核心提示：近年來，隨著航空航天、大型船舶和艦船制造、采礦及新能源等工業的快速發展，對大型和超大型工件的需求日益增多。作為基礎工業的機床制造業，為滿足這類零件的加工需要，也不斷努力開發了一批新的機床設備。
　　前幾年中國機床市場對大型機床需求旺盛時，中國機床企業開發了一批龍門式或橋式數控鏜銑床和數控車銑復合加工中心等大、重型機床。其中規格比較大的有齊齊哈爾一廠、二廠的立車，二廠的鏜桿直徑320mm數控鏜銑中心和重型數控車床，上海機床廠的扎輥磨床、武漢重型機床廠早年的16米立車等等，市場的需求，推動并加快了中國大、重型機床的發展，發展成果顯著。

　　眾所周知，大型和超大型工件的特點是尺寸大，尺寸從幾米到幾十米不等；重量很重，重量從幾噸、幾十噸到幾百噸，這就要求機床具有足夠的剛度和承載能力，要有足夠的空間容納工件，還要有足夠的驅動和切削功率，加工刀具也要有相應的切削能力和壽命。所以，必須攻克這一整套的裝備和技術才能完成這些大型、超大型零件的加工任務。

　　國外在研發用于加工大型和超大型零件的設備方面的成果較多，進展也比我們快，特色機床更多，技術水平更高。下面，從德國《WB》雜志報道的相關信息中，有選擇地簡介幾個歐洲企業加工有代表性的大型和超大型工件的方法和加工設備情況，僅供業界參考。

　　超大規格傳動裝置殼體的加工

　　在為制造船舶和風電設備等應用的大型齒輪傳動裝置殼體所提供的加工設備方面，德國Renk公司的聲譽較好。他們制造了重達100噸、傳遞扭矩達350 kNm的標準系列的傳動裝置。由于傳動齒輪是每個傳動裝置的核心部件，Renk公司自己生產齒輪。傳動裝置的殼體由上、下殼體兩部分組成，而殼體本身就重達20噸，殼體也是自己加工制造。

 
Renk公司加工的重達20噸的傳動裝置下殼體示例

　　為這項任務，Renk公司用了2臺能加工的工件尺寸為9m×3.8m×2m的大型加工中心，既承擔平面銑削加工，還要預加工軸承孔，從粗加工到精整尺寸以及全部的孔加工。用這種方式，Renk節省很多準備時間。加工時間是一個重要因素，所以要充分利用好機床的生產能力。每臺大型加工中心最近7年的平均使用時間有4,700h。加工一個傳動裝置的上、下殼體要花費30至50小時，因此，能節省每一分鐘都是值得的。

　　要提高加工超大型工件的效率，除了機床本身的性能好以外，切削性能良好的刀具也很重要。20多年來，Renk公司一直應用山高（SECO）刀具公司的刀具。在大型機床上應用了SECO公司的Double Octomill面銑刀，這個具有16個刀片的面銑刀，可提供的直徑從63mm至500mm不等。大功率可轉位刀片適合對各種不同材料的大型零件進行粗加工和精整加工。考慮到應用的靈活性，由高速鋼（HSS）制成的中間夾緊孔和導向桿保證在大進給量時，16個可轉位刀片都能很好的精確定位，每個刀片顯示的成本都很低。Double Octomill面銑刀能以很高的速度進行切削加工，同時也降低了刀具成本。

　　用這把刀具在鑄鐵箱體上進行的實際切削對比試驗證明，加工大型鑄鐵箱體件的效果很好。刀片材料有很好的耐磨鍍層，適合于高速切削加工。切削速度提高到350m/min時，功率指示表總是處于綠色區域。從振動和噪聲的情況看，這個刀具可達到更高的切削速度，作為對比，這里用的切削速度是215m/min。

　　試驗記錄表明，刀刃與工件的嚙合時間減少了一半多，即由25.86min減為11.78min.，同時，切削量由1,209 cm3/min提高到2,268 cm3/min。對用戶而言，加工速度的提高或切削效率的提高的直接好處是能明顯降低加工成本。

　　對比試驗的另一個結果是，用以前的刀具加工，每個刀片只能加工半個工件，而用SECO的Double Octomill面銑刀，每把刀可加工5個工件。顯然，刀具壽命提高了10倍。由此可見，Renk公司用他們的大型機床配備SECO的Double Octomill面銑刀的加工方案是成功的。

　　直徑達8,000mm環形零件的加工

　　成長強勁的能源工業部門，近年來，在風力設備上特別需要應用環形零件；塔形結構件需要的法蘭連接也需要直徑8,000 mm的環形零件；同樣，纜車吊箱和轉子葉片最佳定位必需的大型旋轉聯接機構也少不了大型環形件。可是要找一臺高生產率的加工大型環形零件的專用機床并不容易。由于實際市場容量并不大，人們往往只能選用一些現有的龍門結構的立車或立式銑削中心來加工。而西班牙的Ibarmia公司提出了一整套加工大型環形零件的特殊解決方案。因為很多用戶都需要包括鉆孔、銑削和車削等加工大型環形件的全套加工方案。下面就簡介一下他們的方案。

西班牙Ibarmia公司切削加工一個直徑6,500mm的環形件的一種加工方案

　　Ibarmia公司把環形件安裝在機床轉臺上，呈準確的自然水平位置進行加工，這樣便于分度，可以用回轉頭或角鏜頭一個接一個地進行臥式孔加工。該公司制造高精度轉臺，用合適的同步電機直接驅動，并按需要選用滾動軸承轉臺或靜壓轉臺，這兩種轉臺，都是通過1個高質量的大齒輪和2個小齒輪驅動，轉臺還配備一個通過海德漢的RCN空心軸同步發送機工作的直接測量系統，用于精確的回轉控制。近20年來，Ibarmia公司開發了一系列適合用戶需要，并滿足不同工件夾緊的各種手動或自動定心的夾緊裝置，其中就有靈活的快速找正的夾爪和支架。

　　Ibarmia公司還集成一個包括刀具監控和管理的先進的控制系統。除了可以無人化生產外，需要時還能診斷刀具破損或工件損壞引起機床停機的時間。

　　用可轉位刀片的鏜刀，在已知孔深的情況下，還要求用高壓冷卻液內冷卻刀具。這不僅是散熱必需的，而且也是借高壓冷卻液排出切屑的重要手段，以保證所要求的加工精度和質量。冷卻液泵是用壓力為20巴到60巴可調的電泵。為了防止高壓冷卻液流出和切屑傷人，加工空間密封是必要的。切屑和冷卻液通過兩級凈化處理。

　　Ibarmia的動立柱機床可標準配置SV系列的立式主軸頭或SVK系列的立/臥自動轉換主軸頭。一個尺寸規格大的支柱，在轉臺一側從外向內移動，可加工不同直徑的環形零件。把強有力的主軸頭安置在支柱前面進行孔加工。而配置SVK自動主軸頭的方案，可進行立式和臥式孔加工，這對于一次裝卡就能完成各種孔加工和其他加工來說是比較理想的配置。

　　機床還可以配置兩個加工單元，同時對工件進行加工。如FVV系列機床就配置兩個立式主軸單元；FVK系列機床配置一個立式主軸單元和一個可用于立/臥加工的立/臥自動轉換主軸單元；而FKK系列機床則帶兩個用于立/臥加工的立/臥自動轉換主軸單元。在加工不對稱孔的情況下，或者需要銑削加工時，機床可以用一個帶有另一控制軸的十字滑座來擴展機床的功能。

　　就機床結構而言，認為龍門式結構較好，加工幾乎不受限制。所以他們開發了P系列和G系列不同龍門結構機床。P系列龍門結構機床可加工小直徑至很大直徑的環形件。轉臺位于橫梁中間下方，橫梁上可選配一個或兩個可移動的立式主軸加工單元，并可同時用兩個立式主軸加工單元加工，效率更高。如需臥式加工，則可按需要選配不同角度的鏜頭或臥式主軸頭。在G系列龍門結構機床上，工件的徑向定位不通過轉臺，而應用獨有的線性軸，包括立柱在內的龍門架沿長度方向運動進行定位，其巨大的優點是除可加工大型環形件外，還可加工大型平板件。

　　2011年新開發了一種專用于加工環形件的大型立車系列，在巨大的床身上裝有一個靜壓轉臺，驅動功率為350 kW，可加工直徑3,500mm以上的的工件，而且多種加工可在一臺機床上完成。

　　其實中國齊齊哈爾機床一廠和二廠生產的大型數控立車或數控立式車/銑加工中心都可加工環形類零件。武漢重型機床廠早年就生產了16m立車，滿足了中國建設需要。這種大直徑環形類零件平放在立車的工作臺上，找正并卡緊后就可加工。也許國產機床的性能和加工效率還有待進一步改善和提高。

　　大型圓柱類和圓筒類零件的內部加工

　　大家知道，在普通車床上可以用單邊夾緊的鏜桿加工內輪廓和直徑，在組合了振動阻尼結構后，也能實現大長徑比（L/D）零件的有效加工。傳統的加工方案表明，由于單邊夾緊和在大管道內部加工時，刀具缺少支撐，發現在這種情況下，正是這個長徑比（L/D）成了制約加工的重要因素。

　　德國的Rottler機床制造公司與用戶和技術合作伙伴一起，根據加工任務的要求，并優先考慮用戶的生產條件，研究機床的結構方案和加工可行性。20多年來，應用新技術開發了各種用于圓柱孔和襯套輪廓及大型管件的內部加工和桿件材料的鏜孔與擴孔的機床。

　　ABD結構系列的孔加工機床是為在工件上組合加工直徑2000 mm和長15000 mm的圓柱孔而開發的。在機床上用刀具固定和工件轉動的方式進行加工。在迄今為止的機床上，穩定性和孔加工能力受限于回轉中心到床身間的距離，中心架與床身聯接不穩定、進給力通過不利的杠桿比傳遞到孔加工刀具上也是不可忽視的因素。為克服這些缺點，Rottler的ABD系列機床增加了一個上床身。這樣，上床身部件可使中心架和回轉支架的結構形式更緊湊，加工工件的外直徑也大了。增加的成本可通過提高進給速度得到補償。加工使用的新刀頭裝了新的可轉位刀片，在加工內孔時，由專用的導板導引。

　　由于能傳遞300 kN的進給力和400 kW的驅動功率，使切屑厚度可達70mm，并為可轉位刀片的標準路勁和鉆孔長度設定切削參數，使之不用換刀就能完成一次切削加工。用乳化液作為刀具和導向板的冷卻潤滑劑。

　　用臨界阻尼的靜壓導軌和一個在基座上的由4個滑枕滾柱支架組成的輔助支撐是考慮鉆孔時突出的穩定性問題。由于剛度高，就不需要用動力鏜桿導向支撐來加工導向孔或打中心孔了。在加工偏心孔時，對支架穩定性的影響很大，導致支架在基座上的固定聯接松動，并要通過在床身上移動主軸箱來適應不同長度的工件加工。由此產生了一種全新的重型機床設計，這個系列的機床可以加工外直徑達5,000 mm和長度達25,000 mm的工件。

　　基于加工造紙機用的軋輥和滾筒等復雜的內輪廓對機床提出的特殊要求，Rottler公司開發了一種便于攜帶的專用車削加工單元，它也能適合現有的平床身車床，形成了Tabo結構系列鉆鏜床和便攜式加工單元，加工范圍覆蓋內直徑1,200 mm、長12,000 mm的軋輥、滾筒和圓柱體類工件，能按需要自由編程加工它們的內輪廓。

用于實體直接鉆孔700mm直徑的Botek typ 43型深孔加工刀具

　　以后又在ABD結構系列部件基礎上，開發了TFB結構系列深孔加工機床，用于加工直徑150 mm至1,800 mm和長度達15,000 mm的工件。這種TFB機床適合用BTA深孔加工方式（即用高壓切削液使切屑從空心鉆桿內排出的方式）或Ejector方式（即用高壓氣體使切屑從空心鉆桿內排出的方式）進行孔加工。用TFB結構系列機床也能以工件和刀具都同時回轉的方式進行孔加工，由此會使加工的孔獲得盡可能高的同軸度。

　　后來，又因大型專用油缸制造商Hilfrich公司提出的要在短期內能用圓柱材料加工直徑700 mm的鏜孔要求，Rottler公司大約經過15個月研發制造，世界上第一臺用實體鉆孔的方法鉆削直徑700 mm的深空加工機床2012年已交付用戶使用了。經過兩個驅動單元最大產生200 kN的進給力。按計劃的加工任務要求，在4級主軸箱上的驅動功率308 kW，而在刀具上的2級驅動功率為130 kW。用于直徑700 mm實體鉆孔的深孔加工刀具如所示。

　　通過強力夾緊的主軸，經由4個夾爪的機床花盤把最大132,000 Nm的扭矩傳遞到工件上，4個刀具支架和3個工件支架分別支撐著鉆桿和工件。

　　必要的備件有鉆孔供油裝置、鉆桿和鉆頭等。不同的鉆孔直徑需要相應直徑的鉆頭和鉆桿，用工件轉動和刀具固定的方式實體鉆削?700 mm的孔，需要290 kW的驅動功率，每小時加工的切屑有1,900 kg，同時要用切削冷卻油通過鉆桿和鉆頭直接噴向切削刃，以冷卻刀具和排除切屑。可見，加工的效率還是很高的，當然需要的機床功率也很大，其中，解決斷屑和及時排除如此大量的切屑也非易事，所以，加工難度不小。

　　大規格超精密機床DIXI 210

DMG森精機超精密機床DIXI 210

　　DMG森精機研發的產品中，大規格超精密機床DIXI 210當屬目前世界上獨有的最新、規格最大、技術水平最高的超精密加工機床。它結合了瑞士的精密加工傳統以及手工技藝和德國工程技術人員認真的制造工藝。這是一臺高檔的龍門結構機床，制造的很完美。為了達到盡可能高的剛性和穩定性，龍門結構采用3點支撐，即用3個由GGG60材料制成的鑄件塊來支撐。這為在強力銑削加工時達到最好的精密度和盡可能大的功率值奠定了基礎。數據表示，用DIXI 210超精密機床，只要多一點夾緊，就可以加工直徑達2,500 mm、高1,250 mm以及最重8,000 kg的工件，既可以高效率進行粗加工，也可以高動態（0.6g）、快速進給（60mm/min）進行精整加工，體積精度＜35μm。主軸采用不同的大功率電主軸，最大功率為114 kW。同樣也可以選用1,550 Nm和最高轉速6,300 r/min的電機驅動主軸。這么大的機床，精密度是真正的拿手技藝，只有通過有經驗的DIXI員工的手工刮研500多小時后，才能達到精密度規定的接觸面平整度、直線度和垂直度的要求，在所有直線坐標和回轉坐標的共同高精度作用下，最終才能在工件上達到最小的形位誤差。

　　用戶在以后的使用過程中不丟失精度，其中之一是要注意控制所有發熱部件的冷卻問題。此外，機床安裝后要全部進行三維尺寸的測量，有時還要進行精確的調整，既要注意局部的熱膨脹，也要關注空間精度和環境溫度梯度。

　　總之，世界主要機床制造大國，大、重型機床創新成果很多，中國機床工快速發展中，大、重型機床的成果也很突出，不必多說。以上介紹涉及的大型和超大型工件的加工設備，中國的機床工業幾乎都能提供。近年來，中國風電工業的強勁發展以及航空、航天和國防軍工技術的發展成果，都是很好的例證。我想，現在中國機床行業完全有能力解決這類零件的加工問題