宝美和威力铭对比

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这些零件特点是形状复杂、材料坚韧,而棒料车铣复合加工中心正是加工此类零件的理想工艺装备。其关键则在於,机床经两次装夹後可对小型精密零件进行第六面加工。在这一领域,研究得较为深入的是瑞士、德囯和日本等囯的一些机床制造企业。
精密医疗器材加工的独特之处
为什麽说车铣复合中心是这些零件的理想工艺装备呢?回答这个问题之前,首先要了解精密医疗零件的特点所在。
就金切机床而言,自上世纪90年代奥地利WFL公司发明车铣复合加工中心以来,该技术红火得不可收拾。
日本马扎克(MAZAK)提出的口号是“Done in one”,即在一台机床上要完成所有的工艺加工。德国埃马克(EMAG)公司首创的倒立加工中心,将轻型回转体零件一下子就可完成铣、车、镗、铰乃至滚、磨等多工序复合加工。德国RODERS公司将高速铣削与激光堆焊结合在一起,以完成模具的修复工作。在中国,北一机、渖阳机床、大连机床、秦川机床、青海机床等制造企业,也都根据零件的工艺要求,先後开发出铣车、车铣、车磨、铣磨等不同品种的复合加工机床。
在机床业界,如何完成六面体零件的全自动加工,一直是一个备受关注的课题。
然而在当前条件下,由於装夹平面的限制,夹紧至少需两次。随着工业机器人的出现,我们可以通过机械手,将尚未完成全部加工的中型零件提起来、翻个身之後继续加工,或是将其安置在另一台机床上加工。但是,铣车复合加工中心的诞生,已经使得轻型类棒材零件的自动六面加工成为可能。
这个塔座还具备U轴功能,纵向正常工作进给是立柱沿X轴完成,但塔座的定位、接料、退位等就由U轴完成。所以这是一种快速、稳定的进给新方式,旨在提高零件的加工精度。
508MT还带有一个螺纹旋削加工装置,可安装在铣主轴锥面上,就像滚齿机那样加工。外螺纹刀放置於零件的非中心点,它环绕工件高速旋转,而工件则反向低速旋转。螺旋升角由铣头B轴回转而成,螺纹切深由数控系统径向插补而成。
机床铣主轴转速达30000rpm,功率10kW;两根车主轴6000rpm;XYZ三向行程450×200 ×424mm,U轴行程300mm。
复合加工技术正成为金属加工业主攻方向
综观当今数控机床的发展趋势,复合加工是发展势头很猛的一个方面,它不仅表现在金切方面,成形和电加工也有很多创新,甚至将激光与超声波加工等先进工艺方式也包涵进来了。
2.瑞士Wellimin-Macodal
瑞士威力铭-马科黛尔(Wellimin-Macodal)公司展出的508MT八轴铣车复合加工中心,是该公司在中国首次推出的棒料全自动高效机床(图8)。
图8 Wellimin-Macodal的棒料全自动高效机床
这台机床有两项专利技术值得关注。机床右侧的副主轴,是个可绕Y轴回转的多功能塔座,中间是副主轴,左边是自动定心虎钳,右边是尾架。副主轴可接正主轴传来的棒料後将其夹紧,随後继续加工;液压自定心虎钳将是专为工件做第六面加工的;尾架是当加工细长轴零件时,由顶尖插进工件的中心孔,以防加工时挠曲变形。这种三工位塔座使得机床工艺适应范围更广,同时也增强了刚性。
图7 BUMOTEC展出的S-191Linear复合加工中心
机床的布局为紧凑型斜床身结构,床身材料为整体高强度抗振铸铁。卧式安置的两根车床主轴相对装於床身的正面,左面是固定的正主轴,右侧为副主轴,它可沿45°斜面进行立卧转换,这两根正副车主轴均具有C轴回转功能,同时副主轴又可沿床身左右运动,为了将其区分於Z轴运动,故把它命名为W轴运动。
图1 W508MT的结构图由图1可知,这是台立柱能沿Y向前後运动的动柱式立加,同时铣头可作-15°~+100°的B轴摆动,整个立柱与下方滑台作纵向X运动,由右端红色伺服电机驱动;左端是车削的正主轴,棒料通过主轴通孔由液压棒料输送装置送到指定位置,夹紧後对零件前端进行五面铣车加工,加工完成後就由位於机床前方的车削背主轴装置完成第六面加工(图2)。
最後,由於要全自动完成零件加工,俗称是六面加工,那麽零件的第二次装夹也就自然而然地成了加工的关键所在。
车铣复合中心:胜任棒材零件的多工序自动加工
制造商所研发的产品争奇斗艳,设计各有巧妙,下面举些车铣复合中心的实例,来剖析这类机床的奥妙所在。
瑞士宝美技术(BUMOTEC)公司研发的S-191Linear车、铣、插、磨复合中心就是典型的加工棒料六面体零件的高效机床。其为7轴5联动,布局为紧凑型斜床身结构,床身材料采用整体高强度抗振铸铁。
图2背主轴塔座
2/c就是虎钳转工位後,用卡爪将零件夹紧,然後铣头用铣刀将零件切断,继而夹具再转90°,使夹紧的零件端部朝上,由铣主轴对其作第六面加工。加工完成後卡爪就将零件松开落下,或者由机械手接住送到料仓。
这个背主轴装置是威力铭-马科黛尔公司的专利发明,也是六面加工的关键部件。它是一个可绕Y轴回转的三工位多功能塔座,2/a显示出塔座全貌,其中间是车削副主轴,也称背主轴,左边是自动定心虎钳,右边是车削尾架。2/b则是背主轴接正主轴传来的棒料後将其夹紧,随後两个车主轴同步回转,由割刀将其切断,继而对背主轴所夹工件的端部进行第六面加工。那麽,若遇到正主轴所装夹的棒料已作端面加工,并且呈方形或扁状怎麽办?这时,就需要用液压自定心虎钳对此工件夹紧并作第六面加工。
图2 W508MT的实物加工图
这个背主轴装置是威力铭-马科黛尔公司的专利发明,它是个可绕Y轴回转的多功能塔座,由三部分组成。中间是车削副主轴,左边是自动定心虎钳,右边则是尾架。副主轴的功能是接正主轴传来的棒料後将其夹紧;液压自定心虎钳将对工件作第六面加工;当加工细长轴零件时,由尾架顶进工件右端,以防挠曲变形。这种三工位塔座使得机床工艺适应范围更广,同时也增强了其整体刚性。
棒材零件多工序自动加工
瑞士威力铭-马科黛尔(WelleminБайду номын сангаасMacodel)公司专业生产多轴联动加工中心,其推出的W508MT铣车复合加工中心,是棒材零件多工序自动加工的一个范例。这是一台斜楔式床身型车铣复合加工中心,图1为其结构图。
为了更清楚地说明其运动方式,我们还是先回顾一下《ISO 841:2001》中,国际上对数控机床坐标轴运动方向的命名。在直角坐标体系内,任何一台数控机床,无论是车、铣、磨、钻等,其主轴轴线规定命名为Z,而其余两个直线轴方向就是X和Y。那麽围绕这X、Y、Z转动的三个回转轴,就称为A、B、C。而在平行於X、Y、Z三个直线轴的方向上运动的其他直线轴,则称之为U、V、W。
另一家瑞士企业威力铭-马科黛尔(Wellimin-Macodal)公司,也是一家专业生产多轴联动加工中心的制造商,其推出的W508MT铣车复合加工中心,同样能看成是棒材零件多工序自动加工的一个典范。
W508MT是一台斜楔式床身型车铣复合加工中心,为立柱能沿Y向前後运动的动柱式立加,然而铣头可作B轴摆动,整个立柱与下方滑台作纵向X运动,由右端伺服电机驱动;左端是车削的正主轴,棒料通过正主轴通孔由液压棒料输送装置送到指定位置,夹紧後对零件前端进行五轴铣车加工,随後的加工就由位於机床前方的背主轴装置完成了。
首先,这类精密的小零件大多是小批量、多品种加工,取材一般为棒材,故自动送料的棒料数控车床乃是首选的工装对象,而且最好有正、副两根主轴——因为正主轴尚需将未加工完毕的零件送到副主轴继续加工。
其次,由於零件均是形状不规则的异形件,仅仅靠回转车削加工是不够的,所以还得多工序换刀予以铣削,故而铣头能作B轴转摆的立式加工中心成了数控车床的工艺补充。
棒料由正主轴通孔自动送入,机床就对棒料露出的端部作车、铣加工。由於机床的两根主轴可同步旋转,故零件加工中棒料可自动从正主轴送入副主轴,随後切断一分为二。副主轴是六面加工的关键装置,它接过正主轴传来的零件,即可从水平位置转90°至垂直向上位置,让铣主轴加工露出的零件端部。
垂直设置的铣头主轴由於可绕B轴回转90°,同时铣头的主轴箱本身能作上下、前後、左右运动。因此,它既可铣削正主轴装夹零件所露出的零件右端部位,又可铣削副主轴所装夹後露出的左端部位,鉴於上述功能,机床的两根车削主轴经二次装夹後,可对零件作六面加工。
这个塔座还具备U轴功能,纵向正常工作进给由X轴完成,但塔座的定位、接料、退位等就由U轴完成。这是一种快速、稳定的进给新方式,旨在提高零件的加工精度。
W508MT还带有一个螺纹旋削加工装置,可安装在铣主轴锥面上,就像滚齿机那般加工。值得一提的还有,这款复合加工中心的盘式刀库也颇具特色,它不同於普通立加的斗笠式刀库,而是分上、下两层,能装48把刀。
当割刀将零件一切为二後,就对夹在副主轴上的工件尾部车铣加工,待副主轴上的零件全部加工结束,夹头松开将工件卸下。接下来机床又对正主轴上的零件端部切削,新一轮加工就这样周而复始地进行下去。
机床配备电主轴,铣主轴转速为30000rpm,功率5/9kW,两根车主轴转速均为5500rpm,功率7.5/15kW,机床的进给速度为50m/min,由直线电机驱动,加速度1.2g。
众所周知,产品的多品种、少批量以及零部件的日趋复杂,使得高效加工高精度零部件成为机床业界的重要主攻方向,复合加工机床也因其能通过两次装夹实现在一台机床上完成从毛坯至成品的全部加工,而倍受青睐。
具体而言,复合加工这种多工序加工工艺的优点在於,能省去多次装夹的定位时间及辅助时间,也大幅减少了因多次定位所造成的误差积累,从而使工件可达到更高的精度要求;同时,由於复合加工机床可替代多台传统机床,这不仅能减少在车间的占地面积,也省却了中间仓库和半成品堆放场地,使得管理工作量大大降低,故而既减少了投资,又降低了成本。
展望
人类总是不断在发展与前进,医疗器械当然同样如此。记得20多年前,二军大长征医院赵定麟教授曾请我画过一个连接脊椎的记忆金属片,而今此物已被椎弓钩取代,其强度也不知扩大了多少倍,手术亦相当简单安全,这就是技术进步造福人类的一个例子。
还需指出的是,以往骨科、齿科植入件,是富人的专利。然而病痛是不分穷富的,因此对中国这个发展中的人口大国来说,此类精密零件的需求非常大,故多轴联动车铣复合加工中心的市场面应该很广,它的进一步普及应用势必给人类健康带来福音。
据统计,在过去几年中,中国骨科设备市场经历了迅速增长,增幅高达14-16%。其中,膝关节植入占据整个骨科设备市场份额的50%,位列第一;而外伤及髋关节手术设备则平分另外半壁江山。目前,中国骨科设备市场的赠书趋於平缓,但据估测,仍将保持8%左右的增速。
宝美和威力铭的对比
1.瑞士BUMOTEC
棒材的车铣复合六面加工,是当今医疗器材行业及航天航空领域所急需的工艺装备,在这次展会中也很吸引观众。但这种加工方式,工件装夹需要两次,一般由正副两根车削主轴相辅而成的。瑞士宝美技术公司BUMOTEC展出的S-191Linear车、铣、插、磨复合中心,堪称加工棒料六面体零件的高效机床(图7)。
床身的斜面上安装一个滑台,滑台沿床身导轨作左右Z向直线运动;安置在滑台上的立柱,可前後作Y向运动;而安装在立柱上的装刀主轴箱,则可上下作X向运动。该装刀主轴还具有B轴回转动能,能作-30°∼+115°连续回转。
其加工过程为,当棒料从左面的正主轴通孔传入後,机床就对零件的端部进行加工,加工完毕後就由副主轴沿W轴伸过去接工件第二次夹紧,随後两根主轴一起同步回转。nextpage
车铣复合中心加工精密医疗零件大有可为
作为工作母机的机床工业,是一切制造业的基础,随着社会进步与技术的不断创新,数控机床在医疗领域的运用也日渐宽广。近一段时间来,多轴联动的车铣复合中心机床在精密医疗器材制造领域的表现可圈可点,便是一个明证。
目前,多轴联动数控机床加工的精密医疗器材零件,主要是骨科植入件(椎弓钩、骨钢板、骨螺钉、髋臼球等)与齿科植入件(种植体基台、义齿模型等),当然还有心脏起博器零件、血液透析器零件等等。
图1瑞士宝美技术(BUMOTEC)公司研发的S-191Linear车、铣、插、磨复合中心
鉴於医疗器械零件的材质坚硬,故而机床刚性一定要强,正是考虑到这些关键要素,瑞士宝美公司采用有限元设计,并多次进行整机强度校验,令机床在加工中游刃有余。
卧式安置的两根车床主轴相对装於床身的正面,左面是固定的正主轴,右侧为副主轴,它可沿45°斜面进行立卧转换,并可绕X轴进行A向回转,同时又可作W轴的左右移动。
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