附录一

阶梯轴组合机床

拉切扎尔-斯托耶夫*、斯托尔-波日科夫、安通-斯托伊奇、弗朗茨-哈斯

摘要: 本文论述了一种新型组合机床的设计，并与已知的当代同类产品进行了比较。该机床设计用于以夹头和中心对中心设计的一种或两种装夹方式对工件进行多功能加工。该机床的典型特征是使用梯形截面的床身，床身两侧带有倾斜的纵向导轨，用于粗加工、精加工和精加工的滑块。采用这种设计，滑块在空间上是分开的，并且负载较轻。粗加工和精加工时的材料去除是相互分离的。磨削滑块及其导轨不会受到车削过程中产生的高温脆屑引起的额外热变形的影响，粗加工和精加工滑块在空间上受到保护，不会受到磨削粉末的影响。床身符合热对称设计的要求，可以进行内部冷却。从设计、技术和经济角度介绍了这种布置的优点。

关键词：组合加工工具；倾斜导轨；多功能加工；梯形床身

1 引言

卡盘和中心零件的粗加工和精加工对精度和生产率的要求越来越高，因此出现了所谓的组合机床 (CMT)。在这种机床中，车削和磨削操作只需一套或两套装置。该技术可确保高生产率和尺寸精度，并通过消除设置误差实现单侧加工表面的相互定位。文献 [1-7] 分析了组合加工工艺和机床的主要优势。特别值得关注的是 Index 公司生产的带倾斜导轨的多功能机床（图 1）[8]。

图 1 带有倾斜导轨的 CMT Index G200 [8]

用于执行粗加工和精加工操作（尤其是车削和磨削）的滑架受力分离，并一上一下地放置在被加工工件两侧床身的倾斜或垂直表面上。车削时产生的热切屑可自由排出，不会影响机床的热偏差。磨削和砂轮修整产生的废料落在车削滑架、其导轨和转塔上。这是滑动接触区磨料磨损的先决条件。未被冷却液冲洗掉的磨料粉末会进入切削工具及其刀片的接触面之间。

图 2 显示了可重新配置的组合机床[10]的水平布置[9]的可能性，该机床的动力滑块分离，可用于粗加工和精加工。设计基于模块化原则。由于机床三个纵向导轨之间的设计间距以及它们之间的空间，相对较少的切屑和磨削废料落入滑块及其导轨区域。这种布置方式也可视为垂直型 [10]，纵向导轨水平布置（如 [8]）或垂直布置。在这种情况下，热脆片和研磨废料在自身重量的作用下向下移动。

对图 1 和图 2 中的布局进行分析后得出的结论是，分离磨削和修整产生的切屑和废品流的问题并没有完全解决。这就要求在组合机床上进行粗加工和精加工时，滑块要有最佳的空间和力分离布置。在这种情况下，关于技术系统设计方案的选择和优化标准的出版物 [11, 12]就很有意义。

图 2 组合机床的水平布局 [9]

图 2 所示的组合机床有两个空间和动力分离的支架，分别用于车削（沿 X2 和 Z2 轴）和磨削（沿 X1、Z1 和 B1 轴）。通过使用 Z3 轴，这种布置方式适用于加工不同长度的卡盘和中心零件。

2 组合机床的新布局

本出版物介绍了一种组合机床的新布局 - 图 3。其典型特征是使用梯形横截面床身，床身两侧装有倾斜导轨，用于粗加工和精加工的分力滑块。为了便于使用滑块、更换工件和安装新工件，导轨可以相对于垂直面略微倾斜或垂直，如 Index C200 车削和磨削中心 [8]。

图 3 带有空间和力分离滑块的组合机床

这一概念保留了图 1 所示布置的优点，但热薯条以及磨削和修整产生的废品被分隔在不同的方向。图中只显示了模块化布局的一种选择，即采用倾斜导轨床身，以任意顺序加工卡盘和中心对中心工件。如果需要在 FMS 中连续加工不同长度的成堆工件，尾座（或对面的主轴 [10]）会在附加的水平导轨上自动纵向移动。如图 3 右上角平面图所示，所有导轨都有可伸缩的 V 形保护罩，以防止薯条和磨粉进入。它们便于将薯条与研磨和修整过程中产生的废料分离。为了将粗加工区和精加工区完全分开，还可以采用其他设计方案，如垂直分区等。

图 3 所示的布局是车削、钻孔和铣削中心与磨床的组合，具有以下共同特征：床身、滑块和反向主轴、数控系统、各种组件等。床身的横截面为反平行四边形。为了简化加工，它可以由两个带倾斜或垂直导轨的对称模块组成，模块逐个或同时加工，然后组装在一起。

滑块鞍座沿着滑块主体上的导轨移动，这种设计也是新装置的一大特色。鞍座上部固定有水平导轨，可使滑块沿横向移动。这种设计变体保留了图 2 所示水平布置的优点。

如图 3 所示，用于加工带阶梯卡盘和中心孔工件的 CMT 模块化变体总共需要 5 个数控轴：两个用于粗加工的滑块，三个用于转塔。如果要在 FMS 中批量生产带中心孔的工件，或使用反向主轴加工带卡盘工件的两面，则需要第六个轴用于尾座（或反向主轴）的自动移动。

根据不同公司和生产类型的要求，所介绍的机床可按照模块化原则重新配置，提供多种选项，其中最重要的选项见 [10 和 1]。砂轮头带有两个电主轴和用于外圆磨削的带倾斜轮廓的砂轮，以及两个用于内圆磨削的刀具，可通过两种设置对卡盘工件的两面进行全面精加工。根据模块化原理，可在复合车削架上增加一个或两个转塔，以执行粗加工和精加工程序 [9]。用于铣削、钻孔和其他工序的主轴和刀具固定在其工作位置上 [10]。

该组合机床可对卡盘和中心对心工件的两面进行外圆、内圆、纵向和端面磨削。当使用与 Index 公司的 C 200 机床类似的带有垂直纵向和横向导轨以及 Y 轴的设备选件时，机床的技术特性可扩展至加工偏心表面和孔。

在适合加工淬硬工件的转塔上安装适合车削和磨削联合加工的刀具，还能提高联合加工的效果，缩短生产的基本时间，提高加工表面的质量。

图 3 所示的组合机床与图 2 中的布置不同，主要在于两个支架的倾斜纵向导轨。这种解决方案大大方便了车削、磨削和刃磨过程中废品的双向分离。

图 4 至图 7 显示了新布局的主要技术配置。

图 4 带有主动监测功能的纵向磨削

图 4a 显示了旋转部件纵向磨削专利工艺的模拟示例，该工艺具有主动监测和自适应控制功能 [10]。图 4b 展示了使用扫描测量探头 [10] 进行纵向磨削的新技术。

必须校准测量头，如图 5a 所示。图 5b 显示的是用于对稳定性较差的工件进行纵向磨削的专利方法 [10]，在这种方法中，工件由固定在计数滑台转塔上的矢量块支撑。

a) 扫描头的校准 b) 纵向研磨方法

图 5 扫描头的校准和纵向研磨方法

图 6 和图 7 显示的是：车削、钻孔、镗孔和内磨。

a) 车削 b) 钻孔

图 7 镗孔、内圆磨削和砂轮修整

新布局的三大优势

3.1 从设计角度看新布局的规格和优势

在设计方面，新安排的优势如下：

用于粗加工和精加工的滑块的进给驱动是正向分离的。这保证了磨削表面的高尺寸精度和定位精度；

用于精加工的滑块配备有一个电主轴，带有两个带倾斜轮廓的砂轮，用于磨削工件外表面和相邻表面的两侧，并带有中心触点和卡盘；还配备有一个电主轴，带有两个刀具，用于内磨两侧；

根据模块化原则[10]，可以配置带有倾斜或垂直导轨的不同设计型号的机床，这些机床带有一个或最多四个动力分离式滑块，具有不同的技术功能和工具；

粗加工产生的不同类型切屑以及磨削和修整产生的废料流在空间上被分开。通过这种方式，该装置可为用于粗加工的导轨和滑块提供额外保护，防止磨料粉末渗入，并为用于精加工的导轨和滑块提供保护，防止车削过程中产生热薯条；

由于采用梯形或矩形截面床身以及倾斜或垂直导轨，机床的整体尺寸较小；

这种布局符合人体工程学，因为可以方便地接触到工作区和床两侧的组件；

机床控制面板配有一个带水平伸缩臂的旋转柱（图中未显示），可在床身两侧使用；

由于床身横截面呈梯形，因此导轨之间的距离尽可能长，这样反作用力和变形较小。

3.2 从技术角度看新布局的规格和优势

新安排在技术方面的优势如下：

一次装夹可完成多种工序，例如：车削、钻孔、镗孔、铣削、塑性变形、激光硬化、内外磨削、珩磨、抛光等：车削、钻孔、镗孔、铣削、塑性变形、激光淬火、内外磨削、珩磨、抛光等，使用的工具和设备种类繁多，且都安装在机床滑轨上；

只需一次设置，就可对单面布置的卡盘零件的所有内外表面进行粗加工、精加工和细加工。这就实现了高尺寸精度和表面的相互定位；

通过第二个设置，使用反向主轴可对卡盘部件的两侧进行粗加工、精加工和抛光；

电主轴配有两个用于外圆磨削的带倾斜轮廓的砂轮，可通过两种设置对圆柱形表面的两侧以及卡盘和中心到中心型部件的相邻表面进行连续外圆磨削；

在转塔磨削架上装有两个用于内圆磨削的砂轮的电主轴，可对卡盘式部件的阶梯孔进行双面连续内圆磨削；

在每种设置中，卡盘零件的内外表面都可以连续磨削，从而确保加工表面的同轴度；

中心对中心和卡盘式部件的粗加工、精加工和精加工，这是磨削方法中极小余量的先决条件；

由于粗加工、精加工和精加工刀具位于工件两侧，缩短了加工时间，从而提高了加工生产率；

通过减少磨削余量，一次装夹完成部件精加工的时间大大缩短，从而提高了整体生产率；

如图 3 所示，在使用带有模块化长床身的组合机床时，如果使用四个具有不同技术用途和动力分离驱动装置的滑块，该设计可提高批量生产的生产率[10]。后者的一个范例是带有空间上分离的 2 个车削和 2 个磨削滑块的组合机床，它允许在两个设置中同时车削或磨削两个卡盘零件；

小而均匀的精加工余量、滑块的空间分隔以及废料的分离，使得干切削或加工过程中只需使用最少的冷却剂成为可能；

由于磨削余量小，砂轮的磨损也会减少；

由于磨削工具的磨损较小，因此减少了周期之间的修整次数；

可以采用主动监测装置或扫描测量头同时进行纵向磨削和测量加工表面的方法 [10]；

利用主动监测装置或扫描测量头的数据，可对纵向磨削部件的形状和尺寸精度进行自适应控制 [10]；

可以采用稳定性较差的部件纵向磨削方法 [10]，在转塔上的对向回转架上使用移动式摇臂支架；

自动化程度提高；

在每个卡盘上使用来自不同滑轨的刀具对工件进行粗加工、精加工和精加工时，连续执行的方法之间出现的尺寸完全同步，这为编程提供了便利，是实现最大尺寸精度和表面相互位置的先决条件。一个机床编程，而不是两个；

关于磨削的可能性，该机器既可配置为使用砂轮和调整砂轮的无心磨削工艺，也可配置为转速同步非圆磨削工艺 [13]。

3.3 从经济角度看新布局的规格和优势

新安排在经济方面的优势如下：

由于只使用一台机床而不是两台，投资和生产成本得以降低。新的布局是将一台车削、钻孔和铣削中心与一台用于外圆磨削和内圆磨削的数控机床组合在一起，并配备共同的滑动主轴或反向主轴、床身、数控系统、各种单元等。这是大幅降低投资的先决条件；

由于只需使用一台带梯形或矩形床身的机床，而不是两台，因此减少了同一生产任务所需的工作面积；

磨削和修整工具的刀具成本以及冷却剂成本都有所降低，因为精加工的允许值减少了；

只有一名操作员操作机床。

4 结论

本文介绍了一种新的组合机床布局，用于粗加工、精加工和精加工工件，采用夹头和定心机床设计，只需一次或两次装夹。它可用于实现以下工序：a) 对直径精度和加工表面形状进行主动监测和自适应控制的纵向磨削；b) 由固定在对面滑道转塔上的可移动棱柱支架支撑的稳定性较差的工件的纵向磨削。该设备的横截面为梯形或矩形床身，并有两个倾斜或倾斜的磨床。
垂直纵向导轨。用于粗加工和精加工的空间和动力分离的横向滑轨与之相连。梯形或矩形床身将车削产生的热切屑流与磨削和修整产生的废料流分开。根据模块化原则，机床可配备两到四个不同技术目标的滑块，由空间和动力分离的驱动装置驱动。所介绍的用于粗加工、精加工和整修的组合机床的新布局与已知的类似现代机床进行了比较，并分析了其在设计、技术和经济方面的优势。

致谢

这项工作得到了欧洲区域发展基金在 "2014-2020 年科学与教育促进智能增长 "业务计划内的支持，该计划属于 CoE 项目 "国家机电一体化和清洁技术中心 "BG05M2OP001-1.001-0008。

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