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何时双主轴优于单主轴？

何时双主轴优于单主轴？ 2011： 在过去多年的时间中，加工中心发展得更快、更精确，同时价格更低。这种发展已经引发了大批量加工中以下这种常见现象 ：即许多工厂采用一系列加工中心来加工可能用“硬刀具配置”的组合机床生产线系统加工的零件。这方面的优点是柔性更高。加工中心可以很方便地从加工一个零件转换到加工相同系列的相关零件。加工中心还可以方便地进行重组，用于加工完全不同的工件。但是，所有这些柔性都会引发各种成本，不仅仅是每台机床占用的空间数量所反映的各项开支。事实上，在涉及许多大批量工件的场合，普通加工中心的结构实在是柔性太高。这是适合处理机加工车间每日变换的典型零件组合的机床。需要比机加工车间更高生产率和更少转换的工厂或许可以很好地利用设计得比这种加工中心稍微要专用一些的加工中心。 我们来看看双主轴加工中心的情况吧。最近，大量机床公司为了满足大批量应用的需要， 已经扩充了自己的产品线，包括配备可以同时加工两个相同工件的双并行主轴加工中心。

该双主轴机床采用耳轴让主轴在一次装夹中触及更多特征。该耳轴通常得到双回转工作台的补充，以便对两个工件进行五面加工。(照片由Liberty Precision Industries公司提供)

这种结构特别适合汽车工业的供应商。在加工作业越来越多地寻求外协操作的情况下，某些这样的公司如今正遇到超出他们所习惯运作的批量范围的大批量加工。但同时，这些公司还保持承包身份-意味着他们必须同时服务于多个客户，必须准备在没有事先警告的情况下赢得新业务，丢失现有业务。他们的机床选择必须将柔性、生产率及经济性集于一身。对于许多这样的应用，双主轴加工中心可以最接近地在“几难”之间取得平衡。

在一台各个主轴可以独立运动的双主轴机床上，有时候比较有效的使用方式是让一个主轴切削，而另一个主轴刀具换刀。(

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照片由Lamb Technicon提供)

在与双主轴机床供应商进行的关于客户为什么购买这类机床的对话中，有一个词经常出现：即占地面积。双主轴机床几乎可以提供单主轴机床双倍的生产率，而占地面积却仅仅稍微比后者多一点。至少有一个现在青睐双主轴机床的大型加工承包商，就在公司的工厂之一遇到这个问题-即无法容纳另一台单主轴机床时立即转向采用这种结构。均分负担Liberty Precision Industries(位于美国纽约州罗杰斯特市)是一家双主轴机床供应

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商，可以提供同轴的和回转组合机床系统，以及单元配置中独立的CNC机床。该公司在2年多前，在自己的产品线中添加了“双主轴”加工中心。事实上，该公司还提供一排有四个主轴的“四主轴”加工中心。尽管双主轴机床已经在加工转向节和悬架零件方面找到了用武之地，但是，四主轴机床却可能比较适合加工小而轻的零件，诸如阀体和发电机外罩等。Liberty公司的业务开发主任John Engels对多主轴机床的经济性优点进行了详细说明。这些机床不仅占用地面空间较少，同时对于满足给定的生产速度要求，所需要的操作员数量也较少。它们还降低了车间的维护需要，因为加工两个工件的双主轴(或加工四个工件的四主轴)共用冷却液系统及其它机床资源，否则这些资源需要在各自独立的机床上分别维护。 所有这些节省加在一起将使每件工件的成本比普通机床的更低。精度问题有一家公司曾经试图将同时使用双主轴的经济性优点进行量化，它就是Stama公司。一家巨浪麾下名为Stama的机床制造商，用“美国巨浪”的名字出现(位于北卡罗莱那州Charlotte市)。该公司所销售的机床中，60%为双主轴加工中心，同时该公司在这种结构方面所拥有的经验还改善了巨浪双主轴机床的结构。其中巨浪主要提供用于加工压铸铝件的小型快速机床，而Stama则提供用于加工铁和钢材质零件的大型机床。Stama公司提供了本页的图表-基于德国亚琛大学所进行的研究-它比较了用于代表大批量零件的单主轴和双主轴加工中心的情形。图表说明双主轴机床同时切削两个工件时，每个工件所代表的加工时间并不正好是单主轴机床加工每件工件加工时间的一半，但却确实大大降低了加工时间(该比较表明降低了42%)。

对于每件工件的成本，最佳的情况发生在一次装夹四件工件时，也就是每个主轴在循环中加工两个工件。这里，每个单元的成本降低到单主轴机床上加工同样四件工件的70%以下。巨浪美国公司高级副总裁Hans Strey说，尽管双主轴机床具有成本方面的优点，但有各种各样的问题阻碍了各个公司选择双主轴机床。作为一种保险措施，许多公司宁愿两个主轴保持在两台不同机床上分开的状态，因此如果一个主轴出故障，仍然还有50%的生产力保持生效。他说，其它的公司担心，可能因为热效应，一个主轴的位置会相对另一个主轴发生漂移从而发生故障。但是，Strey先生说，这种担心对现代机床却并不存在。在Stama，公司采用有限元分析法围绕热源设计，从而主轴位置相对保持恒定。

从比较中可以看出，双主轴加工中心将每件成本降低至少25%。该比较还表明，每循环加工4个零件时双主轴成本效益比最好。(图由美国巨浪公司提供)

该四主轴加工中心适合大批量加工相对较小的工件，诸如

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阀体和发电机外壳等。(照片由Liberty Precision Industries公司提供)

Mike Wanthal是巨浪的工程经理。他说：“根据经验，我们告诉客户，对于精度为75微米以下，工序能力系数1.67 Cpk的情况下，可以放心地使用双主轴机床。”对于精度更高的场合，他认为依然可以采用双主轴-让一个主轴换刀的同时，另一个主轴独自切削。例如，对于带有一个非常精确的孔的零件，可以在双主轴模式下加工出每个特征，但这个孔除外。这个孔可以先用刀具在左主轴中镗削，然后用右主轴中的刀具加工。Wanthal先生说，刀具是两个主轴之间最可能产生故障的原因。双主轴用户需要精确的刀具设置，他们还需要高档刀具来保证刀具与刀具之间的尺寸一致性。但是，习惯以大批量加工精密零件的工厂很可能已经将这种措施应用在其单主轴机床上。双主轴，单工件对于在一台加工中心上使用两个并行主轴，还有一种完全不同的选择-即进行交替切削而不是同时切削。双主轴机床除了同时加工两个完全一样的工件外，还可以用两个主轴在相同循环中加工单件工件。采用这种策略的机床仍然可以认为是双主轴机床，但是由于主轴干的是不同的工作，双主轴像不是完全一样的两个兄弟，当一个主轴在切削时，另一个主轴换刀并准备下一道切削。这样双主轴单工件策略就降低了换刀时间对生产率的影响。一家可以讨论这方面的相对优点的公司是Alfing股份有限公司(位于美国密执安州普利矛斯市)。该公司提供上述两种类型的双主轴机床。其“同步”型可以同时加工两个工件，而其

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“2主轴”型则每次用一个主轴进行切削。前一种机床具有三个共享轴，而后一种机床沿其独立的Y和Z轴移动每个主轴，只有X轴共享。由该轴在两个主轴之间前后移动工件。在“同步”机床(用于同时切削两个工件)上，Alfing公司对两个装夹位置提供独立的调节。这种特征可以用于对两把刀具的设置测量值之间的差异进行补偿。它还可以用来在发生重大碰撞后进行补偿，如果这种碰撞导致主轴位置发生变化的话。Alfing公司销售经理Al Hutko说，根据换刀的次数可以确定采用哪种类型的双主轴机床更适合。换刀不频繁、两次换刀之间具有较长切削时间的零件最好采用同时加工两个工件的方式。但是具有大量换刀同时相对加工时间而言换刀时间比较长的工件，如果采用每个循环加工一个工件的方式可能生产率会更高-条件是用于换刀的非切削时间可以缩短。采用交替主轴进行切削的双主轴机床非常适合这种需要。

该双主轴机床的主轴在Y和Z轴中独立运动，由一个共享的X轴在两个主轴之间移动工件。(图由Alfing股份有限公司提供)

该双主轴机床用钻套对曲轴中的油道进行枪钻加工。(照片由Lamb公司提供)

向零换刀进军“Mach 1”是一台由Lamb Technicon(位于美国密执安州Chesterfield市)生产的双主轴加工中心，可以用上述两种方式使用-即可以一次同时加工两个工件，也可以交替使用来降低换刀时间。有时候，在一台机床上可以同时使用上述两种策略，以便将不同的策略应用在不同零件上。而有时候，两种策略在同一个循环中使用，以便不同方法可以用在零件的不同特征上。这种机床已经上市大约5年时间，如今已经安装了300多台。“Mach 1”也具有两个Y轴，两个Z轴及一个共享的X轴。当两个主轴同步加工两个相同的工件时(Lamb称此为“立体加工”)，两个主轴可以采用单独的刀具补偿数值。使机床可以在主轴同步和交替使用之间方便地切换的特征是共享刀库。所有装在该刀库中的刀具都可以在整个循环过程中由任意一个主轴访问。Bryan Graham是Lamb的客户部副总裁。他说，从采用其它大批量解决方案转移到采用该机床的最大的用户份额来自单主轴加工中心。该公司一般提供过程工程支持来帮助完成这种过渡。他说:“如果你仅仅试图将以前加工中心的夹具和刀具移到这种机床，那么你就不会最佳地利用该机床。”例如，当双主轴以交替模式使用以减少换刀对生产率的影响时，在给定刀具的使用时间足够长，它完全可以掩盖同步加工中换刀所需要的时间时，可以获得最高生产率。目标是接近“零换刀时间”状态，其中不存在任何没有被(与换刀同时发生的)加工操作覆盖的、与换刀有关的动作。为了实现这一点-假定零件可能包含各种加工时间非常短的孔-可能需要采用某些高密度工夹结构来用一把孔加工刀具加工许多工件，从而保持同一把刀具较长的使用时间。自从这台机床推出以来，该公司已经发现

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它进入了未曾预料到的一些应用场合。Graham先生说，可能这些应用中最重要的是，对曲轴中的油道进行枪钻加工。该工件传统上是在组合机床生产线上加工的。现在，可以在该公司改良的双主轴机床上完成，该机床将主轴以垂直线布置而不是并排布置。由于这种解决方案可以编程设定，因此可以重组，它使独立的供应商们能够更容易承担曲轴加工任务。

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