高效高速加工技術與裝備
現今，在制造業高速數控加工中（MC）機床已得到了極為廣泛的應用，并已成為現代數字化制造企業實現產品數字化制造的關鍵基礎裝備，是實現批量定制產品高效高速加工生產的核心設備。
高效高速加工（HEM-HSM）通常包含有兩方面的基本含義：
高金屬切除率
高效加工，就意味著要求數控機床應具有高金屬切除率，或者說要求數控機床主軸應能提供足夠高的切削加工能力。金屬切除率（mrr）定義為單位主軸運行時間內切削金屬材體積或重量，典型單位為cm3/min。
高加工零件產出率
高速加工，則意味著要求數控機床應具有高加工零件產出率。首先，這就要求數控機床加工零件運行中非切削輔助運行（非增值運行，主要包括換刀與空行程等）時間應盡可能短，或者說要求機床應具有高主軸運轉率（主軸運轉時間占零件加工周期時間的百分比）。其次，要求零件加工生產周期時間盡可能短，或者說要求機床應能提供高切削速度、高加工進給速度和高坐標運動加/減速度以及快速刀具交換能力。
為實現上述這兩個基本目標，數控機床設計師們在傳統高自動化數控MC機床基礎上，經過長期持續努力創新性地研發出高速電主軸、直線電機、高速滾珠絲杠、力矩電機、直驅式主軸擺角頭和直驅式數控轉臺等數控機床各種關鍵功能部件，并對傳統數控機床結構進行優化與創新，研制出了能夠實現高效切削加工與高加工零件產出率的新型高速數控加工機床，主要包括有：
高性能五坐標數控機床
通過集成更多的運動坐標軸，配置高功率、高轉矩、高速主軸在一臺高速數控MC機床上，并采用“一次裝夾完成全部加工” 工藝策略，實現高速粗精多工序加工、或與3/4/5坐標聯動、或與多面體多工序加工一次完成，或者說更多地使用高性能五坐標數控MC機床進行復雜產品零件的高效、高速加工。
多主軸高速數控機床
將多個主軸集成在一臺高速數控機床上以實現大幅度提升數控機床的總切削加工能力，以取得高零件加工產出率，這就是多主軸高速數控機床。多主軸高速數控機床主要包括多主軸高速數控加工中心（MSMC）機床和多主軸高速數控車削中心（MSTC）機床等。
高速復合數控加工機床
基于“一次裝夾完成全部加工”工藝策略，優化與創新傳統高速數控機床結構設計，實現將銑、車、鉆、鏜等多種不同加工工藝集成在一臺高速數控MC機床上實現復合化加工，這就是高速復合數控機床。
上述這幾類高速數控機床和普通高速數控機床相比具有更高的加工效率和加工零件產出率，可歸類于一種高效高速數控加工機床范疇。本文限于篇幅僅對其中多主軸數控加工中心（MSMC）機床相關技術進行介紹和討論。
多主軸數控MC機床
眾所周知，對普通數控加工機床（無論是數控MC機床，或是數控TC機床）通常都僅設計有一個主驅動裝置—主軸裝置。顧名思義，MSMC機床則是它設計有多個主軸。對MSMC機床來說，一般設計有2～6個主軸。制造業中應用最多的是為雙主軸的MSMC機床，其次為3/4主軸的MSMC機床。
實際上，在普通數控MC機床上，再增加1個、2個或更多的主軸，就可構成最初始的MSMC機床。因此，MSMC機床保持了普通數控MC機床的各種主要的先進功能特征，如自動刀具交換（ATC）、自動工件交換（AWC）和多坐標聯動加工等功能。同時，和普通數控機床一樣，MSMC機床可設計為立式結構、臥式結構、典型低軌動龍門結構，以及高架橋式動龍門結構等，見圖1。
圖1 若干不同結構的MSMC機床
應指出的是，MSMC機床概念并不是新近才提出的。在某些應用領域，多主軸數控機床已經存在好多年，而傳統多主軸機械車床的使用則有近百年歷史。在航宇制造業中，大型3主軸數控仿形銑床早就被推薦作為航宇工業標準，同時大型多主軸數控龍門型面銑床在航宇制造業中應用也已有較長年頭了。這些多主軸機床都是設計為可同時加工多個零件，能有效地提高數控機床加工效率與加工零件產出率。
但是，當時工業界對MSMC機床技術并沒有引起太多關注和足夠重視。直至最近20年間，隨著高速數控機床技術快速發展和廣泛工業應用，同時由于全球化巿場的變化，制造業產品生產方式更多轉向多品種、小批量、定制加工生產，傳統高自動化生產系統費用高，以及普通數控MC機床單機加工能力已趨向飽和，工業界開始重新關注MSMC機床技術，并在20世紀90年代中后期得到了快速發展和更多應用，特別在歐洲汽車制造業和液壓件行業領域。可以說，現代MSMC機床實際上是基于傳統高速數控MC機床技術為基礎的一種高加工生產率的專用型高速數控MC機床。表1給出的為若干數控機床制造商推出的商品化MSMC機床的主軸與坐標軸相關的基本速度參數，明顯呈現了高速數控MC機床的最基本特征。這就是說，在普通高速數控MC機床上再增加1、2個主軸，或更多主軸，則就可構成了現代MSMC機床（除非特別說明，后文所述的MSMC機床均指現代MSMC機床）。但是，MSMC機床和普通高速數控MC機床相比仍具有許多自己獨特的結構特征，其中最大的不同是為多主軸結構或與工件交換裝置的結構設計。
MSMC機床基本分類
目前，MSMC機床在汽車制造業、液壓件行業和航宇制造業領域中得到了較多實際應用，并還在日益擴展中。基于MSMC機床加工零件對象與加工批量不同，應用在汽車制造業和應用在航宇制造業的MSMC機床結構存在較大不同。但基本可分為兩大類型：普通型和大型MSMC機床。
普通型MSMC機床
應用于汽車制造業、液壓件行業領域的MSMC機床，其加工零件對象多為中小尺寸范圍的復雜菱形類結構件，諸如汽車發動機缸體、缸蓋、連桿、剎車構件等，多數需要進行空間孔系切削加工，需使用4～5坐標軸數控MC機床實現空間多面體分度定位加工，見圖2（a）。同時這類零件加工生產的批量通常很大，一般要求年產量能達數萬至數十萬件，已屬大批量加工生產范疇。零件大批量加工生產，相應刀具用量極大，一般要求配有大容量刀庫，并且對機床坐標運動速度、加減速度、快速工件裝夾、加卸載操作性以及刀具交換速度等都有較高要求，或者說這一類MSMC機床對速度和自動化水平均有極高要求。這是因為單個零件加工生產周期哪怕僅是減少1s，但對要求年產數十萬件的大批量加工生產而言卻具有重要意義。
圖2 使用MSMC機床加工的典型零件
目前，適合于大批量零件加工應用的MSMC機床多采用如圖1（a）與圖1（b）結構設計。為敘述方便，將這一類的多主軸機床稱為普通型或中小型MSMC機床。
大型MSMC機床
大型MSMC機床，主要是指應用于航宇制造業領域的MSMC機床，其加工零件對象多為大尺寸或超大尺寸范圍的復雜航宇整體結構件，諸如飛機梁、框、肋、壁板等構件，且多為帶筋薄壁復雜空間曲面零件，大多數須使用5坐標軸數控MC機床實現聯動加工復雜空間曲面輪廓，見圖2（b）。同時，這類零件加工生產，通常種類較多，批量典型為數十至數千，屬典型多品種小批量加工生產范疇。適合于這類零件加工應用的MSMC機床多采用如圖1（c）與圖1（d）結構設計，即為典型大型動龍門機床結構。基于航宇結構件切削加工時間通常較長，一般不特別要求配置有大容量刀庫，但多要求配置大功率、高轉矩、高速主軸，以適應大型航宇輕硬合金材整體結構件高金屬切除率的高效、高速加工工藝需求，mrr通常要比汽車制造業中應用的普通型MSMC機床的要高出許多。
此外，對MSMC機床來說，若按照其在實際生產應用中所允許采用的不同加工工藝方法，則還可被分為同步MSMC機床和柔性MSMC機床。
同步MSMC機床
所謂同步MSMC機床，是指在多個零件一次裝夾之后，MSMC機床的多個主軸能同時加工多個同樣的零件。通常，這一類MSMC機床的多個主軸驅動是和坐標運動捆綁在一起的，或者說多個主軸共享機床坐標軸運動指令數據，實現多主軸同步運行，因此被稱為同步MSMC機床。應注意的是，相對應的機床機械設計，驅動控制和加工編程技術等都應能適應這種基本運動控制要求。普通型MSMC機床多設計為同步MSMC機床。
柔性MSMC機床
所謂柔性MSMC機床，主要是指某些雙主軸結構的MSMC機床，其雙主軸既可實現同時加工兩個同樣的零件，又可采用交替加工同一個零件，或者加工兩個不同的零件。因呈現出較佳應用柔性，而被稱為柔性MSMC機床。通常，這一類MSMC機床的多個主軸驅動和其相應的坐標運動是設計為可獨立控制的。同樣，相對應的機床機械設計、驅動控制和加工編程技術等都應能適應這種基本運動控制要求。大型MSMC機床多設計為柔性MSMC機床。
MSMC機床總體結構
如前所述，MSMC機床是在傳統高速數控機床基礎上發展起來的，因此傳統高速數控機床基本設計概念在MSMC機床上得到較多繼承。但是，MSMC機床和普通高速數控MC機床相比，由于多主軸同時切削加工多個零件，因而機床高剛性和低熱膨脹結構設計是極為關鍵的。
為獲得MSMC機床高靜動態剛性，普通型MSMC機床總體結構多采用整體框架式箱中箱結構設計技術，并且一般都將X、Y、Z正交三直線運動集成在主軸刀具側，而旋轉運動集成在工件側，使加工切削力合理地分配到主軸側與工件側，并盡可能直接通過整體框架床身結構或整體床身基礎框架結構吸收消散，見圖3。
圖3 整體框架式箱中箱結構
圖3（a）所示為德國SW公司推出的BA系列MSMC機床，可作為整體框架結構設計的典型實例。從圖3（a）可清晰看出，BA系列機床采用立體整體框架式箱形床身結構設計，即將構成機床的梁、柱和基礎床身連成一體形成一個高剛性的整體箱形結構，突破了傳統數控MC機床的床身-立柱-橫梁式結構設計。SW公司BA系列機床整體框架承載有擺橋式旋轉工作臺和配置有2/4個主軸并采用了箱中箱結構設計的X、Y、Z坐標軸運動構件，在有限封閉空間內結構極為緊湊，實現了主軸刀具和工作臺間的最優動力傳遞，提高了機床靜動態剛性，改善了加工精度和工藝可靠性。據SW公司宣稱，采用這種專利整體框架式設計技術，該公司的BA 400系列MSMC機床靜剛度已達7,582kg/mm（7.58 kg/μm），接近傳統單主軸數控MC機床先進水平。
圖3（b）所示為美國AFLING公司AL系列MSMC機床，也是采用了整體框架式結構設計，可作為整體框架結構設計的另一典型實例。但和SW公司BA系列機床不同的是，其擺橋式旋轉工作臺被設計為獨立的模塊選件，用戶可根據實際需求配置固定式的工作臺、單軸（A）或多軸（n×B/A n×B）的擺橋式旋轉工作臺。
實際上，從圖3已可明顯看出，普通型MSMC機床基本上都采用了由正交三軸高速數控機床的床身 單軸或雙軸擺橋式旋轉工作臺結構的設計方案。目前，絕大多數用于汽車制造業與液壓件行業的MSMC機床，制造商們都采用了整體框架式箱中箱結構床身、上置大容量刀庫和擺橋式旋轉工作臺的設計方案，如德國的Grob公司G系列、Licon公司LiFLEXII系列以及意大利Riello公司的MC2/MC4系列等MSMC機床都采用了相類似的結構設計技術，各具特色。
多主軸結構設計
如前所述，MSMC機床的多主軸通常是和所有的坐標軸運動捆綁在一起，特別是用于大批量零件加工生產的普通型MSMC機床。在一般情況下，MSMC機床多主軸間距（主軸中心線間距離）被設計為固定的，主軸間距將取決于被加工零件的尺寸范圍，常見的有200～1,000mm不等，通常主軸越多，其間距就越小。同步MSMC機床的多主軸被設計為同步工作，共享各坐標軸運動以同時加工多個同樣的零件。
大多數MSMC機床的多主軸驅動都設計為可獨立控制的，僅少數被設計為主從式，一個主驅動主軸，其余為從動主軸，每個主軸不能單獨控制與移動，這類MSMC機床主要為專用于多主軸同時進行鉆削加工應用場合而設計的。同時，考慮到實際應用中刀具初始位置準確定位調整，MSMC機床的多主軸一般僅允許一個主軸Z軸向可設計為固定不能調整，其余主軸Z向軸套都應設計成可手動或自動調節的。
圖4 MC2雙主軸數控MC機床
一般地說，無論立式結構，還是臥式結構的MSMC機床，其多個主軸通常設計為左右排列結構，見圖1～圖2。但也有被設計成上下排列結構的。如意大利 Riello（利雅路）機床公司的MC2雙主軸數控MC機床，其雙主軸就采用了上下排列結構設計，見圖4。利雅路公司MC2機床是面向鋁合金、鋼和鑄鐵材等中小型零件變批量 (5～20萬件/年)加工生產而設計的，機床采用帶加強筋的整體框架式結構設計，具有較高的靜動態剛性。主軸最大功率24kW，轉速12,000r/min，機床坐標進給速度指標可參閱表1。雙主軸間距320mm。主軸套可沿Z軸運動，兩個刀庫設計在同一側，也被設計為上下排列結構，換刀速度僅1s（C-to-C）。工件托盤和工作臺可在立柱上實現上下運動（Y軸）和B軸旋轉運動，而X軸運動為立柱側在床身上的移動。X、Y、Z行程為500×400（720）×520mm，定位精度為X、Y、Z：0.008mm，B：5弧度秒。機床采用三點支撐設計，無需特殊地基而且占地面積小，使得機床的整體運輸裝配和在車間的移位都非常方便。
應用于航宇制造業的大型MSMC機床，絕大多數都采用典型動龍門床身結構與立式多主軸左右并列結構，見圖1（c）與（d）。瑞士StarragHeckert（斯達拉格海科特）技術公司新推出的用于加工大型鈦合金材構件的數控型面銑床（Big Titanium Profiler ）BTP5000，為雙主軸大型五坐標MSMC機床，X坐標軸行程可達5,000mm，其雙主軸為臥式，采用了上下排列結構設計，見圖5。該MSMC機床重達200t，采用高剛性框架結構設計，為適應硬合金材料高效切削，使用機械齒輪傳動式主軸，單個主軸功率37kW，扭矩940Nm，最高轉速8,000r/min；X、Y、A、C 4個坐標軸運動集成在主軸刀具側，僅Z軸運動集成在工件側，具有高靜動態剛性，并可提高低頻顫震阻尼能力，可配有450把大容量模塊化刀庫和雙換刀機械手，換刀可同時在雙主軸上進行。據報道，該MSMC機床加工鈦合金Ti 6Al4V時金屬切除率mrr達754cm3/min，加工鈦合金Ti5553時mrr已達295cm3/min。由于其主軸采用臥式結構設計，因而加工排屑效果優于典型動龍門結構的大型MSMC機床立式主軸結構。
圖5 BTP5000臥式雙主軸五坐標數控MC機床
至此，已介紹的MSMC機床，無論其多主軸是設計為左右排列，還是設計為上下排列，均為臥式結構或立式結構。德國Witzig & Frank有限公司推出的Twinflex MD四主軸、雙工作站的五坐標數控MC機床，則采用了多立臥式主軸相結合的結構設計，即一對主軸為臥式并列結構，一對主軸為立式并列結構，見圖6。
圖6 立臥式結合的四主軸數控MC機床
Twinflex MD多軸數控MC機床每對主軸間距400mm，主軸功率26kW，最高轉度15,000r/min，刀具換刀機械手設計在每對主軸相應的兩側。每個工作站由可獨立驅動控制的擺橋式旋轉工作臺組成，每個工作站都可實現五面體加工，允許兩個工作站同時加工，或交替加工。X、Y、Z直線坐標軸行程450×450×500mm，采用直線電機驅動，快速移動速度可達100m/min。該MSMC機床主要面向多品種、中批量，且需多面體加工的零件。由于采用雙工作站結構設計，加工切削與工件裝卸可同時進行，從而可減少機床空閑時間，大大提高了零件加工生產率。
應該指出的是，目前MSMC機床多主軸概念和結構設計技術仍在持續發展之中，出現了一些具有創新性的新型MSMC機床。圖7所示的為Emag LLC公司開發的一種新型多主軸數控加工機床可作為一典型實例。該機床創新性地綜合了傳統組合加工機床和高速數控MC機床的特點，采用了整體框架式結構設計技術，多主軸刀具按零件加工需要設計在框架體的上下左右的邊框固定板上，不設置自動刀具交換裝置，節省了輔助換刀時間與相應的輔助機構，并可使用動力刀具或復合刀具，實現多工序一次加工。應用可進行X、Y、Z直線坐標軸與旋轉坐標軸（4軸）、并帶有液壓夾緊裝置的高速移動的工件裝夾運動平臺，采用“工件找刀具”的控制策略實現零件高效高速切削加工，通常可在1s內實現加工變換（C-to-C）。這種新型多主軸數控加工機床主要面向汽車制造業諸如底盤拉桿、齒輪箱體、箱蓋等須進行多面體加工的中小型復雜結構件的高效、高速、大批量加工生產。
圖7 Emag LLC公司新型多主軸數控加工機床
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