“与我们熟知的金属切削机床相比，轻量化结构件加工机床几乎是另一个世界的产品”
轻量化加工中心
与金属加工类似，铝合金及复合材料零件的机械加工设备大体上也可以按照车，铣，刨，磨，镗等不同结构形式来区分。但是与传统金属零件不同，汽车轻量化零件以结构件为主，加工精度要求相对不高，而且很多是薄壁零件，切削力很小，所以诸如坐标镗床这样的结构件加工利器，就很少应用在轻量化切削领域；复合材料零件的表面多半不需要也不允许磨削加工，因此磨床类设备应用很少，但是表面打磨抛光工艺相对较多；而轴类零件大都不需要精度配合，而成型工艺多半在缠绕机或3D编织机上完成，因此复合材料的车削加工的应用范围比金切削中的车削少得多；轻量化切削以高速铣为主，因此诸如拉床，刨床，立车等低速设备几乎都没有用武之地。轻量化零件特别是汽车轻量化零件的加工，主要以切边，钻孔，开槽，铣削为主。选用的机械加工设备主要是高速加工中心，结构形式以龙门式，卧式，立式等五轴加工机床为主。
而从广义上讲，涉及到轻量化加工的机床种类有很多，如果以零件成型为节点，那么主要包括下料设备和加工中心。下料设备在成型之前使用，主要包括纤维织物的剪裁机，水切割，激光切割，开料锯以及各类对毛坯材料休整的设备。而另一类就是加工中心，主要针对成型后的工件进行机械加工，也包括对成型模具和曲面真空夹具的加工。还有一类打磨和去毛刺设备，也可以归为加工机床。
加工中心是最常用的轻量化加工设备，由于被加工轻量化零件大都形状复杂，因此加工中心大都要求具备5轴联动功能，同时配备复杂的装夹系统。本文接下来将主要针对轻量化材料加工中最重要加工中心设备展开论述。
重切削与轻切削分类
由于材料通常较软，同时采用高速切削，因此切削力小，所以主轴扭矩并不需要特别高，同时驱动系统受力更小。再加上加工精度要求通常不高，所以轻量化材料切削CNC的门槛要低于金切削机床。
因此轻量化材料切削设备领域，大体上有两类加工中心厂商参与市场竞争：一类是金切削机床的轻型化的型号，另一类是木工机床的重型化改进型号。
金切削机床的轻型化的设备供应商例如：德国的福柯（Fooker，ReichenbacherHamuel），法国的里内（Forest-line），意大利的JOBS，日本的SNK等。这类加工中心的特点是：机床刚性好，精度高，但造价高昂等。这类设备通常用于航空铝件（如壁板，蒙皮等）和轨道交通大型铝件的加工，由于切削量大，公差要求高，因此比较适合这种“轻型机床”加工。
此外，由于高压铸铝结构件开始应用于Tesla车身，因此很多用于缸体缸盖的金属加工机床被用在了铸铝结构件的加工。典型供应商如德国的Grob，Chiron，日系的Makino，Mazak等量产型机床企业。
双主轴双转台摇篮式金属加工机床（UniorCNC）
木工机床重型化的设备供应商如：德国的豪迈（Homag），意大利的CMS等。这类设备通常采用焊接床身，因此运动部件更轻，空载速度更快，结构更简单，价格也更便宜。同时通过提高阻尼的方式避免振颤，通过软件补偿提高加工精度。另外木工机床制造商对粉尘防护有着丰富的经验。因此欧洲汽车行业的轻切削应用往往采用这类机床，实际上更准确的名称可以译作“雕铣机”（Router）。
机床（Machinetools）轻型化
雕铣机（Router）重型化
床身结构
铸造为主，焊接成为趋势
床身重，刚性好
焊接床身
床身轻，刚性一般
速度
慢，15-30m/min；高速进给需用直线电机，但造价更高
快，60-100m/min；齿条驱动，便于散热
加工材料
大切削量铝合金（如模具）加工，非金属复合材料加工
少切削量铝合金（如型材）加工，树脂基复合材料加工
造价
高
低
精度
一般，但满足加工要求
典型企业
ReichenbacherHamuel，Fooke，FIVE
CMS，Bray
值得一提的是，机床（Machinetool/Werkzeugmaschinen）、雕铣机（Router/Fraese）、木工机床（Woodmachine/Holzmaschine）只要是数控控制系统，在欧美都叫做加工中心（CNC）。而在亚洲国家基本都翻译为机床或加工中心。在欧洲市场轻量化材料的加工主要集中在铝合金车身结构件，内饰及外饰件，以及模型加工。在设备选用上大致如下：
因为切削力比较小，轻切削机床大都采用焊接结构，而不是铸造结构。而影响机床刚性的主要是运动部件之间的连接机构，如滑块，轴承，齿轮等，对于机床来说，多体刚性比结构件刚体的刚性重要得多。但对于大型机床来说，焊接结构件就显得有些脆弱，为增加其刚性，焊接结构的立柱，侧墙等支撑部件也会采用向中间灌砂子或混凝土等方式，或者直接采用钢筋混凝土作为支撑结构。也有一些比较“新潮”的轻型机床会采用碳纤玻纤玄武等复合材料制作大型结构梁。由于运动结构较轻，所以滑块可直接落在导轨上，不必设计静压系统，维护简便。
龙门式
龙门式加工中心比较适合大中型零件的加工，由于轻量化零件以结构件和覆盖件为主，如车架，车门，仪表板等，这类零件尺寸通常较大，因此对龙门式CNC的用量最大。而龙门式CNC也包括三种类型：龙门移动式，工作台移动式，和横梁移动式。
龙门移动式是指门形结构框架在导轨梁上运动。这种结构龙门不适合太高，如果龙门过高会造成框架运动时的扭曲变形，影响精度。如果对Z向行程要求较高，那么就需要将导轨梁加高，龙门变矮。这种结构叫做高架桥式，如果移动的龙门/桥变成一根横梁的样式，那么就可以称作横梁移动式。这种结构适合Z向行程高的大型零件加工。另外也可以采用多根横梁和多套铣头实现独立加工。如果龙门固定，让工作台移动，可以避免大跨度横梁在运动时的变形。因此移动工作台式龙门加工中心的结构稳定性更好，但是需要占地空间较大，对零件及夹具的重量也有限制。目前的新型龙门会采取动梁式结构并配置可移动的工作台，装卸工件时工作台移动到外部，通过机器人或自动吊装设备更换零件或整个夹具，作业完毕后，工作台运动到设备内部，并固定位置，再进行加工。
Alcan的铝型材高效加工系统，采用双龙门，双工作台，多主轴设计
立柱式（轻型镗铣结构）
目前有一种单侧支撑的卧式加工中心逐渐开始流行。这种样式严格上属于C型结构，稳定性差。但是结构相对简单，生产成本低，比较适合切削力小的铝合金，镁合金和增强纤维塑料复合材料和塑料零件的加工。这样可以将零件竖立放置，加工时切屑或粉末落到下面不会留在工件上面。
双立柱式加工中心，用于铝合金车门加工
框架式
框架式是稳定性最好的机床结构，落地镗床以及很多卧式加工中心多采用这种结构。框架式加工中心通常造价较高，多用于高强度加工中心。在轻量化零件的加工中，主要用在箱体类零件，如铝合金发动机缸体及缸盖等。这类加工中心需要有较强的刚性，适合大切深的强切削。框架式结构配合摇篮式工作台是最经典的五轴联动加工中心的结构形式。
为弥补结构刚性的不足，增加了龙门支撑，形成半框架式结构
主轴
绝大多数使用高速电主轴，功率5-25kW。加工塑料，树脂，软木等材料时，主轴功率大约5-10kW；在加工铝型材，玻璃钢等材料时，功率选择区间为7-15kW；切削碳纤维和大切削量铝合金零件时，功率选择10–25kW；更大的厚板类零件的切削以及缸体缸盖的加工会选择40kW以上的主轴，但这在汽车轻量化结构件加工中并不常见。
欧美绝大多数配套厂都采取高速切削HSC，因此大都要求配备高速电主轴，转速配置24000rpm以上，实际加工时转速15000rpm左右。
对于很多轻型五轴加工系统来说，铣头往往是个薄弱点。因为大部分厂家都采用了谐波减速器作为A，C轴的驱动，这个设计与机器人的前段关节的驱动是一样的，因此很多厂家内部称之为“机器人铣头（Roboterfrskopf）”。传动比大，成本低，与数控系统集成简便；不足之处是扭矩偏小，也无法支撑重量较大的大扭矩大功率高速电主轴。
量化切削辅助系统
粉尘防护系统
粉尘防护是复合材料加工永恒的话题，特别是当导电纤维进入电气柜或电子部件，又或者当高硬度粉尘进入机械运动部件，都会造成设备损毁。
比较新的吸尘方案是在主轴头前段安装可伸缩毛刷，防尘毛刷位置可根据刀具长度由NC控制。同时吸尘区域与机床内部吸尘管道连接，外接高压真空吸尘系统。由于防尘毛刷包围在刀具外部，因此产生真空区域最小，可实现最高效吸尘。同时毛刷位置可以根据曲面位置通过程序调整，使毛刷始终贴合曲面，因此该方案非常适合修边和轮廓外形铣削加工。
为配合非金属切削，毛刷内部，主轴前端通常会配置除静电装置和吹风口。
传统意义的金切削是不必考虑粉尘的，铝合金加工通常只考虑及时排屑以避免高温铝屑堆积使床身变形，影响加工精度。随着高速加工应用的普及，高切削速度，小切深，快速进给的加工策略在欧洲已经得到普及，因此铝件在加工的时候产生的铝屑非常细小，可以和粉尘一样被工业吸尘器吸走。
可吸走铝屑的强力吸尘系统内置高压气雾冷却喷嘴
利用透平原理，在刀柄前端增加涡扇装置，涡扇与刀具共同高速转动，将切削时产生的粉尘吸入与刀柄相连接的吸尘装置。涡扇相当于弹簧夹头，将刀具加紧。刀柄采用标准HSK标准，根据不同要求可选配各种规格如HSKA，F，E等。
在高速切削的同时，粉尘随高速空气进入吸尘管道的同时也起到为刀具降温的作用。转速越快，冷却空气流速越高，带走热量也就越大。为避免高速粉尘颗粒对涡扇叶片的磨损，材料表面经过热处理，硬度达到58HRC。
由于涡扇要适应高转速，因此对动平衡要求较高。该设计已经接受60,000rpm高转速测试。零件采用整块钢材制造，因此材料一致性最佳，25,000rpm高速切削时动平衡等级G<2.5。
经斯图加特大学机床研究所（UniversityStuttgart,InstitutefürWerkzeugmaschinen）以及弗朗霍弗自动化研究所(FraunhoferIPA)等权威机构测试，采用该方案粉尘吸收率达97.4%，材料去除速度为一般方案的5.3倍。
物料交换系统
汽车行业属于典型的采取大批大量生产模式的行业，因此对自动化程度要求较高，也更讲究生产效率。
为提高加工效率越来越多的汽车结构件供应商采用立式旋转工作台。工作台两侧都可以放置工装和零件，通常通过零点卡盘（参见“轻量化加工夹具系统”）和定制工装实现自动化或半自动化快速上下料。加工中心在内侧加工时，外侧的操作人员或机器人可以装卸工装或工件。加工完成后，转台快速转动180，位置固定后，开始新一轮机加，这样设备使用率极高。同时铝屑向下掉落，便于清理。
或者采用交换式工作台。下图的物料交换方案体现了尽量多的在工装上固定工件，并尽量少的减少零件移动次数的思路：每个工作台上配备3个转动轴，每个轴有4个装夹面，可固定4个工件。因此每个工作台一次性可装夹12个工件，由3个主轴同时加工3个零件，加工完成后，夹具转动90°，加工下一组零件。
双工作台，三主轴，六转台加工系统
轻量化加工夹具系统
零点卡盘系统
汽车轻量化零件的固定往往需要特殊工装夹具，而且工装的种类繁多。另外零件的批量小，批次多，需要频繁更换夹具。所以零点卡盘几乎成为加工中心的标配。
零点装夹系统（ZPS=ZeroPointSystem）的主要特点：
使用时将零点定位器（凹头）安装到机床工作台上，凹头在机床工作台上的位置标记为零点，根据实际加工需要可安装多个定位器凹头（至少2个）；定位接头凸头与夹具、工装或者工件通过定位台阶和螺栓紧固到一起（每个夹具、工装或工件至少安装2个定位接头凸头）。
ZeroPointSystem零点定位基准夹具完全采用了优化的曲线设计，定位接头可以任意角度插入定位器。在实际生产环境中不管是人工搬运夹具还是机器起吊，都无法保证托盘完全水平，这就增加了更换托盘的难度。零点定位基准夹具系统的这一设计完美的解决了这一难题：实现了更换托盘时的倾斜安装，另外该系统具有12mm的误差自动找正功能，减轻了工人为了将定位接头对准定位器的工作量。机械加工中产生的灰尘、切屑、油污等对夹具的稳定性、精度及使用寿命都有很大的影响，无法解决这个问题就无法真正实现工装夹具的快速更换。零点定位基准夹具系统采用了不锈钢材料，抗腐蚀、易维护；其特有的滚珠夹持系统更有利于清除灰尘和切屑，只需要用气枪就可很快的除去进入定位器的灰尘和切屑。随着人工成本的日渐攀升，企业都希望能降低对工人的依赖，愈来愈倾向于实现生产的自动化。
零点快速定位器能快速更换机床夹具，不需要在机床上人工校正及锁紧工件，，其重复定位精度小0.002mm。点装夹系统比较容易实现自动化，使工厂形成半柔性化生产，大大节省人力及机器的投入。
特别是配合机床交换工作台和机器人以及自动化生产线的搬运定位装夹，自动化生产线、自动化托盘更换系统，实现工厂的无人化生产。
为奔驰AMG开发的零件夹具及工作台零点卡盘
真空吸附夹具
汽车覆盖件曲面通常比较复杂，因此比较适合专用的随形夹具并配合真空吸附以及机械固定等方式对其装夹。下面的夹具通过吸盘对玻璃钢零件进行固定，同时设计了吸尘管道，直接从夹具底部吸收加工时产生的粉尘。
Daimler玻璃钢外饰件
气动装置
通过气缸等执行机构驱动平口钳，压板等机械机构固定零件，这种方式常见于铝型材结构件。但是汽车铝结构件无论是挤压，内膨胀还是压铸成型的，多半是薄壁零件或框架结构，夹持时很容易变形。所以气动自动夹具系统往往要考虑零件受力变形等问题。
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作者及机构简介
ReichenbacherHamuelGmbH（www.reichenbacher.de,www.hamuel.de)成立于1927年，从事精密机床，专用柔性制造设备和智能生产系统的研发和生产，同时提供全自动无人车间和智慧工厂的解决方案以及生产工艺改进，辅助工具设计，技术平台规划，升级策略制定等专业咨询服务。其超高精度机床被广泛应用于航空发动机零件加工，为叶片和整体叶盘精密加工领域翘楚。
吴昊阳德国莱兴巴赫－哈缪公司（ReichenbacherHamuelGmbH）亚太区商务总监，技术咨询顾问
-专用自动化（智能）制造系统的方案设计与项目实施，包括工艺设备，自动控制及工业信息化；
-针对工业4.0/中国制造2025/中国制造转型升级等概念和课题开展理论研究，并针对实际项目提供咨询服务和技术解决方案；
-企业培训课程及专题报告：《欧洲中小制造企业转型升级的工业4.0之路》（包括6大模块），《当现代设计遇到先进制造技术》，《汽车轻量化零件的先进加工技术》