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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)綜述） 第 6 頁(yè)
組合機(jī)床
摘要：本文介紹了組合機(jī)床的概念、發(fā)展歷史、組成、發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)等內(nèi)容。通過(guò)這些對(duì)組合機(jī)床有一個(gè)大致的了解，為設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。
關(guān)鍵詞：組合機(jī)床
1. 前言
組合機(jī)床是以通用部件為基礎(chǔ)，配以按工件特定外形和加工工藝設(shè)計(jì)的專(zhuān)用部件和夾具，組成的半自動(dòng)或自動(dòng)專(zhuān)用機(jī)床。
組合機(jī)床一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時(shí)加工的方式，生產(chǎn)效率比通用機(jī)床高幾倍至幾十倍。由于通用部件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，可根據(jù)需要靈活配置，能縮短設(shè)計(jì)和制造周期。因此，組合機(jī)床兼有低成本和高效率的優(yōu)點(diǎn)，在大批、大量生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，并可用以組成自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)。
組合機(jī)床一般用于加工箱體類(lèi)或非凡外形的零件。加工時(shí)，工件一般不旋轉(zhuǎn)，由工具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和刀具與工件的相對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆孔、擴(kuò)孔、锪孔、鉸孔、鏜孔、銑削平面、切削內(nèi)外螺紋以及加工外圓和端面等。有的組合機(jī)床采用車(chē)削頭夾持工件使之旋轉(zhuǎn)，由刀具作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，也可實(shí)現(xiàn)某些回轉(zhuǎn)體類(lèi)零件（如飛輪、汽車(chē)后橋半軸等）的外圓和端面加工。[1]
2. 組合機(jī)床發(fā)展歷史
專(zhuān)用機(jī)床是隨著汽車(chē)工業(yè)的興起而發(fā)展起來(lái)的。在專(zhuān)用機(jī)床中某些部件因重復(fù)使用，逐步發(fā)展成為通用部件，因而產(chǎn)生了組合機(jī)床。
最早的組合機(jī)床是1908年美國(guó)福特汽車(chē)公司制成的，用于加工汽車(chē)零件。1928年，前蘇聯(lián)開(kāi)始生產(chǎn)組合機(jī)床。我國(guó)的組合機(jī)床制造技術(shù)是從“一五”計(jì)劃期間，“一汽”、“洛拖”引進(jìn)組合機(jī)床開(kāi)始的。1956年3月，當(dāng)時(shí)的第一機(jī)械工業(yè)部第二機(jī)器管理局批準(zhǔn)了第一專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)處（即線(xiàn)大連組合機(jī)床研究所的前身，）全面引進(jìn)了前蘇聯(lián)的組合機(jī)床通用部件和設(shè)計(jì)指導(dǎo)資料，開(kāi)始了我國(guó)組合機(jī)床的創(chuàng)業(yè)階段，并于同年在大連機(jī)床廠(chǎng)制造出我國(guó)的第一臺(tái)組合機(jī)床。1961年，又制造出我國(guó)第一條組合機(jī)床自動(dòng)線(xiàn)。組合機(jī)床設(shè)計(jì)制造從“一廠(chǎng)一所”起步發(fā)展到如今一個(gè)獨(dú)立的配套齊全的行業(yè)。
我國(guó)組合機(jī)床制造技術(shù)的發(fā)展大體經(jīng)歷以下四個(gè)階段：
（1） 引進(jìn)消化，開(kāi)創(chuàng)我國(guó)組合機(jī)床技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系；
（2） 普及組合機(jī)床技術(shù)，發(fā)展形成行業(yè)；
（3） 組織科技攻關(guān)，努力提高組合機(jī)床技術(shù)水平；
（4） 柔性制造技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了組合機(jī)床傳統(tǒng)制造技術(shù)的轉(zhuǎn)變。[2]
3. 組合機(jī)床的組成
初期，各機(jī)床制造廠(chǎng)都有各自的通用部件標(biāo)準(zhǔn)。為了提高不同制造廠(chǎng)的通用部件的互換性，便于用戶(hù)使用和維修，1953年美國(guó)福特汽車(chē)公司和通用汽車(chē)公司與美國(guó)機(jī)床制造廠(chǎng)協(xié)商，確定了組合機(jī)床通用部件標(biāo)準(zhǔn)化的原則，即嚴(yán)格規(guī)定各部件間的聯(lián)系尺寸，但對(duì)部件結(jié)構(gòu)未作規(guī)定。
通用部件按功能可分為動(dòng)力部件、支撐部件、輸送部件、控制部件和輔助部件五類(lèi)。動(dòng)力部件是為組合機(jī)床提供主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的部件。主要有動(dòng)力箱、切削頭和動(dòng)力滑臺(tái)。
支撐部件是用以安裝動(dòng)力滑臺(tái)、帶有進(jìn)給機(jī)構(gòu)的切削頭或夾具等的部件，有側(cè)底座、中間底座、支架、可調(diào)支架、立柱和立柱底座等。
輸送部件是用以輸送工件或主軸箱至加工工位的部件，主要有分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、環(huán)形分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、分度鼓輪和往復(fù)移動(dòng)工作臺(tái)等。
控制部件是用以控制機(jī)床的自動(dòng)工作循環(huán)的部件，有液壓站、電氣柜和操縱臺(tái)等。輔助部件有潤(rùn)滑裝置、冷卻裝置和排屑裝置等。[3]
為了使組合機(jī)床能在中小批量生產(chǎn)中得到應(yīng)用，往往需要應(yīng)用成組技術(shù)，把結(jié)構(gòu)和工藝相似的零件集中在一臺(tái)組合機(jī)床上加工，以提高機(jī)床的利用率。這類(lèi)機(jī)床常見(jiàn)的有兩種，可換主軸箱式組合機(jī)床和轉(zhuǎn)臺(tái)式組合機(jī)床。[4]
4. 組合機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)
在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，先進(jìn)組合機(jī)床的生產(chǎn)技術(shù)亦日新月異，主要有以下發(fā)展趨勢(shì)：
（1）組合機(jī)床品種的發(fā)展重點(diǎn)
在組合機(jī)床這類(lèi)專(zhuān)用機(jī)床用，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)占有很重要的地位。因?yàn)檫@兩類(lèi)機(jī)床可以把工件的許多加工工序分配到多個(gè)加工工位上，并同時(shí)能從多個(gè)方向?qū)ぜ膸讉€(gè)面進(jìn)行加工，此外，還可以通過(guò)轉(zhuǎn)位夾具（在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)機(jī)床上）或通過(guò)轉(zhuǎn)位、翻轉(zhuǎn)裝置（在自動(dòng)線(xiàn)上）實(shí)現(xiàn)工件的五面加工或全部加工，因而具有很高的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，被汽車(chē)、摩托車(chē)和壓縮機(jī)等工業(yè)部門(mén)所采用。
根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，德國(guó)在1990～1992年期間，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)的產(chǎn)量約各占組合機(jī)床總數(shù)的50%左右。
應(yīng)指出，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床實(shí)際上是一種特殊型式的小型自動(dòng)線(xiàn)，適合于加工輪廓尺寸≤250mm的中小件。與自動(dòng)線(xiàn)相比，在加工同一種工件的情況下，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床所占作業(yè)面積要比自動(dòng)線(xiàn)約小2/3。[5]
（2）自動(dòng)線(xiàn)節(jié)拍時(shí)間進(jìn)一步縮短
目前，以大批量生產(chǎn)為特征的轎車(chē)和輕型載貨車(chē)，其自動(dòng)機(jī)的年產(chǎn)量通常為60萬(wàn)臺(tái)左右，實(shí)現(xiàn)這樣大的批量生產(chǎn)，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)在三班運(yùn)行的情況下，其節(jié)拍時(shí)間一般為20～30秒，當(dāng)零件生產(chǎn)批量更大時(shí)，機(jī)床的節(jié)拍時(shí)間還要更短些。在70年代，自動(dòng)線(xiàn)要實(shí)現(xiàn)這樣短的節(jié)拍，往往要采用并列的雙工位或設(shè)置雙線(xiàn)的辦法，即對(duì)決定自動(dòng)線(xiàn)節(jié)拍的、工序時(shí)間最長(zhǎng)的加工工序要通過(guò)并聯(lián)兩個(gè)相同的加工工位，如果限制性工序較多時(shí)，則通過(guò)采用兩條相同的自動(dòng)線(xiàn)來(lái)平衡自動(dòng)線(xiàn)系統(tǒng)的加工節(jié)拍。顯然，這樣就要增加設(shè)備投資和作業(yè)面積。
縮短基本時(shí)間的主要途徑是采用新的刀具材料和新穎刀具，以通過(guò)提高切削速度和進(jìn)給速度來(lái)縮短基本時(shí)間?？s短輔助時(shí)間主要是縮短包括工件輸送、加工模塊快速引進(jìn)以及加工模塊由快進(jìn)轉(zhuǎn)換為工進(jìn)后至刀具切入工件所花的時(shí)間。為縮短這部分空行程時(shí)間，普遍采用提高工件（工件直接輸送）或隨行夾具的輸送速度和加工模塊的快速移動(dòng)速度。[6]
（3）組合機(jī)床柔性化進(jìn)展迅速
十多年來(lái)，作為組合機(jī)床重要用戶(hù)的汽車(chē)工業(yè)，為迎合人們個(gè)性化需求，汽車(chē)變型品種日益增多，以多品種展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)已成為汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的特點(diǎn)之一，這使組合機(jī)床制造業(yè)面臨著變型多品種生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)多品種生產(chǎn)，傳統(tǒng)以加工單一品種的剛性組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)必須提高其柔性。在70年代，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性有了很大的提高，故到70年代末和80年代初，像Alfing、Huller-Hille和Ex-cell-o等公司相繼開(kāi)發(fā)出數(shù)控加工模塊和柔性自動(dòng)線(xiàn)（FTL），從此數(shù)控組合機(jī)床和柔性自動(dòng)線(xiàn)逐年增多。在1988年至1992年間，日本組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)（包括部分其他形式的專(zhuān)用機(jī)床）產(chǎn)量的數(shù)控化率已達(dá)32%～39%，產(chǎn)值數(shù)控化率達(dá)35%～51%；德國(guó)組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)產(chǎn)量的數(shù)控化率為18%～62%，產(chǎn)值數(shù)控化率達(dá)45%～66%。這些數(shù)字表明，近十年來(lái)，組合機(jī)床的數(shù)控化發(fā)展是十分迅速的。應(yīng)指出，進(jìn)入90年代以來(lái)，汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更趨激烈，產(chǎn)品市場(chǎng)壽命進(jìn)一步縮短，新車(chē)型的開(kāi)發(fā)周期日益縮短（目前一般為35個(gè)月），汽車(chē)品種不斷增多，因而汽車(chē)工業(yè)對(duì)柔性自動(dòng)化技術(shù)裝備的需求量日益增多。如日本豐田汽車(chē)公司，在本世紀(jì)末的目標(biāo)是公司下屬工廠(chǎng)的柔性化生產(chǎn)效率的條件下，進(jìn)一步提高其柔性就愈來(lái)愈具有重要意義。[7]
（4）加工精度日益提高
二十世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著可轉(zhuǎn)位刀具、密齒銑刀、鏜孔尺寸自動(dòng)檢測(cè)和刀具自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，組合機(jī)床的加工精度也有所提高。銑削平面的平面度可達(dá)0.05毫米/1000毫米，表面粗糙度可低達(dá)2.5～0.63微米；鏜孔精度可達(dá)IT7～6級(jí)，孔距精度可達(dá)0.03～0.02微米。
特別自80年代中期以來(lái)，汽車(chē)制造業(yè)為增強(qiáng)其汽車(chē)的競(jìng)爭(zhēng)力，不斷地加嚴(yán)其發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵件的制造公差，并通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量和分析方法，以及通過(guò)設(shè)備能力檢驗(yàn)來(lái)提高其產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，在驗(yàn)收組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)時(shí)，已普遍要求設(shè)備的工序能力系數(shù)要大于1.33，有的甚至要求工序能力系數(shù)要大于1.67，以便確保穩(wěn)定的加工精度。應(yīng)指出，采用Cp≥1.33來(lái)驗(yàn)收設(shè)備，這實(shí)際上是加嚴(yán)了工件的制造公差，即工件的實(shí)際加工公差僅為工件給定公差的1/3～1/2，這無(wú)疑是對(duì)組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)提出了更高的要求。組合機(jī)床制造廠(chǎng)為了滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)工件加工精度的高要求，除了進(jìn)一步提高主軸部件、鏜桿、夾具（包括鏜模）的精度，采用新的專(zhuān)用刀具，優(yōu)化切削工藝過(guò)程，采用刀具尺寸測(cè)量控制系統(tǒng)和控制機(jī)床及工件的熱變形等一系列措施外，目前，空心工具（HSK）和過(guò)程統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制（SPC）的應(yīng)用已成為自動(dòng)線(xiàn)提高和監(jiān)控加工精度的新的重要技術(shù)手段。
空心刀具錐柄是一種采用徑向（錐面）和軸向（端面）雙向定位的新穎工具，其優(yōu)點(diǎn)是具有較高的抗彎剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和很高的重復(fù)精度。在機(jī)床上采用空心錐柄的鏜刀，就可使用預(yù)調(diào)的刀具加工出IT7/IT6精密孔。SPC是基于工序能力的用于監(jiān)控工件加工質(zhì)量的一種方法。目前，在自動(dòng)線(xiàn)上這種質(zhì)量保證系統(tǒng)愈來(lái)愈多地被用來(lái)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的加工質(zhì)量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。[8]
（5）綜合自動(dòng)化程度日益提高
近十年來(lái)，為進(jìn)一步提高工件的加工精度和減少工件在生產(chǎn)過(guò)程中的中間儲(chǔ)存、搬運(yùn)以及縮短生產(chǎn)流程時(shí)間，將工件加工流程中的一些非切削加工工序（如工序間的清洗、測(cè)量、裝配和試漏等）集成到自動(dòng)線(xiàn)或自動(dòng)線(xiàn)組成的生產(chǎn)系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)工件加工、表面處理、測(cè)量和裝配等工序的綜合自動(dòng)化。
（6）自動(dòng)線(xiàn)可靠性和利用率不斷改善和提高
自動(dòng)線(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性只有在其進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)的情況下才有可能實(shí)現(xiàn)。為提高自動(dòng)線(xiàn)加工過(guò)程的可靠性、利用率和工件的加工質(zhì)量，目前在自動(dòng)線(xiàn)上愈來(lái)愈多的采用過(guò)程監(jiān)控，快速進(jìn)行故障診斷和早期預(yù)報(bào)加工偏差，使操作人員和維修人員能及時(shí)地進(jìn)行干預(yù)，以縮短設(shè)備調(diào)試周期、減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間和避免加工質(zhì)量偏差。
顯然，提高自動(dòng)線(xiàn)的利用率和工件加工質(zhì)量是生產(chǎn)控制和監(jiān)控的主要目的。
從目前自動(dòng)線(xiàn)生產(chǎn)控制和監(jiān)控的內(nèi)容看，生產(chǎn)控制和監(jiān)控系統(tǒng)基本上是由質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)線(xiàn)運(yùn)行控制與監(jiān)控系統(tǒng)和刀具監(jiān)控系統(tǒng)這幾個(gè)部分組成的。[9]
近年來(lái)，質(zhì)量監(jiān)控已日益成為現(xiàn)代自動(dòng)線(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控的重要一環(huán)。這主要是由于汽車(chē)工業(yè)不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的緣故。各汽車(chē)制造廠(chǎng)普遍要求將零件的設(shè)計(jì)公差帶壓縮1/3～1/2作為工序公差，對(duì)機(jī)床能力系數(shù)提出了很高的要求。為此，自動(dòng)線(xiàn)制造廠(chǎng)為確保設(shè)備具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量，已日益重視應(yīng)用SPC對(duì)自動(dòng)線(xiàn)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，對(duì)加工質(zhì)量偏差的趨向進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，以便把工件的加工公差始終控制在預(yù)定的范圍內(nèi)。
現(xiàn)代自動(dòng)線(xiàn)的過(guò)程控制和監(jiān)控不僅包含對(duì)變得愈來(lái)愈復(fù)雜的自動(dòng)線(xiàn)的過(guò)程控制和對(duì)所有終點(diǎn)開(kāi)關(guān)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)、節(jié)拍時(shí)間、冷卻和潤(rùn)滑液的供給以及液壓、氣動(dòng)功能等進(jìn)行監(jiān)控和診斷，而且還包括對(duì)刀具耐用度、設(shè)備維修間隔和工件計(jì)數(shù)進(jìn)行管理，并通過(guò)一些直觀的過(guò)程圖形顯示、操作指引、故障報(bào)警和診斷指示，使操作人員更便于監(jiān)控整個(gè)自動(dòng)線(xiàn)的生產(chǎn)過(guò)程。[10]
（7）其他技術(shù)的應(yīng)用動(dòng)向
在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的組合機(jī)床行業(yè)中，下列技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用。
組合機(jī)床設(shè)計(jì)普及CAD技術(shù)：
在國(guó)外許多公司中，組合機(jī)床設(shè)計(jì)已普遍采用CAD工作站。在設(shè)計(jì)室?guī)缀鹾茈y見(jiàn)到傳統(tǒng)的繪圖板。CAD除應(yīng)用于繪圖工作外，并在構(gòu)件的剛度分析（有限元方法）、組合機(jī)床及自動(dòng)線(xiàn)設(shè)計(jì)方案比較和選擇，以及方案報(bào)價(jià)等方面均已得到廣泛應(yīng)用，從而顯著地提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和縮短了設(shè)計(jì)周期。加之國(guó)外許多公司在組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)組成模塊方面的系列化和通用化程度很高（一般達(dá)90%以上），使組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)的交貨期進(jìn)一步縮短。[11]
推行并行工程：
近十年來(lái)，為縮短汽車(chē)開(kāi)發(fā)周期、降低制造費(fèi)用和提高產(chǎn)品質(zhì)量，世界上許多汽車(chē)廠(chǎng)都在積極推行日本豐田汽車(chē)公司首創(chuàng)的精益生產(chǎn)方式（Lean Production））。旨在從整體優(yōu)化的觀點(diǎn)合理配置和利用企業(yè)擁有的生產(chǎn)要素，以達(dá)到高速、高效、高質(zhì)量和低成本地開(kāi)發(fā)制造汽車(chē)，促使企業(yè)獲得更高的綜合效益。[12]
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