。常见的万能加工中心有两种形式：一种是主轴可以旋转90°，既可像立式加工中心一样，也可像卧式加工中心一样；另一种是主轴不改变方向，而工作台带着工件旋转90°完成对工件五个面的加工。在万能加工中心安装工件，避免了由于二次装夹带来的安装误差，所以效率和精度高，但结构复杂、造价也高。

（二）按加工工件类型分类

1.镗铣加工中心

镗铣加工中心是最先发展起来且目前应用最多的加工中心，所以人们平常所称的加工中心一般就指镗铣加工中心。其各进给轴能实现无级变速，并能实现多轴联动控制，主轴也能实现无级变速，能实现刀具的自动夹紧和松开（装刀、卸刀），带有自动排屑和自动换刀装置。其主要工艺能力是以镗铣为主，还可以进行钻、扩、铰、锪、攻螺纹等加工。其加工对象主要有：加工面与水平面的夹角为定角（常数）的平面类零件，如盘、套、板类零件；加工面与水平面的夹角呈连续变化的变斜角类零件；箱体类零件；复杂曲面（凸轮、整体叶轮、模具类、球面等）；异形件（外形不规则，大都需要点、线、面多工位混合加工）。

2.车削中心

车削中心（见图1-7）是在数控车床的基础上，配置刀库和机械手，使之可选择使用的刀具数量大大增加。车削中心主要以车削为主，还可以进行铣、钻、扩、铰、攻螺纹等加工。其加工对象主要有：复杂零件的锥面；复杂曲线为母线的回转体。在车削中心上还能进行钻径向孔、铣键槽、铣凸轮槽和螺旋槽、锥螺纹和变螺距螺纹等加工。车削中心一般还具有以下两种先进功能：

（1）动力刀具功能，即刀架上某些刀位或所有的刀位可以使用回转刀具（如铣刀、钻头），通过刀架内的动力使这些刀具回转。

（2）C轴位置控制功能，即可实现主轴周向的任意位置控制，实现X-C、Z-C联动。另外，有些车削中心还具有Y轴功能。

图1-7　车削中心

3.五面加工中心

五面加工中心（见图1-8）除一般加工中心的功能外，最大特点是具有可立卧转换的主轴头，在数控分度工作台或数控回转工作台的支持下，就可实现对六面体零件（如箱体类零件）的一次装夹，进行五个面的加工。这类加工中心不仅可大大减少加工的辅助时间，还可减少由于多次装夹的定位误差对零件精度的影响。

图1-8　五面加工中心

4.车铣复合加工装备

车铣复合加工装备是指既具有车削功能又具备铣削加工功能的加工装备，如图1-9所示。从这个意义上讲，上述的车削中心也属该类型的加工装备。但这里所说的一般是指大型和重型的车铣复合加工装备，其中车和铣功能同样强大，可实现一些大型复杂零件（如大型舰船用整体螺旋桨）的一次装夹多表面的加工，使零件的型面加工精度、各加工表面的相互位置精度（如螺旋桨桨叶型面、定位孔、安装定位面等的相互位置精度）由装备的精度来保证。由于该类装备技术含量高，因此不仅价格高，而且由于有较明显的军工应用背景，因此被西方发达国家列为国家的战略物资，通常对我国实行限制和封锁。

图1-9　车铣复合加工装备

（三）按运动坐标轴数和联动控制的坐标轴数分类

加工中心按运动坐标轴数和联动坐标轴数可分为三轴二联动、三轴三联动、四轴三联动、五轴四联动、六轴五联动等。三轴、四轴是指加工中心具有的运动坐标数，联动是指控制系统可以同时控制运动的坐标数，从而实现刀具相对工件的位置和速度控制。其中联动轴数越多，数控机床的功能就越齐全，可以加工的曲面轮廓就越复杂，加工精度和效率也越高，但系统控制、程序编制也越复杂，只能使用自动编程系统来编制。

（四）按工作台的数量分类

加工中心按其工作台的数量可分为单工作台加工中心、双工作台加工中心和多工作台加工中心。双工作台加工中心如图1-10所示。

图1-10　双工作台加工中心

三、加工中心主要加工对象

加工中心适宜于加工复杂、工序多、要求较高、需用多种类型的普通机床和众多刀具夹具，且经多次装夹和调整才能完成加工的零件。其加工的主要对象有箱体类零件、复杂曲面类零件、异形类零件、盘套板类零件和特殊加工等五类。

（一）箱体类零件

箱体类零件一般是指具有一个以上孔系，内部有型腔，在长、宽、高方向有一定比例的零件，如图1-11所示。这类零件主要应用于机床、汽车、飞机制造等领域。

箱体类零件一般都需要进行多工位孔系及平面加工，公差要求较高，特别是形位公差要求较为严格，通常要经过铣、钻、扩、镗、铰、锪、攻丝等工序，需要刀具较多，在普通机床上加工难度大，工装套数多，费用高，加工周期长，需多次装夹、找正，手工测量次数多，加工时必须频繁地更换刀具，工艺难以制定，更重要的是精度难以保证。

加工箱体类零件的加工中心，当加工工位较多、需工作台多次旋转角度才能完成的零件时，一般选卧式镗铣类加工中心。当加工的工位较少，且跨距不大时，可选立式加工中心，从一端进行加工。

图1-11　箱体类零件

（二）复杂曲面类零件

复杂曲面在机械制造业，特别是航天航空工业中占有特殊重要的地位。复杂曲面采用普通机加工方法是难以完成甚至无法完成的。在我国传统的方法是采用精密铸造，可想而知其精度是低的。复杂曲面类零件有各种叶轮、导风轮、球面、螺旋桨以及一些其他形状的自由曲面等，如图1-12所示。

图1-12　复杂曲面零件

这类零件均可用加工中心进行加工。铣刀作包络面来逼近曲面。复杂曲面用加工中心加工时，编程工作量较大，大多数要有自动编程技术。

（三）异形类零件

异形类零件是外形不规则的零件，大都需要点、线、面多工位混合加工，如图1-13所示。异形类零件的刚性一般较差，夹压变形难以控制，加工精度也难以保证，甚至某些零件的有的加工部位用普通机床难以完成。用加工中心加工时应采用合理的工艺措施，一次或二次装夹，利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，完成多道工序或全部的工序内容。

图1-13　异形类零件

（四）盘、套、板类零件

这里指带有键槽，或径向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盘套或轴类等零件，如图1-14所示。端面有分布孔系、曲面的盘类零件宜选择立式加工中心，有径向孔的可选卧式加工中心。

图1-14　盘类零件

（五）特殊加工

特殊加工是指配合一定的工装和专用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工艺内容，如图1-15所示。例如，在金属表面上刻字、刻线、刻图案；在加工中心的主轴上装上高频电火花电源，可对金属表面进行线扫描表面淬火；在加工中心装上高速磨头，则可进行各种曲线、曲面的磨削等。

图1-15　金属雕刻

四、数控系统的分类

数控系统种类繁多，目前工厂常用的数控系统有日本FANUC（发那科）、德国SINUMERIK（西门子）、三菱数控系统和中国华中世纪星、广州数控、北京凯恩帝及大连大森数控系统等。每种数控系统又有多种型号，如FANUC系统有0i到23i； SINUMERIK系统从802S、802C到802D、 810D、 840D等；华中世纪星系统有HNC-19XP-M、 HNC -21M、 HNC-210BM、 HNC-210AM、HNC-8CM、HNC-8BM、HNC-8AM等。各种数控系统指令各不相同，同一系统不同型号，其数控指令也略有差异，在编程时应以数控系统编程说明书为准。