目录
发展历史
机床分类
发展趋势
典型形式
化学机械复合加工
磁场辅助研抛加工
激光辅助车削
复合机床
发展历史
1845年美国丁'菲奇发明转塔车床，1911年美国格林里公司为汽车零件加工开发了第一台组合机床。1952年三轴数控铣床研制成功。1958年美国KT公司研制出带有刀具自动交换装置的加工中心，有力地推动了工序集中的加工方法的发展。
复合加工及其制造装备的出现已有百余年的历史，但是真正得到较广泛的应用还是在20世纪80年代，数控技术和数控机床成为制造技术的主流后出现的。
20世纪80年代中后期，随着加工中心功能和结构的完善，显示了这种工序集中数控机床的优越性，开始出现车削中心、磨削中心等，使复合加工得到扩展而不再局限于镗、铣等工序。90年代后期又进一步发展了车铣中心、铣车中心、车磨中心等，近年来又出现由激光、电火花和超声波等特种加工方法与切削、磨削加工方法组合的复合机床，使复合加工技术成为推动机床结构和制造工艺发展的一个新热点。
机床分类
data/attachment/portal/201111/06/145354b1pbvac31p5cccab.jpg车削复合中心
一、车削为主型
以车削加工为主的复合加工机是车削复合中心。车削复合中心是以车床为基础的加工机，除车削用工具外，在刀架上还装有能铣削加工的回转刀具，可以在圆形工件和棒状工件上加工沟槽和平面。这类复合加工机常把夹持工件的主轴做成2个，既可同时对2个工件进行相同的加工，也可通过在2主轴上交替夹持，完成对夹持部位的加工。
现在，加工2个工序以上的工件占车削加工的大多数。对这些工件进行高效、高精度加工，有以下3种技术：
1、内外加工集中化：在机内装有1次加工（外表面）以及2次加工（内表面）的各种功能的1次/2次加工机。
2、加工的复合化：除车削加工，机内还装有铣削加工、磨削加工等各种功能的工序集中的加工机。
3、智能化：机内具有储存、运输、加工一体化、工件识别、工件夹持控制、适应控制、信息网络等最新监控技术的单元加工机。
该类复合机床有德国INDEX公司的TRAUBTNX65多功能数控车削中心，具有双主轴、4个刀塔，第二主轴可作Y轴移动；德国DMG公司的TWIN65双主轴车削中心，上下各有一个转塔刀架，可实现6面加工，第二主轴可作横向移动等。
data/attachment/portal/201111/06/1453557kkokjudufbfj52o.jpg铣削复合中心
二、铣削为主型
1、加工中心的多轴化
A、五轴控制，除X、Y、Z三轴控制外，为适应使刀具姿势变化，可以使各进给轴回转到特定的角度位置并进行定位的五轴加工机。五轴加工机的使用方法有两种：1用回转轴分度，使工件相对于刀具倾斜，在这个状态进行三轴控制加工。2同时使所有的控制轴作连续运动，即五轴联动，可以对叶轮等具有外延伸曲面形状的工件进行加工。五轴联动加工机的特点是可以避开切削速度变为零的加工条件；可以用伸出长度很短的刀具；可以在一次装夹下加工外延伸曲面形状的工件等。
B、六轴控制，用多轴控制铣削类加工机不能模拟复杂形状工件加工，而复合加工可以。例如对有锥度形状和四角形状槽类等工件的加工，以前不变换加工工种是无法完成加工的，必须把工件转到电加工机床上加工。可是如采用回转刀具，使刀具一边作6轴控制运动，一边作摆动切削加工，就可在一台机床上完成加工。而且精度、效率也可以提高。如使用非回转刀具，必须控制回转主轴的回转位置，此时六轴控制是必要的。用六轴控制加工时，采用非回转刀具时，切削速度等同于进给速度，不能进行高速加工；而用回转刀具则能适应原不能加工部位和形状的加工，无需转换工种，仅用切削加工就能一次完成全部加工，效率较高。
2、加工中心的复合化
除铣削加工外，还装载有一个能进行车削的动力回转工作台。
以铣削为主的复合机床有日本MAZAK公司的INTEGREXe800V/5五轴卧式铣车中心，是在五轴卧式加工中心的基础上，使回转工作台增加车削功能，可以在一次装卡下对圆形零件实现车、铣完全加工；意大利Milanese公司的NTXI铣车复合中心，是在立式加工中心的右端增添一个车削主轴。
data/attachment/portal/201111/06/145355kgwrn6tncnrnennn.jpg磨削复合中心
三、磨削为主型
磨床的多轴化，原来只在无心磨床上可见，多数是以装卸作业自动化为目的。现在，开发了在一台机床上能完成内圆、外圆、端面磨削的复合加工机。例如在欧洲，开发了综合螺纹和花键磨削功能的复合加工机。
该类复合机床的代表为瑞士MAGERLE公司的MGR立式车磨复合加工机，机床上方配有多个磨头和一个车刀架，可以对零件进行磨削和精车；日本森精机制作所的IGV-3NT磨头可回转式立式磨床，可在一次装卡下对零件内外圆和端面进行加工；瑞士STUDER公司的S33万能数控磨床，可以在一次装卡下实现多线螺纹加工和内外圆、端面加工。
四、不同工种加工的复合化
把多种不同原理的加工类型集约，如切削与磨削、研磨的复合；用激光功能把加工后热处理、焊接、切割合并；加工和组装同时实施等。还有，集中车削和铣削功能，特别是齿轮加工功能等的独特的生产型复合加工机；与激光加工复合，开发了装有磨削功能和激光淬火功能的复合机床等。在欧洲还开发了机械铣削功能、激光三维加工功能等集约的复合加工机。
发展趋势
复合加工技术是未来机械加工的发展方向。随着社会各个领域的不断发展，对机械加工领域的要求也不断提高，高速度、高精度和高效率的“三高”加工是对未来机械加工的基本要求，而仅仅靠传统的加工理念是很难满足这一要求的。因此，机械加工领域要求不断突破传统的观念，不断改善和提高加工的技术，以适应未来的要求，而复合加工技术正好满足了这一要求。
今天的复合加工技术，是针对以普通的数控车削中心和加工中心为基础，发展到复合车铣加工中心。这要求机床制造业应以现有的技术水平为基础，研发、制造、稳定和推广具有高效、复合、稳定、成本低廉的，适合于现代加工技术的高水平机床.
典型形式
复合加工是应用多种形式能量的综合作用来实现材料的去除。一些常见的以不同形式能量进行的加工类型如图1所示。
data/attachment/portal/201111/06/1453550ffxxfl8r886il66.jpg复合加工
由图1可知，根据加工材料的特性和精度及效率的要求可以组合出为数众多的各具特点的新的复合加工方法。现就下列三类典型的复合加工的特征、技术关键和可能达到的精度等作系统的综述。
1）机械化学加工和化学机械加工。它主要用于进行脆性材料的越精密和表层及亚表层无损伤的加工。
2）磁场辅助加工。主要用于解决精密加工的高效性问题。
3）激光辅助车削。主要用于改善难切材料的切削加工性。
化学机械复合加工
它是指化学加工和机械加工的复合。所谓化学加工是利用酸、碱和盐等化学溶液对金属或某些非金属工件表面产生化学反应，腐蚀溶解而改变工件尺寸和形状的加工方法。如果仅进行局部有选择性的加工，则需对工件上的非加工表面用耐腐蚀性涂层覆盖保护起来，而仅露出需加工的部位。化学机械复合加工是一种超精密的精整加工方法，可有效地加工陶瓷、单晶蓝宝石和半导体晶片，它可防止通常机械加工用硬磨料引起的表面脆性裂纹和凹痕，避免磨粒的耕犁引起的隆起以及擦划引起的划痕，可获得光滑无缺陷的表面。
化学机械复合加工中常用的有下列两种：
l）机械化学抛光（CMP）
2）化学机械抛光
机械化学抛光（CMP）的加工原理是利用比工件材料软的磨料（如对Si3N4陶瓷用Cr2O3，对Si晶片用SiO2）,由于运动的磨粒本身的活性以及因磨粒与工件间在微观接触度的摩擦产生的高压、高温，使能在很短的接触时间内出现固相反应，随后这种反应生成物被运动的粒曲机械摩擦作用去除，其去除量约可做小至0.1nm级。团为磨粒是软于工件，故不是以磨削的作用来去除材料。如果把软质磨粒悬浮于化学溶液中进行湿式加工，则会同时出现溶液和磨粒两者生成的反应物，但因磨粒的吸水性而使其表面活性和接触点温度降低，故加工效率比单用软磨粒与适量抛光剂的干式加工为低。
化学机械抛光的工作原理是由溶液的腐蚀作用形成化学反应薄层，然后由磨粒的机械摩擦作用去除。
上述两种加工方法的工作机理、影响因素及适用范围见表1。
data/attachment/portal/201111/06/145355ccfjy6tyfv7gfu76.jpg机械化学抛光和化学机械抛光的加工方法比较
采用机械化学抛光可加工直径达300mm的硅晶片，其加工系统工艺参数例示如下:
抛光剂：超微粒（5～7nm）的烘制石英（SiO2）悬胶弥散于含水氢氧化钾（PH≈10.3）中，分布于抛光衬垫上
颗粒含量：SiO2（5～7nm）在软膏中占20％（质量分数）。
软膏流量：50mL/min，粘度：108Pa·s
晶片尺寸：200mm，压力：27～76kPa
衬垫转速：20r/min，保持架转速：50r/min
衬垫材料：浸渍聚氨酯的聚酯
衬垫的修整:转动衬垫修整器清除衬垫上已用过的软膏,并露出衬垫的纤维以供下一次加工。
加工表面粗糙度：Ra1.3～1.9nm
磁场辅助研抛加工
它通过在磁场作用下形成的磁流体使悬浮其中的非磁性磨粒能在磁流体的流动力和浮力作用下压向旋转的工件进行研磨和抛光，从而能提高精整加工的质量和效率。它可以获得Ra≤0.01μm的无变质层的加工表面，并能研抛复杂表面形状的工件。由于磁场的磁力线及由其形成的磁流体本身不直接参与材料的去除故称之为磁场辅助加工。
磁流体是由磁性颗粒、表面活化剂和液相载体（如水、油等）组成的。磁性颗粒的平均粒径在10urn左右，它被稳定的表面活化剂的有机分子所包围，成为一种稳定的磁性颗粒胶体，悬浮于油基或水基的液相载体中。例如CY3-1型金属磁流体就是由颗粒直径7.5～10nm的Fe3O4磁性材料（质量分数10％～30％），用表面活化剂油酸（质量分数40％～60％）使其弥散于矿物油载体内，它的饱和孩感应强度0.023T、密度1.2g/mL、动力粘度20×10-3Pa·s。由于磁性颗粒的磁力矩极大，不会因重力而沉淀，且其磁化曲线无磁滞，磁化强度能随磁场强度增加而增加，从而能实现对工件作用力和加工量的控制。
这种磁性磨粉加工工艺在40年代起源于美国，50年代末至60年代初经前苏联和保加利亚等国研究人员的发展，至70年代已显示该项技术可在大多数重型工件的精加工中应用，80年代末起日本又进一步研究其加工原理及设备，并使其在精整加工领域的应用得到发展，至90年代日本、英国和美国的研究者对其工艺和设备又不断地拓展和完善，并应用有限元法模拟磁性抛光过程，分析磁流体和磨粒在磁感应下的运动特性，大大地推进了这项工艺的发展和应用。
常用的磁场辅助的精整加工有：磁性浮动抛光（MagneticFloatPolishing）和磁性磨料精整加工（MagneticAbrasiveFinishing），对其工艺分述如下。
1．磁性浮动抛光（MFP）
它是利用磁流体向强磁场方向移动，而非磁性磨粒被排斥向磁感应强度较弱的方向的特性，使悬浮于磁流体中的磨料分离出来富集在一起（图1）。磨料在磁浮力作用下，上浮压向运动的工件。有的设备在磁极与工件间放置聚丙烯弹性材料的浮体，使磁流体的压力经浮体挤压磨料和工件，它可使磁极附近的很大浮力经弹性浮体而均匀化，并可增大抛光的压力。
高速高精度的抛光轴支承于空气轴承上，最高转速达10000r/min。釹铁硼（Nd-Fe-B）永磁体以N和S极交替地排列在铝容器内，磁流体是由10～15nm的Fe3O4以胶体散布在水基载体液中，加入体积分数为5％～10％的磨料。抛光过程中水不仅起冷却液的作用，也能与工件表面起化学反应。垂向压力用压电传感器测量，并使每球压力控制在1N。由于高的抛光速度，它的材料去除率比传统的采用的低速转动的V形槽研磨要高数十倍，且在较低的抛光压力下，其表面粗糙度可达Ra4nm（Rmax40nm），陶瓷球的球度可达0.15～0.2μm，且表面基本上无裂纹和刻痕等损伤。
2．磁性磨料精整加工（MAF）
磁性磨料在磁极N-S之间沿着磁力线有序地相互链接在一起，聚集成一层弹性的磁性磨料刷，当工件与它作相对运动时，就进行研抛加工。MAF法可不用抛光液，磁性磨料是在铁磁材料中加入粒度为1～10μm的磨料，聚集的磁性磨料刷的厚度约50～100μm。装置可以加工磁性或非磁性材料的圆柱形工件如陶瓷轴承滚柱或钢滚柱。工件作回转运动，而磁极的往复振动形成了磁场的轴向振动运动，因此可以一次完成圆柱表面和棱边的精加工。由于聚集的磁性磨料刷的自动成形性，当采用不同的磁极形状和设备结构时，可实现对内圆、平面、异形曲面和球面等精整加工。此法具有高的材料去除率，其精加工的效果取决于工件的圆周速度、磁通量密度、工作间隙、工件材料、磁性磨料聚集层的尺寸以及相关的磨粒尺寸和所占的容积比例等。
此法所用的磁性磨料是一种复合磨料，通常将铁磁性物质和具有磨削性能的磨料按一定比例混合，经烧给、粉碎、球磨、筛选等工序制成，也可采用电铸或等离子粉末熔融法制作。铁磁性物质有铁、铁合金和铁的氧化物，磨料通常用氧化铝（Al2O3）、碳化物（TiC、Cr3C2、WC、ZrC）和金刚石，磨料的容积比例约为20％～50％。
l）精加工钢滚柱的工艺参数为：滚柱速度60m/min，磁感应强度l.2T，工作间隙10.2mm，磁极振动频率15Hz，振幅1.52mm，磁性磨料的平均粒度100μm，可在30s内使钢滚柱的表面粗糙度由Ra0.22μm降至Ra7.6nm。
2）精加立陶瓷（Si3N4）滚柱时，其磁性磨料聚集层中的磨料应按粗、半精和精加工，分别采用B4C、SiC和Cr2O3。
激光辅助车削
激光辅助车削（LAT）是应用激光将金属工件局部加热，以改善其车削加工性，它是加热车削的一种新的形式。
激光束经可转动的反射镜M1的反射，沿着与车床主轴回转轴线平行方向射向床鞍上的反射镜M2，再经X向横滑鞍上的反射镜M3及邻近工件的反射镜M4，最后聚射于工件上。共聚焦点始终位于车刀切削刃上方如图中距δ处，经激光局部加热位于切屑形成区的剪切面上的材料。
激光加热的优点是可加热大部分剪切面处材料，而不会对刀刃或刀具前面上的切屑显著地加热，因而不会使刀具加热而降低耐用度。
通过激光的局部加热可获得：
l）流线的连续切屑，并可减少形成积屑瘤的可能性，从而改善被加工表面的质量包括：表面粗糙度、残余应力和微观缺陷等。
2）切削力的降低。温度的升高使材料的屈服应力明显减小导致切削力减小，这样既使工件的弹性变形减少易于保证加工精度，又能提高刀具的耐用度，并有利于对难切材料的金属切除率的提高和加工成本的降低。如加工高强度30NiCrMo166钢和钨铬钴6合金用5kW，CO2激光器辅助加工，切削力降低70％，刀具磨损减少90％，切削速度提高使金属切除率增加二倍。
复合机床
data/attachment/portal/201111/06/145356a0vmbm8b0byay8pr.jpgM150型车铣复合加工中心
多种加工技术集成于一台机床加工的加工方式使产能和精度都达到了质的飞跃。
将车、铣、钻及其他特殊加工工艺，如滚齿、成形、测量等集成于一台机床的做法使生产能力和加工精度都发生了令人难以置信的飞跃。WFL公司“MILLTURN”品牌也因此成为了复杂、高精度零件完整加工的典型机床代表，MILLTURN的主要用户遍布于复杂高精度零件的制造领域，如飞机制造业、大型柴油机制造业、印刷机械、石油行业以及涡轮机制造业等。典型工件有飞机起落架、喷气发动机轴、大型柴油机曲轴、联杆、活塞、印刷辊以及阀类产品等。由于机床的超强动力主轴和进给驱动，使得对刚质材料(200HB;DIN1.0050/AISI1045/JISS45C)持续切削速度可达到1300cm3/min，铣削达到10003/min，刚性钻孔可达到M52(使用55kW铣主轴)。
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最多配备10个数控加工轴.
奥地利WFL车铣技术公司是世界唯一专门从事“复合加工”技术的车铣加工中心的制造企业。WFL车铣技术公司可提供中心距2～12m，车削直径520～1500mm的车铣加工中心。
MILLTURN是市场上第一台具有将全车削功能和5轴联动插补铣削功能集成于一体的机床。早在1983年，WFL公司的机床就已经标准配备了B、C、X、Y、Z轴。现在MILLTURN系列产品的主轴已经发展到第九代并在继续开发新的功能，最新的MILLTURN机床装有多达10个数控加工主轴。其优势不仅表现在无以比拟的多功能性上，更主要的是体现在其超强刚性和高精度的完美结合。
作为标准机床的补充，WFL公司还为用户提供适用于几乎所有加工任务需求的选件。除此之外，还可根据用户要求为其异常复杂的加工应用提供定制的解决方案。
复合加工可成功完成最复杂、高精度零件的加工。对于加工类似镍铬铁耐热耐蚀合金这样超硬材质，WFL公司将提供350bar喷气断屑系统350bar冷却压力.
对于具有挑战性的特殊材料，如AerMet100、钛合金、高温合金、哈斯特镍合金、沃斯帕洛伊镍合金，强大且多功能的MILLTURN无疑是用户的首选。特别是对于耐高温的镍或钴基超耐热合金，这类合金制做的零件主要用于飞机涡轮发动机的高温区域，加工难度极高。其超高拉伸强度和加工异常困难的切屑，对机床和操作者都提出了很高要求(图3)。对于这些材料高效加工的独特解决方案是WFL的一项最新开发的技术：集成350bar(1bar=105Pa)喷气压力的断屑系统，用于精车和钻孔加工操作时更好断屑。为得到短断屑，压力达350bar的冷却液从一个特殊喷嘴喷射出，高压冷却液力量直接撞击到切屑上。除降低切削时间外，还将显著提高刀具寿命。例如对于高温合金材料来而言，同常规程序比较，喷气断屑系统将切削时间减少高达50%。
尽管车铣复合加工中心是高精度机床，但其高速排屑能力仍使得重型粗加工得以高效完成
可进行复杂内径轮廓加工
除在外径车削的加工优势外，喷气切削系统同样适用于镗杆，这对于复杂的镗内径加工而言是本质的提高，因为长切屑会损坏刀具或工件。喷气切削系统还可用于进刀镗杆，用于在深孔内加工瓶形轮廓及大于孔径的凸台(如喷气发动机轴或石油工业的各种零件)。为可靠分配350bar冷却液压力给刀具，WFL公司设计了带有自动连接的特殊接口。
data/attachment/portal/201111/06/145356uyjybozo3w3bv3cp.jpg齿轮加工新方案
齿轮加工新方案
除了始终坚持对标准车、铣、钻孔加工技术进行改进之外，WFL公司近期另外一个开发改进的焦点集中在了齿轮加工技术。采用的加工技术包括特殊铣齿、滚齿铣和插齿加工。WFL公司提供交钥匙解决方案，包括用于加工外齿轮(直齿或螺旋齿)轻松编程的灵巧软件循环、内径花键、螺旋齿轮(常规螺旋齿轮和锥齿轮)，以及用于鼠牙盘联接器的表面齿轮。
对于复合加工特别适用并有益的是刀库。所有MILLTRUN机床均配备有无磨损盘式刀库，可从机床前部进行操作。刀位完全封闭，从而使得刀柄一直保存在处于保护和清洁的状态中。同时可在机床工作时进行刀具操作，如更换破损刀片及设置后加工的刀具等，而无须中断当前的加工，使机床可最大限度地提高使用性。
对于深内径加工，WFL公司提供重型镗杆解决方案，配备自动换头和高刚性液压夹紧单元。镗杆工作长度可通过CNC编程
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加工镗杆长达2.5m
针对超重型内孔加工，WFL公司还在主轴箱侧面提供了第二刀具接口，用于使用超长防振镗杆、大型钻刀或特殊铣削或镗孔刀具等的加工操作。它的一个重要优点就是即使使用上述这些重型刀具情况下，B轴仍然可以使用。为提供足够稳定性，B轴主轴箱内采用鼠牙盘分度，由于以上系统设计的超强刚性，使得长径比高达1:14的防振镗杆也可在机床上使用。另外一个特别之处就是U轴选项，它可以用于数控平旋盘及带NC轴刀具的特殊镗刀。这确保了机床能够进行复杂的镗孔操作及深孔加工，典型应用如油田阀体、喷气式飞机轴及某些起落架的加工。
为更方便地使用上述重型铣刀，WFL公司提供带有自动换刀系统的不同刀库方案，可最多存储18把长达2500mm的刀具。对于超重型内孔车削加工，还提供配备液压夹紧装置和CNC提升单元的单独镗杆滑座，通过采用该滑座可使用直径达300mm、长度达2.5m的镗杆，而镗杆刀头可通过刀库装置实现自动更换。
无疑WFL公司用户清单囊括了众多世界知名企业，如空中客车、波音、劳斯来斯、斯耐克玛、美西航空、德国MAN公司、梅塞得斯、法拉利、韩国现代、斗山、山特维克、西门子等。
现在越来越多的中国公司意识到MILLTURN的优越之处，至今已有40余台设备在中国安装且运行良好。为了最大程度保证用户的利益，WFL公司不但在北京设立了销售及售后服务中心，还设立了备件仓库。
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来自床身的刚性和精度
同其他类似产品的区别在于：机床采用整体式60°倾斜床身设计，X、Y、Z轴采用超大尺寸线性导轨，采用齿轮传动机械式主轴，各滑座及主轴系统通过特殊设计的夹紧系统夹紧。
X、Y轴标准配备海德汉玻璃光栅尺，按德国VDI/DGQ3441标准，定位精度小于0.005mm，重复精度可达0.001mm(具体取决于机床型号和控制轴)。WFL车铣复合加工中心不仅实现了极高的定位精度，同时还可以测量及补偿由不可避免的外界因素产生的误差，如加工零件温度升高、刀具磨损、零件几何形变、以及刀具和夹紧装置带来的误差。特别针对如上误差的补偿，WFL公司开发了独特软件包，此时将MILLTURN车铣同时转换成真正的3D测量机。测量结果可在同一装卡状态下用于校正以上误差。所有的测量及刀具参数可存储于硬盘，也可以在机床上直接打印出来或在以太网上传输，以便进一步处理。CNC程序同样可以通过以太网传输。所有WFL车铣复合加工中心均采用西门子Sinumerik840D控制系统，WFL公司还提供大量软件，使得特殊操作如在线测量、偏心铣或滚齿的编程变得非常容易。为避免碰撞，WFL提供防碰撞软件可在加工过程中实时监控并能在离线状态下进行模拟。