浅谈大、重型数控机床对大型和超大型工件的加工

肖志华

引言：众所周知，大型和超大型工件的特点是尺寸大，尺寸从几米到几十米不等；重量很重，重量从几吨、几十吨到几百吨，这就要求机床具有足够的刚度和承载能力，要有足够的空间容纳工件，还要有足够的驱动和切削功率，加工刀具也要有相应的切削能力和寿命。所以，必须攻克这一整套的装备和技术才能完成这些大型、超大型零件的加工任务。 国外在研发用于加工大型和超大型零件的设备方面的成果较多，进展也比我们快，特色机床更多，技术水平更高。下面，有选择地简介几个欧洲企业加工有代表性的大型和超大型工件的方法和加工设备情况。

一、超大规格传动装置壳体的加工

在为制造船舶和风电设备等应用的大型齿轮传动装置壳体所提供的加工设备方面，德国Renk公司的声誉较好。他们制造了重达100吨、传递扭矩达350 kNm的标准系列的传动装置。由于传动齿轮是每个传动装置的核心部件，Renk公司自己生产齿轮。传动装置的壳体由上、下壳体两部分组成，而壳体本身就重达20吨，壳体也是自己加工制造。

为这项任务，Renk公司用了2台能加工的工件尺寸9m×3.8m×2m的大型加工中心，既承担平面铣削加工，还要预加工轴承孔，从粗加工到精整尺寸以及全部的孔加工。用这种方式，Renk节省很多准备时间。加工时间是一个重要因素，所以要充分利用好机床的生产能力。每台大型加工中心最近7年的平均使用时间有4，700h。加工一个传动装置的上、下壳体要花费30至50小时，因此，能节省每一分钟都是值得的。

要提高加工超大型工件的效率，除了机床本身的性能好以外，切削性能良好的刀具也很重要。20多年来，Renk公司一直应用山高（SECO）刀具公司的刀具。在大型机床上应用了SECO公司的Double Octomill面铣刀，这个具有16个刀片的面铣刀，可提供的直径从63mm至500mm不等。大功率可转位刀片适合对各种不同材料的大型零件进行粗加工和精整加工。考虑到应用的灵活性，由高速钢（HSS）制成的中间夹紧孔和导向杆保证在大进给量时，16个可转位刀片都能很好的精确定位，每个刀片显示的成本都很低。Double Octomill面铣刀能以很高的速度进行切削加工，同时也降低了刀具成本。

二、直径达8，000mm环形零件的加工

近年来，在风力设备上特别需要应用环形零件；塔形结构件需要的法兰连接也需要直径8，000 mm的环形零件；同样，缆车吊箱和转子叶片最佳定位必需的大型旋转联接机构也少不了大型环形件。可是要找一台高生产率的加工大型环形零件的专用机床并不容易。由于实际市场容量并不大，人们往往只能选用一些现有的龙门结构的立车或立式铣削中心来加工。而西班牙的Ibarmia公司提出了一整套加工大型环形零件的特殊解决方案。因为很多用户都需要包括钻孔、铣削和车削等加工大型环形件的全套加工方案。下面就简介一下他们的方案。

Ibarmia公司把环形件安装在机床转台上，呈准确的自然水平位置进行加工，这样便于分度，可以用回转头或角镗头一个接一个地进行卧式孔加工。该公司制造高精度转台，用合适的同步电机直接驱动，并按需要选用滚动轴承转台或静压转台，这两种转台，都是通过1个高质量的大齿轮和2个小齿轮驱动，转台还配备一个通过海德汉的RCN空心轴同步发送机工作的直接测量系统，用于精确的回转控制。近20年来，Ibarmia公司开发了一系列适合用户需要，并满足不同工件夹紧的各种手动或自动定心的夹紧装置，其中就有灵活的快速找正的夹爪和支架。

Ibarmia公司还集成一个包括刀具监控和管理的先进的控制系统。除了可以无人化生产外，需要时还能诊断刀具破损或工件损坏引起机床停机的时间。

用可转位刀片的镗刀，在已知孔深的情况下，还要求用高压冷却液内冷却刀具。这不仅是散热必需的，而且也是借高压冷却液排出切屑的重要手段，以保证所要求的加工精度和质量。冷却液泵是用压力为20巴到60巴可调的电泵。为了防止高压冷却液流出和切屑伤人，加工空间密封是必要的。切屑和冷却液通过两级净化处理。

Ibarmia的动立柱机床可标准配置SV系列的立式主轴头或SVK系列的立/卧自动转换主轴头。一个尺寸规格大的支柱，在转台一侧从外向内移动，可加工不同直径的环形零件。把强有力的主轴头安置在支柱前面进行孔加工。而配置SVK自動主轴头的方案，可进行立式和卧式孔加工，这对于一次装卡就能完成各种孔加工和其他加工来说是比较理想的配置。

机床还可以配置两个加工单元，同时对工件进行加工。如FVV系列机床就配置两个立式主轴单元；FVK系列机床配置一个立式主轴单元和一个可用于立/卧加工的立/卧自动转换主轴单元；而FKK系列机床则带两个用于立/卧加工的立/卧自动转换主轴单元。在加工不对称孔的情况下，或者需要铣削加工时，机床可以用一个带有另一控制轴的十字滑座来扩展机床的功能。

就机床结构而言，认为龙门式结构较好，加工几乎不受限制。所以他们开发了P系列和G系列不同龙门结构机床。P系列龙门结构机床可加工小直径至很大直径的环形件。转台位于横梁中间下方，横梁上可选配一个或两个可移动的立式主轴加工单元，并可同时用两个立式主轴加工单元加工，效率更高。如需卧式加工，则可按需要选配不同角度的镗头或卧式主轴头。在G系列龙门结构机床上，工件的径向定位不通过转台，而应用独有的线性轴，包括立柱在内的龙门架沿长度方向运动进行定位，其巨大的优点是除可加工大型环形件外，还可加工大型平板件。

三、大规格超精密机床DIXI 210

DMG森精机研发的产品中，大规格超精密机床DIXI 210当属目前世界上独有的最新、规格最大、技术水平最高的超精密加工机床。它结合了瑞士的精密加工传统以及手工技艺和德国工程技术人员认真的制造工艺。这是一台高档的龙门结构机床，制造的很完美。为了达到尽可能高的刚性和稳定性，龙门结构采用3点支撑，即用3个由GGG60材料制成的铸件块来支撑。这为在强力铣削加工时达到最好的精密度和尽可能大的功率值奠定了基础。数据表示，用DIXI 210超精密机床，只要多一点夹紧，就可以加工直径达2，500 mm、高1，250 mm以及最重8，000 kg的工件，既可以高效率进行粗加工，也可以高动态（0.6g）、快速进给（60mm/min）进行精整加工，体积精度<35μm。主轴采用不同的大功率电主轴，最大功率为114 kW。同样也可以选用1，550 Nm和最高转速6，300 r/min的电机驱动主轴。这么大的机床，精密度是真正的拿手技艺，只有通过有经验的DIXI员工的手工刮研500多小时后，才能达到精密度规定的接触面平整度、直线度和垂直度的要求，在所有直线坐标和回转坐标的共同高精度作用下，最终才能在工件上达到最小的形位误差。

用户在以后的使用过程中不丢失精度，其中之一是要注意控制所有发热部件的冷却问题。此外，机床安装后要全部进行三维尺寸的测量，有时还要进行精确的调整，既要注意局部的热膨胀，也要关注空间精度和环境温度梯度。

总之，世界主要机床制造大国，大、重型机床创新成果很多，中国机床工快速发展中，大、重型机床的成果也很突出。以上介绍涉及的大型和超大型工件的加工设备，中国的机床工业几乎都能提供。近年来，中国风电工业的强劲发展以及航空、航天和国防军工技术的发展成果，都是很好的例证。我想，现在中国机床行业完全有能力解决这类零件的加工问题。

（作者单位：国营九六三一厂）