高速加工中心在汽车零部件生产中的应用

汽车工业相对航空、航天、船舶、机床等机械加工工业来说，其突出特点是生产批量大，加工节拍短，为了适应这种单一工件的大批量生产，采用专机或专机自动线进行加工生产是最经济的，因而也最普遍的一种选择。然而，当前汽车用户对汽车的多样化、个性化的要求，迫使汽车企业的产品换型越来越快，产品品种纷繁多样，原来单一工件的大批量生产变成了多种工件各自的较小批量迭加成的大批量生产，因此，多年来在汽车制造行业占统治地位的组合机床（专机）生产线已无法满足汽车行业快速更新的现实需要，专机或专机自动线虽然效率高，但却限制了加工的柔性，使得机床对加工零件品种变化的适应性非常差。

为了解决这个难题，高速、高效的新一代加工中心——高速加工中心应运而生，很好地解决了加工柔性和产量、投资与更新的矛盾，满足了汽车行业目前多品种，大批量，少投资的要求，同时也满足了汽车零部件生产的这种要求。

高速加工中心的特点

高速加工中心是指主轴转速超过10000r/min，进给速度超过40m/min，进给加速度大于0.5G（5m/s2）的一类加工中心。为了实现高速、大切削量下稳定加工，一般，高速加工中心都具有下列结构特点：

1.高转速主轴

主轴转速过低无法满足生产效率要求，转速过高则在可靠性方面带来多种不利因素。高速加工中心主轴转速一般定在46—16000转/分之间。为此，最佳的结构方案为内装直驱动式的电主轴，电主轴在使用中不可拆卸，不需保养，不需调正。主轴转子安装在复合陶瓷滚珠轴承上，采用三点支承方式以保证高的动态刚性和精度。在定子和转子轴承四周有专门水冷系统以吸收发热。

2.动平衡与热平衡的结构设计

高速加工中心由于其高的主轴转速，高的进给速度及高的进给加速度，必然要求其结构设计具有高的静态刚性和动态刚性。为此，有的将液压装置与主轴分离放置，以减少震动对主轴精度的影响。

设备结构完全是热对称的，这样可以避免由于热变形使主轴与工件的位置偏移。为防止作为重要热源的切屑引起热不平衡，有的从结构上设计使切屑不在被加工工件上及托盘上停留，而且通过在Z轴罩两侧的螺旋式排屑输送器将切屑快速排到切削液箱，以使由切屑引起的热的影响减到最小。

为保证运动刚性及稳定性，高速加工中心的设计通常遵循以下原则：

（1）对各轴所作的力始终在各个重心的轴线上，以避免加速和减速时设备结构件的摆动。

（2）移动部件的导向装置也处于重心平面上，以稳定设备的结构并避免加速和减速时结构件的摆动。

（3）采用部件镶嵌结构，改进部件的加工工艺，以减轻移动部件的重量。

（4）各轴测量都在推力中心进行，以便得到最精确的测量结果以及位置重复精度最大的稳定性。

3.高刚性三点支撑床身

高速加工中心大都采用坐标镗床式的三点支撑床身，通过有限元分析方法（FEM）进行高刚性的结构设计，保持高刚性及稳定性，以在最大移动速度甚至需要进行强力切削和多次定位移动的加工中，都能达到刚性的最优状态。

4.直线滚动导轨将刚性与精度良好地综合在一起

高速加工中心的各坐标最大进给速度及快移速度一般都在40m/min以上，这些都是在精密的耐摩擦的直线运动滚珠丝杠导轨系统上实现的。滚珠丝杠采用无间隙预应力滚珠，导轨的润滑采用定量润滑，由一个润滑中心完成。这种系统具有优良的稳定性和动态刚性，可以对计算机的指令做出快速响应。有的机床的三个坐标采用新式结构的行量滚珠丝杠，为了最大限度减少滚动惯量，丝杠固定不做回转而由数字马达经齿形皮带驱动滚珠丝杠螺母转动。

5.采用HSK钳式刀具

HSK钳式刀具夹装方式是专门针对高速加工中心的刀具的，它的静态和动态刚性都非常强并且能够既安全又高效地传送扭矩。

6.换刀及交换工作台迅速

在加工中心的一个切削循环中，换刀时间及交换工作台时间往往占有较大部分的比重。在传统的非高速加工中心上，换刀时间（切屑到切屑）达14~20s左右，而交换工作台时间则需3min甚至更长时间，无疑这对于大批量、快节奏生产要求的汽车零件加工来说是不相适应的。而高速加工中心则在这两方面设计得与其高主轴转速、高进给速度及进给加速度相匹配，换刀时间（切屑到切屑）可达到3.5s左右，交换工作台时间则可减少到仅为6s。而每个工作台又具有精密鼠压盘分度机构以确保精确的360°等分分度。如果用户需要，也可以得到360000等分分度，提供加工各种表面零件加工的高柔性和工作时的刚性。

高速加工中心在汽车零部件加工工业中的应用

1.在汽车零部件加工工业中的应用

目前，各种大型、中型、小型，单主轴或双主轴，从手工上下料单托盘式到柔性制造单元的多托盘式高速加工中心在汽车零部件工业已得到较广泛的应用，它们主要应用于汽缸体、汽缸盖、差速器壳、连杆、变速箱壳、转向节及其它多种零件的生产流水线，表现出优良的综合性能。

根据产品产量及用户的需求，高速加工中心生产线可以布置成串联式（工序分散）、并联式（工序集中）和混合式。目前在汽车工业生产线中混合式的布置应用最广，可以得到最佳生产效率，保持足够的柔性和可靠性，并有利于分期上批量时的生产线布置。混合式布置的并联机床数量应在1~4台之间。

在20世纪90年代初期，人们往往过份强调加工高柔性的要求而忽视高速加工中心在一些加工工艺中的局限性。经过多年摸索，目前，人们认为合理的汽车零件生产线应当是专—柔结合的方案。例如，对于汽车发动机汽缸盖和汽缸体的加工，专—柔结合方案可以概括为：

（1）平面加工：铝件——高速加工中心；铸铁件、钢件——数控铣床。

（2）中、小孔系，螺孔——高速加工中心；不规则及小型平面铣削——高速加工中心。

（3）重要的特殊表面加工（镗缸孔、曲轴孔、凸轮轴孔、长油孔）——柔性专机或组合机床。

由高速加工中心为主构成的生产线具有如下的特点：

（1）根据产量需求及投资到位程度，易于实现工程分步实施，逐步扩展设备。

（2）变更生产品种时不须大规模调整和更新设备。一次投资建成的生产线，不但可以满足现在市场的需求，也可满足未来市场对新产品的生产需求。

（3）由于其高的切削速度、高的进给速度及短的换刀等辅助时间，因而生产效率高。

由于生产线上大部分设备由同一种机型构成，易于掌握，便于维修及备件准备，保持高的设备完好率。

2.应用实例

神龙汽车公司2005年7月21日投产的年产22万辆份16气阀缸盖生产线，就是以高速加工中心为主，专机为辅的汽车零件加工生产线，生产线上的专机用来加工零件不发生变化的部位，而高速加工中心则主要负责加工零件上需要变动的部位，这样就能兼顾生产效率及柔性变化两方面的要求。

该项目是神龙公司二期发展的关键项目，投资两亿多元，加工中心采用日本牧野公司J4M型高速加工中心，全线切削加工由31台J4M高速加工中心完成，这些加工中心组成9个“加工岛” ，每个“加工岛”由1台双臂龙门机械手和3～5台加工中心组成，一个“加工岛”即为一道工序：加工中心之间加工内容完全相同。辅助设备包括导管/阀座压床、堵盖/钢球压床、密封性检测机、清洗机、打标机等。能同时满足神龙TU和EW两个系列的缸盖混流生产，率先将“加工岛”、随行托盘、机器人、PROFIIBUS总线等多项技术加以综合运用，自动化程度和技术含量都很高，在国内都处于领先地位。

该高速加工中心主轴转速超过16 000r/min，进给速度超过50m/min，产品换型时间不超过20min。

该生产线到2005年底已能生产4个品种的16气阀铝合金缸盖 ，日产量700余台，满足了神龙公司新产品的需要。

结语

随着我国汽车工业的高速发展及当前汽车市场多变的特点，每个汽车制造厂只有生产高质量、低成本、多样化的汽车产品，才能在汽车市场上处在主动和有利的地位。高速加工中心的加工工艺和加工手段的出现与发展，为我国汽车工业尤其是汽车零部件的发展提供了一种经济可行高效的解决方案。