近年來，由于產品的多樣化、少量化以及零部件的日趨復雜化，金屬切削制造業對能夠高效地加工高附加價值和高精度零部件的機床的需求日益增加。

研發機床背景

復雜零件的加工工序通常采用分散方式和加工工序集約方式這兩種模式。加工工序分散方式是指綜合使用多臺機床(車床和加工中心)，各臺機床完成單一或幾個工序。加工工序集約方式是指用一臺機床來完成一個工件所需要的所有加工工序。

集約式加工在減少生產周期、庫存、設備占地面積、滿足加工精度要求等方面占有很大優勢。為此機床生產廠家已開發了許多種規格的能夠實現多功能加工的復合機床，這些多功能的復合機床在航天航空零部件、汽車試驗產品、石油能源工業設備、醫療設備器具、印刷設備、模具以及建筑行業機械的加工領域里得到廣泛應用并取得了可觀的經濟效益。

談到復合加工，通常的認識是車銑復合機床主要應用于滾齒加工、磨削加工、斜面銑削、鉆孔等加工工序。但是大量市場調查卻證實，其實用戶更重視對復雜零件的車削和銑削等基本功能，從而實現一次裝夾并縮短加工周期。也就是說，一些非常特殊的加工工藝并非是廣大客戶最重視的性能。所以，森精機以最大限度地提高復合機床的車削能力銑削能力為出發點，開發了車床和加工中心完全融合的新一代復合加工機。

圖1 機床的外形圖(NT4200DCG)

圖1是新開發的復合機床(NT4200DCG)的外觀圖，圖2是其的結構模型。可以看出該機床是具有多軸(X、Y、Z、B、C)運動的機床。兩個車削主軸，一個刀架，銑削工具主軸配有自動換刀裝置。

圖2 機床的基本構造

從圖3可以看到，為了實現具有和同類型車床和加工中心同樣的加工能力，車削方面選用水平床身，主副車削主軸和刀夾被安在同一平面上從而減少由床身熱變形引起的加工誤差。床身的支撐點均勻地分布在兩側，這樣當切削力施加于床身時，其與過去的機床(圖3左圖)相比就有更好的穩定性。主軸與刀架之間的熱變形引起的位移是車削零部件外徑、內徑加工精度的主要影響因素，該機床結構上的對稱性使得床身和刀架都具有很好的熱穩定性。該機床銑削方面采用臥式加工中心的主軸，機身采用箱中箱結構以及雙絲杠驅動以減少移動物質量，從而提高運動速度并且改善機床動態特性。

圖3 車削主軸和刀架的布置

主軸沖頭采用8角型結構(見圖4)，機床導軌的布置呈V型形狀，這樣可以保證這個部件具有足夠的剛度。

圖4 床身結構圖

工具主軸可以對應Big Plus、HSK、KM、CAPTO這4種不同的刀桿形式(圖5)，這樣就給用戶更多的自由度來選擇不同的刀具。

圖5 刀桿的界面形式

設計人員對該機床的B軸、車削主軸以及行程進行了綜合優化設計，并采用Build-in-motor主軸直接驅動電機(DD motor)的技術，使得這種復合機床的加工區域相當寬闊。如圖6所示，Y軸的行程可達4200mm，這個重要的特征使得該機床能夠加工較大的范圍形狀而不需要車削主軸進行分度轉位。

圖6 加工區域的擴大(Y-Z平面和X-Z平面)

NT4200DCG機床的主要規格

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機床的主要特長

1) 該復合加工機床具有和加工中心相匹敵的行程，C軸無需旋轉即可以加工間隔為250mm的孔。這樣就減少一個軸的旋轉運動，可以取得很高的加工精度。
2) 主軸最高回轉速度12000r/min，工具主軸最高回轉速度100r/min，具有加工中心的銑削能力。
3) 工具交換時間采用高速自動工具換刀結構，減少非加工時間，其與過去的機床相比，加工時間減少一半。
4) B軸采用直接驅動電機，旋轉速度可達到100r/min?？梢赃M行以1°為單位的分度回轉。它和一般的蝸桿渦輪驅動設計相比，其零部件的數量有很大程度的減少，所以可靠性有很大的提高。它也可以進行0.0001°度單位的任意角度的回轉。由于采用直接電機驅動技術，不會發生傳動系統滯后。它完全可以實現5軸聯動來加工復雜部件。
5) 機床最高加速度為：X軸0.8g、Y軸0.4g、Z軸0.6g。采用重心驅動結構，機床的振動得到有效抑制，非切削時間縮短，生產能力得到提高。
6) 該機床設計具有熱變形最小的新熱對稱結構，并且其電控柜，主軸冷卻油溫度控制器的熱源和床身實行隔離，減少它們對床身的熱影響。
7) 復合加工機床具有的直線和回轉軸的數量多，熱源的數量也同樣增加，所以設計時有對驅動絲杠實行冷卻的專門措施，電機機座也有獨立冷卻措施。
8) 該機床具有實時干涉預測和防錯的操作系統的裝備。復合加工機床功能多，運動機構也復雜，操作錯誤或程序錯誤都會引起的機床碰撞。由于有了新開發的機床裝備實時機械運動監視系統，它可以有效地防止機床碰撞的發生。

加工實例介紹

汽車發動機氣缸頭(圖7)

飛機發動機渦輪(圖8)

該案例采用5軸聯動加工，材料是直徑150mm長150mm的合金棒材，主軸回轉速度12000r/min。工具是半徑6mm的球頭刀。

飛機發動機葉片(圖9)

該案例運用4軸聯動控制，工件的中心通過兩主軸支撐，被加工材料是鋁合金，所用刀具是半徑為6mm的球頭刀。加工條件是：主軸回轉速度4000r/min，B軸的回轉速度100r/min。