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从“哈挺机床”看国外数控车床设计特点
2006年4月21日，由河南恒泰机床有限公司主办的“哈挺机床”走进中原技术交流会在河南省省会郑州举行，来自河南省内“哈挺机床”用户及企业代表会议50余人参加了会议，会上用户代表——河南航天压力器件有限公司相关负责人，及哈挺公司西安办事处王利华经理、汪洋经理等就哈挺公司的发展历史、产品分类、产品结构和设计特点进行了介绍，笔者作为企业技术人员及高校教师代表参加了此次交流会，对哈挺机床，特别是数控车床、车削中心产品结构特点进行了深入的了解和咨询，并将其整理成文，希望对国内机床行业技术人员及设备采购人员有所启迪。
    哈挺公司及产品分类
    哈挺公司成立于1890年，前身为哈挺兄弟公司，已有近116年的发展历史，目前总部位于美国纽约州，是响誉世界的国际知名机床生产商，在加拿大、英国、瑞士、台湾、上海等地均设有全资子公司，主要产品类型涵盖数控车床、车削中心、加工中心、坐标磨床、精密磨床以及工装夹具等，“哈挺机床”各类型产品以其一贯的高品质、高精度、高可靠性、高刚性的特点广泛应用于航空航天、汽车、模具、工具制造领域。在中国设有8个办事处，在上海设有产品展厅、培训中心、试切中心，可全方位对国内用户进行产品宣介、培训、技术咨询及技术指导。对数控车床而言，其产品精度分为两档，即高精密和超高精密。为确保每一台机床的精度和质量可靠性得到保障，哈挺机床工厂可靠性测试周期长达12个月，以充分保证每一台哈挺机床交付给用户时都具有高品质、高可靠性的特点。
    哈挺数控车床主要特点
    “哈挺机床”最初创建的时候，主要生产系列车床及数控车床、车削中心，经过百余年发展，其数控车床及车削中心产品品质在行业内具有显著代表性。目前哈挺数控车床主要包括QUEST、TALENT、ELITE三个系列，其中ELITE系列已经可以在上海有限公司组装制造。以QUEST系列为例，哈挺数控机床其主要结构特点主要包括以下几个方面：
    1.床身设计结构特点
    哈挺数控车床床身材料主要采用纯大理石、大理石或花岗岩填充、铸铁三种，相比较其它品牌机床而言，许多其它品牌数控车床铸铁床身存在空腔，在切削过程中，当切削到工件上砂眼、硬性夹杂等部位时，会产生局部断续切削，在强力切削超硬材料时，也会产生切削振动波，由于空腔部位不能阻止或消除振动波，随着这些振动波在床身上的延续，将会影响刀具切削的连续性，在工件表面产生微小的振纹，将对工件表面精度造成影响，通过采用大理石或花岗岩填充，可以有效消除切削过程中的有害振动波，消除工件表面振纹，从而提高工件表面加工精度30%左右，并可提高刀具耐用度37%。对于无填充的铸铁床身（主要用于ELITE系列）采用宽肋筋加强床身，进一步增强刚性和减振性。正是由于上述特点，使得哈挺数控车床床身与其它品牌同类型机床相比更重，刚性及消振性更好。
    2.主轴设计结构特点
    哈挺数控车主轴分为机械式主轴和电主轴两大类。其中机械式主轴为哈挺专利产品，其设计结构非常有特色。哈挺数控车采用的机械式主轴主要有五种结构，即弹簧夹头（工件全包容，夹持长度最短）、快换式夹头（大批量生产，在弹簧夹头之间，全部由橡胶垫填充，使杂质无法进入适配器，并适用于各种形状弹簧夹头结构）、台阶式卡盘（适合大直径零件装夹）、内涨式结构（主要用于薄壁零件，或以内孔为定位基准的零件）、三爪卡盘式。对于QUEST系列数控车床而言，多采用内置式弹簧夹头，对TALENT系列多采用三爪卡盘。哈挺数控车床主轴最高转速可达6000r/min，哈挺的内置式弹簧夹头带有内锥结构，如图1所示，与常见的通用机械式主轴结构（图2）相比，具有以下显著优点：

图1   哈挺数控车主轴结构

图2   其它数控车主轴结构
    （1）结构简单、快换方便
    从两图中对比可以看出，哈挺车床主轴由于带有内锥结构，哈挺车床主轴、卡盘、弹簧夹头都可以直接安装，无需过渡法兰。可以在几分钟内实现卡盘换装夹头，完成快速工件转换。
    （2）刚性好
    主轴结构设计使得工件夹持非常接近主轴轴承，由于夹持长度缩短，工件刚性好，提高了零件加工精度和表面粗糙度。
    （3）支撑点设计合理，散热性号
    哈挺机床改变了主轴的支撑点，将支撑点放在主轴中心线上，使主轴在上部和下部热量平衡，使热量尽量少的向床身蔓延，达到最有效的主轴热量释放。
    （4）免维护性好
    哈挺主轴为免维护主轴，它是一个整体结构，采用固体润滑形式，前端三列滚子轴承，后端两列球轴承，进一步增加了主轴的刚性，哈挺主轴带有吹气装置，每次装夹均有气体吹孔动作，防止切屑或杂质进入主轴。
    （5）精度较高
    主轴径向跳动精度及端面跳动精度误差均小于1μm，全行程定位精度达±0.005mm，全行程重复定位精度达±0.0025mm，圆度精度误差小于0.75μm，表面粗糙度可达0.2μm。对于超高精密型数控车床，主轴的径向跳动精度及端面跳动精度误差更是可达0.4μm
    正是由于哈挺主轴结构具有高精度伴随高刚性的特点，2005年，在北京国际机床展上，采用哈挺数控车床切削一毛坯直径为φ25 mm铝合金棒料，在机床转速为5000~6000r/min的情况下，采用一次进刀将其车为φ0.3mm，长度为70~80 mm的工件，在主轴高速旋转的情况下，单边切深达12.35 mm，而工件在加工过程中未出现弯曲、折断情况，充分说明了哈挺机床主轴高精度伴随高刚性的特点。
    3.刀塔结构设计
    哈挺数控车削中心均采用直立式刀塔，VDI结构，任意12个工位动力头安装（如图3所示），刀具回转定位精度1.27μm，动力头采用内置齿轮结构，动力头数量多，刀塔刚性好，适合车削中心高速、大进给量切削。而其它型号机床刀塔多采用外接齿轮式结构，动力头安装数量较少，只能跳位安装动力刀具。

图3   哈挺机床刀架
    4.丝杠与导轨设计
    与一般数控车床采用φ32 mm滚珠丝杠不同，哈挺数控车床全部采用直径为φ45 mm、精度等级为C2级双列四排滚珠丝杠，刚性和精度都非常好，满足了快速移动或快速切削时对机床刚性的要求，且传动精度较高。采用高刚性三排式线性滚动导轨，最大限度的满足强力切削时的刚性和传动精度要求。
    5.安全防撞装置
    哈挺数控车通过采用编程软限位、硬限位、扭矩保护器、撞击释放点等多种方式进行安全保护。主轴保护采用如下的方式：哈挺数控车床电机与丝杠之间均采用直联结构，在电机与丝杠之间带有扭矩保护器，当发生撞击时，在瞬间冲击力的作用下，使电机与丝杠脱开，保护机床。恢复时，只需通过操作简单按钮，即可恢复主轴功能。
    6.液压尾座
    哈挺数控车床采用全行程可编程尾座，尾座采用高刚性结构整体铸造成型，顶尖为MT4锥度，其特点是液压驱动，压力可调节，尾座具有“跟进”的特点，即使由于刀具或顶尖磨损，也可自动保持装夹刚性。尾座采用编码器定位编程，无套筒设计，实现最大刚性。由于采用了无套筒设计，不存在套筒磨损、配合精度等问题，可终身免于维护。其它一些品牌机床编程尾座要么只能控制套筒，要么采取刀架与尾座联动的方式，不能实现任意位置尾座编程。哈挺配置的尾座还可进行微量偏心调整。从而自动消除热处理后零件由于热变形而造成的零件形位精度误差和尺寸精度误差。
    采用全行程可编程尾座在实际加工中具有重要的意义，如加工一个直径φ8 mm长120 mm的典型细长轴零件，需要一次加工完成，必须采用一夹一顶的方式装夹零件，由于零件长度较长，即使套筒全部退回，也可能打不成中心孔，而哈挺尾座由于整个尾座可退回零点，因此可以退让出一定加工空间，使动力头能够完成打中心孔工序，然后就可采用顶尖顶紧工件中心孔，从而实现一次装夹加工细长轴类零件。

 图4   哈挺机床尾座图
    7润滑方式
    哈挺数控车床润滑方式与目前许多机床均不同，它全部采用油脂润滑结构，避免了一般机床采用导轨油润滑方式时，由于无导轨油回收装置使导轨油全部进入冷却液箱，这时导轨油会在冷却液上层凝聚成一层油膜，短期内将会使冷却液变质、发臭，即造成环境和空气污染，又降低冷却液的使用寿命。而哈挺冷却方式采用环保设计，操作方便，由于采用固体润滑脂，不存在导轨油污染冷却液的情况。每次加油时，只需要打开润滑系统上一个盖子，注入润滑脂即可，加油间隔时间为1000小时左右，延长了导轨油的使用寿命，使加油间隔时间和频率缩短，并减少了污染。
    8.控制系统
    哈挺数控车床控制系统标准配置采用FANUC21i和FANUC 0i系统，当选用机床带Y轴或副主轴时采用FANUC18i系统，双主轴、双C轴结构采用FANUC16i系统。由于与FANUC公司建立有“绿色通道”的良好合作关系，对于一些选项功能的配置如刚性攻丝、切削循环、宏程序编程在哈挺机床的控制系统中全部为标准项培置。哈挺控制面板的结构也非常独特，充分体现了人机工程学，操作面板可以调节角度，配备工具托槽，方便操作。
    9.对刀仪
    哈挺数控车床带有摆臂式对刀仪，可以在批量生产中，自动进行刀具磨损量补偿。
    10.高压冷却装置
    高压过刀塔冷却，冷却液压力值可达10Bar，可以使用各种水基、油基冷却液，对于特殊要求加工还可以选择20Bar选择附件，以加速切屑排除，实现深孔、小孔加工及不锈钢、耐热钢、钛合金等难加工材料的加工，并提升延长刀具使用寿命及加工精度。
    结语
    上述所述仅是哈挺数控车床的一些基本特点，但从中航洛阳613研究所于近日一次采购16台ELITE系列数控车床，用于航空器材高精密零件的加工，就可以充分说明哈挺数控车床的优良性能及高性价比，可以说哈挺数控车床的高精度伴随高刚性的特点给予国内机床行业技术人员和用户以耳目一新的感觉，也带来了许多数控车床设计理念的更新和应用的启示，这些设计和应用理念必将在国内机床设计和采购领域产生了重要的影响。