工質量好、效率高、成本低歷來是機床用戶對機床產品的基本要求，同時也是機床產品研發的主要目標和方向。為了在日趨激烈的市場競爭中求得生存并發展，機床的設計與制造者們一直在為此作出不懈的努力。

         機床的加工質量（含尺寸、形位精度及表面質量）問題，主要取決于機床設備（含工具和夾具）的結構剛度，幾何精度，運動精度和定位精度，當然還有環境條件（如溫度、振動等）的控制與保證。因此，它需要通過研發精密、高精密乃至超精密的加工技術和機床來解決。

        生產效率主要是由零件從毛坯到成品的制作周期來衡量。零件的制作周期包含直接用于改變零件材料的性（能）、（形）狀（如切削成形，熱處理等）所需的時間和非加工（即不改變零件性狀的）時間（如零件生產過程中所需的等待、傳送、檢測、裝調、夾緊等的時間）兩大部分組成。為了減少切削加工時間，首先需要提高切削速度和進給速度。為此，人們研發了高速切削技術與機床，而為了縮短非加工時間，人們則要研發更多的技術措施和裝備，包括機械自動化、數控柔性化的機床與生產線（制造系統）和現在正處于蓬勃發展的數控復合加工機床等。

        加工成本包括直接成本（如材耗、能耗、工人工資等）和間接成本（含廠房、設備的折舊費，安全環保費和管理費等）。為了降低成本，這里牽涉的問題就很多了，既有技術方面的問題，也有組織管理方面的問題，所以需要進行更為綜合的研究來解決。

       本文不擬，也不可能討論上述所有的問題，只想就數控復合加工機床的發展作些簡要的介紹并談點筆者的看法。

組合加工機床的出現和數控復合加工機床的興起 

        一般情況下，一個機械零件的生產，從毛坯到成品，中間都要經過采用某些（一種或多種）加工藝方法（如沖壓、焊接、切削、磨削、特種加工或車、銑、鉆、鏜、齒形加工等）的多工序（如車削中的車外圓、車端面、車槽、車內圓、車螺紋、車錐面等）加工過程。由于不同的工藝方法有著不同的加工原理和特點，不同的加工工序有著不同的加工目的和要求，因此它們各自用著不同的加工設備來實現，故在傳統的制造中，一個零件的制造往往就需要有多種、多臺不同的的加工設備來完成。這不僅增加了設備的臺數和生產廠房的占地面積，從而增加了企業的投入，而且由于生產過程中工件需在工藝和工序設備間等待、轉移、檢查和重新定位裝夾等，既影響加工精度，也增加了不少非加工時間。有專家分析，這部分非加工時間將占到零件生產總周期的70%～95%左右，從而大大地制約了生產效率的提高。

       為了提高生產效率，減少非加工時間，人們早就有了盡可能多地把一些加工原理和要求相近或相似的加工工序，乃至不同的工藝過程集中到一臺或少數幾臺設備上來實現。這種一次裝夾后對零件進行復合加工的想法，在機械自動化生產過程中出現的組合加工機床和多刀半自動六角（轉塔）車床等，就是其最初的體現。因為組合機床是以一些通用部件（如動力頭、滑臺、底座立柱、回轉工作臺等）為基礎，配以根據具體零件的加工要求（含零件的形狀、尺寸、加工部位、加工工序和精度等）專門設計的夾具，多軸箱和部分刀具集裝而成，它可以對某一特定加工件，如汽車發動機殼體、箱蓋或變速箱體等，實現一次裝夾完成全部或大部分加工工序，包括銑平面、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻螺紋等；而多刀半自動轉塔#p#分頁標題#e#車床，根據被加工工件的工序要求，在其轉塔刀架上裝上所需的切削刀具后，也即可實現一次裝夾對某一特定的軸或盤、套件進行全部或大部分工序的加工，如車削內、外圓柱面、端面、溝槽、倒角、加工內外螺紋等。因此，組合機床和多刀半自動轉塔車床都體現了集中工序進行復合加工的理念，大大地減少了非加工時間，從而顯著地提高了生產率。但是，這些機床均屬于剛性自動化范疇，當加工對象變換時，設備也必須更換或重新調整配置，所需的時間和資金投入都較大，因此只宜用于單一品種零件的中、大批量生產，而不適合用于多品種零件的單件和小批量生產。

       隨著數控機床的出現和數控技術（含數控伺服系統，功能部件及編程、軟件等）的日益發展與性能的提高，大大增強了數控機床的柔性自動化能力，加上機電產品個性化的發展，市場對多品種小批量生產的需求日益增多，從而為數控機床加工復合化的發展提供了廣闊的天地。事實上，早在數控機床問世后不久，1958年第一臺鏜銑類加工中心的出現，復合加工就已成為數控機床的重要技術發展方向之一了，時至今日，已經出現了許多種類的數控復合加工機床，以適應當今市場對多品種小批量零件進行高效低成本生產的需求。

數控復合加工機床的門類及其代表性產品

        數控復合加工機床是以現代柔性自動化的數控機床為基礎，以組合機床和多刀半自動轉塔機床的“集中工序、一次裝夾實現多工序復合加工”的理念為指導發展起來的新一類數控機床。當工件在其上一次裝夾后，通過對加工所需工具（切削刀具或模具）的自動更換，便能自動地按數控程序依次進行同一工藝方法中的多個工序或不同工藝方法中的多種工序的加工，從而減少非加工時間，縮短加工周期，達到提高生產效率的目的。因此，數控復合加工機床從其加工的復合性來分，可分為工序復合型和工藝復合型兩大類。前者如一般的鏜銑加工中心、車削中心、磨削中心等，在一臺機床上只能完成同一工藝方法的多個工序加工；而后者則如車－銑復合中心、車－磨復合中心、車削－激光加工中心等，在一臺機床上不僅可以完成同一工藝方法的多個工序，而且可以完成多種不同工藝方法的多個工序。如車－銑復合中心，既可完成車削的多種工序，又能完成銑、鉆、鏜、攻絲等工藝的多種工序，好似把一臺數控車床和一臺中小型加工中心復合在一起。

       如果從數控復合加工機床的加工對象、機床結構的配置方式和功能特點等特徵來分，數控復合加工機床的門類就很多了。比如按加工對象分，就有面向回轉體件加工的、棱柱體件加工的和復雜形體件（由回轉體和棱柱體面組合）加工的。這里不擬就門類詳加討論，下面僅對一些常見常用和具有代表性的幾種數控復合加工機床作簡要介紹。

1. 鏜銑加工中心：以普通數控銑、鏜床為基礎，配以相應的刀庫和自動換刀裝置等功能部件及控制系統發展而成，如一般3軸聯動控制的立式、臥式和龍門式鏜銑型加工中心，圖1是美國哈斯公司生產的立式加工中心，它以加工棱柱體零件（含箱體、殼體和板塊件等）為主要對象，工件在其上一次裝夾后，通過機械手按加工程序從刀庫上選取并更換主軸上的刀具，便可對工件的水平面進行1-3維銑削加工，如銑平面、銑輪廓、銑型腔曲面，以及鉆孔、鏜孔、攻絲等加工工序。這是最常見常用、也是最普通的棱柱體加工用的數控復合加工機床，但這種機床的工藝能力有限，如工件的一次裝夾只能在垂直于主軸的一個面內進行加工，對箱體件上垂直于此面的其他平面則不能加工，更不能對工件上處于任意空間位置的平面進行加工。與此類似，3軸聯動的臥式加工中心雖然可以通過工作臺的轉位加工箱體件的4個側面，但卻不能加工箱體件的頂面。#p#分頁標題#e#
 

圖1 美國哈斯公司生產的立式加工中心

2. 五面加工和五軸聯動加工中心：為了克服普通鏜銑加工中心存在的上述工藝局限性，人們在以普通鏜銑加工中心為基礎，將原來固定指向的主軸頭換成可以立、臥自動轉換的主軸頭和采用可回轉分度的工作臺，這樣的機床就可以在工件一次裝夾的條件下，獲得5面（如箱體類工件）甚至更多面的加工能力，成為5面乃至多面加工中心。如果將普通鏜銑加工中心的主軸換成具有數控單擺（A或B軸）或雙擺（C和A或B軸）功能的電主軸，或在工作臺上配上具有C軸或C和B軸轉動功能的數控回轉工作臺，當然還有相應的5軸聯動控制的數控系統，則機床就發展成為五軸聯動的加工中心。圖2為米克朗公司生產的5軸聯動立式加工中心。其三個直線軸分配在主軸頭和工作臺上，兩個回轉軸則由回轉工作臺來完成。

圖2 米克朗公司的五軸聯動立式加工中心

5面或多面加工中心與普通加工中心的功能區別主要在于：它不僅能在直垂于主軸的平面內完成普通加工中心所能完成的全部加工工序，還能在與該平面相互垂直的其他平面（除工件的裝夾面外）內完成同樣的加工任務。而5軸聯動加工中心則既具有多面加工中心的全部加工功能和能力，還具有對工件上任意空間位置的表面（平面、斜面或曲面等）進行銑、鏜、鉆的加工的能力。所以它的工藝范圍更廣，能力更強。

.        車削中心：通常是以普通數控車床為基礎，配以一個或多個具有多刀位的轉塔刀架發展而成，加工對象主要是軸類和盤套類等回轉體零件。由于回轉體件中約有一半左右的零件，除主要需車削加工外，還需部分的銑削、鉆削和攻絲等加工，因此為了在一臺車床上一次裝夾便可對回轉體件進行全部或大部分的加工，車削中心的轉塔刀架上，除了裝有車削刀具外，還能裝上銑刀、鉆頭和絲錐等旋轉的動力刀具，而且機床主軸具有數控精確分度的C軸功能和C與Z軸或和C與X軸聯動的功能。這樣一臺車削中心不僅可以像普通數控車床那樣能對回轉體件的內外表面（含圓柱面、錐面、曲面等）、端面進行車削加工，還可以利用C-Z軸聯動功能車螺紋，利用C軸分度功能和刀架的X或Y軸控制以及其上的動力旋轉刀具進行偏離回轉體件中心線的鉆孔和銑削，從而大大地擴展了數控車床復合加工的能力。圖3是SPINNER公司車削中心。但是，對于單主軸的車削中心而言，無論其工藝能力如何擴大，也無法解決回轉體件一次裝夾下的背面（原裝夾端）二次加工問題，這正是單主軸車削中心存在的不足和開發新型車削中心的原因所在。

圖3 Spinner公司的車削中心

4. 雙主軸車削中心：為了克服單主軸車削中心存在的不足，機床的設計制造者采取了在單主軸車削中心的基礎上，增添一個與原主軸在軸線上對置的副主軸和一個多刀位的副轉塔刀架，使機床成為雙主軸雙刀架的車削中心（圖4）。正副兩主軸同步同向旋轉并都具有C軸控制的功能，副主軸還能沿軸向Z移動，以拾取在正主軸上完成右端加工的零件。副主軸拾取完工件退至適當位置后即由副刀架上的刀具對其左端（原夾持端）進行加工。正、副兩個刀架分別位于正、副主軸的上、下方，并可分別單獨編程工作，因此雙主軸、雙刀架車削中心就能對回轉體件實現一次裝夾完成全面加工。

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圖4 雙主軸車削中心

5. 車－銑復合加工中心和銑－車復合加工中心：前者多以單主軸或雙主軸的車削中心為基礎，將上轉塔刀架改為配有刀庫和換刀機構的電主軸銑頭而成，如日本山崎馬扎克公司生產的Integrex-IVST系列和德國DMG公司生產的GMX Linear系列（圖5）的車銑復合加工中心等，其電主軸銑頭既可沿X1、Z1軸移動，還有Y軸行程和B軸的轉動。后者——銑、車復合加工中心則多以五面或五軸聯動的銑鏜加工中心為基礎，并將旋轉工作臺換成轉速比普通轉臺高得多的力矩電機驅動的轉臺發展而成。無論是前者還是后者，兩者均同時具有數控車床和加工中心的功能，都是為了滿足既具有回轉體件特徵，又具有棱柱體件特徵的復雜形狀零件的加工需要而發展起來的。但值得一提的是：在銑－車復合加工中心上執行車削任務時，力矩電機驅動的轉臺將作為車床的工件主軸用，而原來作為銑削加工中心的銑頭主軸，現在則必須鎖住并裝上車刀作為車床的刀架用。由于多軸控制、五軸聯動的車－銑中心和銑－車中心既能完成各種車削工序，又能完成各種鉆、銑、鏜、攻絲等工序；不僅可分別加工回轉體件和棱柱體件，而且都特別適合加工形狀很復雜的混合體件，其工藝范圍之廣和能力之強，可謂是當今切削復合加工機床的佼佼者。

圖5 DMG公司的Linear系列車銑中心

6. 磨削中心：一般是以數控外圓磨床為基礎發展而成。為此通常采用了兩項主要的技術措施；（1）工件主軸改用具有C軸控制和鎖住功能的電主軸；（2）砂輪頭架采用雙滑臺和或具有B軸擺動功能的轉塔式砂輪頭架，以安裝2個以上的砂輪（如適于外圓和內圓磨削用的，適于端面磨削和成形磨削用的等），以滿足不同磨削工序的需要。由于數控外圓磨床一般都有控制工作臺左右移動的Z軸和砂輪頭架前后移動的X軸功能，這樣回轉體件在機床上一次裝夾后，便不僅可以磨削外圓、內圓、臺肩端面等，還可以利用工件軸的C軸控制功能在工件的外表面上磨削平面和多棱面；通過X軸和C軸的聯動控制磨削各種圓形表面和非圓形表面；通過C軸和Z軸的聯動控制磨削螺紋；利用砂輪頭架的B軸擺動磨削各種不同錐度的圓錐面等。圖6就是STUDER公司在以數控外圓磨床為基礎發展起來的磨削中心。

圖6 STUDER生產的磨削中心

7. 車－磨復合加工機床：一般是在現代數控車床應用的基礎上，為適應某些經淬硬的回轉體零件，如主軸、傳動齒輪和軸承環等盤套類零件的加工要求而發展起來的。為此通常在數控車床上配備了高速CBN砂輪磨削單元和相應的磨削測量與控制系統，如EMO 2005上Schaudt公司展出KAIROS車－磨復合加工中心（圖7.a）和EMAG公司展出的倒置式車－磨復合加工中心（圖7.b）就是例子。標準型的KAIROS機床一般配置2~3個滑臺，分別用來安裝高速磨削主軸頭和車、銑刀具的轉塔刀架。砂輪直徑Φ400mm，轉塔刀架有8個刀位，機床可用于車削和磨削長達1000mm的軸類零件。EMAG倒置式車－磨復合加工機床的主軸（帶工件）頭架在上方，作X和Z軸運動，主軸端的下方配有可安裝車刀和砂輪主軸的轉塔刀架，它們只作分度旋轉而不作移動，機床既能像普通數控車床一樣完成車削加工工序，也能像普通數控外圓磨床一樣完成磨削加工工序。主要用于淬硬的盤、套類零件加工。#p#分頁標題#e#

a） Schaudt的KAIROS車磨中心 b） EMAG的倒置式車磨中心

圖7 車—磨復合加工機床

除了上述門類和結構型式外，數控復合加工機床還有許許多多的其他門類和結構配置型式，在此就不一一介紹了。

數控復合加工機床的發展趨勢與方向

       從近年國內、外舉辦的國際性機床產品展覽會上所展出的數控機床新產品和有關的評論分析資料來看，數控復合加工機床的主要技術發展趨勢和方向，較集中的表現如下：

1. 繼續擴大單臺數控機床的復合加工能力。通過對工藝過程和工序的優化（如合并、簡化加工過程）、刀具結構的改進（如采用組合刀具、專門刀具等）減少工藝、工序及所需工具的數量；通過機床結構和配置的創新（如多軸控制的主軸頭、多刀位的轉塔式刀架和砂輪頭架等），增加機床的靈活度、刀具的儲備量和自動提供（更換）刀具的能力，從而提高機床復合加工的能力，使有更多的零件、更多的工藝的和工序都能在一臺機床上一次裝夾后來加工完成。例如現在不僅有了各種單一工藝的多工序復合加工機床，如車削中心、銑削中心、磨削中心、沖壓加工中心等，而且還有了車－銑復合、車－磨復合、車削－制齒復合乃至切削加工和激光加工復合、沖壓和鉆孔復合等多種工藝的多工序復合加工機床的出現和發展。日本MAZAK公司新近推出Integrex-Ⅲst和Integrex-Ⅳ st系列的雙主軸五聯動的車－銑復合加工機床，除了具有車削、銑削功能外，還具有曲軸加工、滾齒、內外圓磨削和激光淬火等加工功能。

2. 為了進一步提高生產率，特別是單臺復合加工機床的產出率，數控復合加工機床在向多主軸、多刀架、多工位的方向發展。如EMO-2005上Chiron公司的新產品DZ15KW，DZ18W，DZ12KS等都是雙主軸的加工中心；MAKINO公司的TWINFLEX MD為雙臥主軸或雙立主軸的加工中心，并各有換刀機械手；MAZAK的Integrex 300IV和德國STAMA的MC726/MT均為兩個車削主軸和一個銑削主軸的三主軸車－銑復合加工機床；德國INDEX公司的V160D為雙主軸、雙轉塔刀架的倒置式數控車床，可同時加工兩個相同的零件；日本NAKAMURA-TOME公司的Super NTY3為雙主軸，三轉塔刀架的車－銑加工中心，德國TRAUB公司的TNX80/65為雙主軸四轉塔刀架的車－銑中心等。這些機床之所以采用多主軸、多刀架的結構，除部分是出于加工工藝和工序的需要外，不少則是出于采用多主軸同時加工多個相同的零件和多刀架同時對同一零件進行多工序加工，可以在加工時間上相互重合，從而能成倍地提高復合加工機床單位時間內的產出成果。因為這些多主軸、多刀架的機床實質上是相當于兩臺或多臺相同的數控復合加工機床組合在一起，只是采用了共同的床身和由同一個數控系統進行控制罷了。不過這樣的一臺多主軸多刀架機床的成本要比多臺獨立的單主軸機床的總成本要便宜，所以在經濟上還是合算的。

圖8 Chiron的DZ15W雙主軸立式加工中心

3. 向大型的方向發展。因為復合加工的主軸優點之一是減少零件在多工序和多工藝加工過程中的多次重新安裝調整和夾緊的時間，由于大型零件一般多是結構復雜、要求加工的部位和工序較多、安裝定位也較費時費事的零件，所以采用數控機床進行復合加工比較有利。因此為了適應大型重型機械行業發展大型產品的加工需要，數控復合加工機床有向大型化發展的趨勢。如在CIMT-2005上，北京市機電院高技術有限公司展出的MC2000龍門式五面加工中心，工作臺面為1250mm×2200mm；秦川機床集團展出VTM-180雙柱立式車－銑中心，最大車削直徑為Φ2400mm。在JIMTOF-2004上，日本大隈公司展出的五軸聯動的動梁龍門加工中心工作臺面為2000mm×3000mm；德國瓦德里希?科堡公司新近推出的龍門式車銑復合加工中心，工作臺面寬度達4500mm～6500mm。今年CCMT-2006上，沈陽機床股份有限公司展出的Schiess VMG 1.28龍門立式車－銑復合加工機床最大車削直徑達Φ3200mm，車削高度2500mm；SSCKZ80/4000大型車削中心的加工直徑×長度＝Φ800mm×4000mm；桂林機床股份公司展出的XHZ2320/4-5軸龍門式加工中心，工作臺面為2000mm×4000mm；濟南二機床集團展出的五軸定梁式鏜銑加工中心，工作臺面亦為2000mm×4000mm等。這就足以說明數控復合加工機床大型化的發展趨勢了。 #p#分頁標題#e#

4. 向結構模塊化和功能可快速重組的方向發展。因為結構模塊化是數控復合加工機床快速發展的基礎，而數控復合加工機床的功能可快速重組則是其能快速響應市場需求，并能搶占市場的重要條件，因此國外許多有名的機床制造廠商早已為此而努力研發。事實上，一些技術先進的廠家（如瑞士的Mikron公司，美國的哈斯和哈梃公司，德國DMG，EMAG和TRAUB公司等）的許多產品都已實現結構模塊化的設計了，并正在向如何實現功能快速重組的方面努力。

結語：幾點看法和建議

        綜上所述，由于數控復合加工機床集多種工序乃至多種工藝于一身，工件一次裝夾后便可在其上完成全部或大部分加工，這不僅減少了工件的裝夾次數和許多非加工時間，提高了加工精度和效率，而且還減少了零件加工所需的設備臺數和生產廠房的占地面積，從而也減少了企業相關的人、財、物的投入，降低了生產成本，提高了企業的經濟效益，因此，數控復合加工機床肯定是數控機床和制造技術的重要發展方向之一。

       從理論上講，一臺數控機床所復合的加工工藝和工序愈多愈好，但實際上總是有限的。因為要受到具體所要復合的工藝和工序之間的相互關系和要求，以及實現復合加工在技術（含軟、硬件設計、實施）上的可能性和經濟上的合理性等諸多因素的制約。因此，在擴大數控復合加工機床的復合能力時，必須對所要復合的工藝和工序進行深入的技術和經濟方面的研究分析，切忌盲目地求大求全地擴大復合加工能力。

      就目前的技術水平而言，單一工藝（如車、銑、磨等）的多工序復合加工在經濟上比較合理，技術上也較易于實現，而跨工藝的多工序復合加工，除車銑（或銑車）復合、車磨復合的加工技術較成熟外，其他的多工藝多工序復合，如車削、激光加工復合；銑削、電火花加工復合；制齒工藝過程的全復合等，實施起來則還有一定的難度，主要是與工藝和工序變換過程中，所需刀具（或工具）如何自動交換和定位夾緊的結構設計問題有關，尚有待于進一步的研究與開發。

        為了加速我國數控復合加工機床的發展，建議首先應全面加強我國數控機床的發展，特別是高性能、高質量的數控機床功能部件（含數控系統）的研發；同時大力研究和開發適用于復合加工用的工藝模塊，如帶C軸功能的快速自動夾緊工件的車削主軸頭，具有C和B（或A）軸控制功能的快速更換與夾緊刀具的銑削主軸頭和砂輪頭架，用于非切削刀具（如磨削用的砂輪、激光加工頭、超聲波頭、各種測量頭等）的工具庫和自動更換裝置等。因為這些都是發展數控復合加工機床的基礎部件。

        數控復合加工機床雖說是在不同的類型的數控機床基礎上發展而來的，但好的數控復合加工機床絕不是、也不可能是由單臺不同工序或工藝的數控機床簡單地拼裝而成，而必須是在優化已有的傳統工藝工序過程和機床結構配置型式的基礎上創新開發出來的。所以，為了生產出具有我國自主知識產權的數控復合加工機床產品，必須加強對新工藝、新方法、新刀具和機床新部件結構的研發，即必須加強對機械制造技術的科技創新的投入，并有計劃、有組織地進行基礎技術與應用技術相結合的研究。只有這樣我們才有可能更好地發展我國的數控復合加工機床并將我國的機械制造技術提高到一個更新更高的水平。