摘  要：本文在分析臥式車削中（zhōng）心功能的基礎上，介紹了（le）車削中心的（de）關鍵部件及其主要結構形式（shì），對車削（xuē）中心的現有產品進行分（fèn）析，展望了國內車削中心的未來。

      關鍵詞：車削中心 C軸 動力刀架 Y軸

        1.引言

       臥式車削中心是在普通數控車床上發展起（qǐ）來，具有車、銑、鑽、攻絲等複合加工能力的（de）高（gāo）端產品。該種產品能夠一次裝夾完成工件的（de）全部加工工序或大部分加工（gōng）工序，減少工序間的工件搬運，避免工件不同加工設備上的（de）反複裝夾，實現工件的高精度、高效率加工，廣泛應用於汽車、醫療、航空航天等行業精密複雜零件的加工。

      除了一般數控車床的結構特點外，車削中心還應具備以（yǐ）下特征：

      具有C軸功（gōng）能。C軸是繞車床主（zhǔ）軸軸線的（de）伺服軸，該功能使機床實現繞（rào）主（zhǔ）軸軸線的連續分度和任意點的定位鎖緊，和其他伺服軸進行聯動、配合動力（lì）刀具可以實現特定型麵（miàn）的加工；

      具有動力刀具。車削中（zhōng）心要實現銑、鑽、攻絲等（děng）加（jiā）工，除了配置內外（wài）圓車削刀具外，還（hái）要配置可自驅動的銑刀、鑽頭、絲錐（zhuī）等刀具，達到工（gōng）序（xù）集中的目的。

      本文僅對（duì）刀架型的車（chē）削中心產品進行討論，不涉及排刀型車削中心。

      2.車削（xuē）中心結構分析

      2.1  C軸

      C軸傳（chuán）動結構

      C軸（zhóu）的回轉驅（qū）動通常有主軸伺服電機通過帶傳動、進給伺服（fú）電機通過減速箱、電主（zhǔ）軸（zhóu）直（zhí）接驅動三種實現方式。
主軸伺（sì）服電機通過帶傳動驅動方式：主軸驅動和C軸驅動共用一套傳動裝置。由於V帶（機床（chuáng）中常用）傳動中滑移的存在，以及帶傳動所必須（xū）的張緊力（lì）對（duì）主軸有較大的附加力，因此V帶在此時很少用到（dào）。C軸驅動中經常使用的是（shì）同步齒形帶，靠齒形齧（niè）合傳（chuán）動，有準確（què）的傳動比和很小的初張緊力（lì），並且允許較高的轉速，傳動的精度和（hé）效（xiào）率較高。

      進給伺服電機通過減速箱驅動：此種方式下，C軸驅（qū）動和主軸傳動為兩套傳動裝置。C軸驅動電機為進給伺服電機，通過減（jiǎn）速箱驅動主軸（zhóu）低速旋（xuán）轉，而車削主軸則由主軸伺服電機驅動主軸高速運轉。因此主軸部件需要有一套裝置實現車削主軸和C軸驅動的切換，使C軸的傳動係統與主軸脫離。C軸驅動時通過減速箱實現較大的傳動比，輸出轉速低，扭矩大。主軸驅動（dòng）可以實現高的轉速滿足車削時的速（sù）度需求。

      電主軸直接驅動：驅動電機轉子直接套裝在主軸上（shàng）實現C軸驅動。主軸慣性矩大，傳（chuán）動鏈短，結（jié）構簡單。
 
     

      以上三種C軸（zhóu）實現方式：帶傳動（dòng）因轉速和傳動比的原因（yīn），其（qí）輸出轉速（sù）和扭矩受到限製；伺服電機通過減速箱驅動的方式能夠實現（xiàn）較（jiào）大的扭矩，但是由於齒輪（lún）傳動間隙的存在，實現高精度的C軸製造成本很高；電主軸直接驅動的方式由於沒有（yǒu）中間傳遞環節的（de）存在，而且電主軸本（běn）身轉動慣量大，其動態性能優異，目前受限於電機的輸出扭矩較低。從長遠來看，電（diàn）主軸直接驅動方式（shì）前景廣闊。

      實踐中C軸主要考量其精度和穩定性。

      保證C軸的精度主要通過以下措施：①選擇適當的角度（dù）編碼器實現位置反饋，構成閉環控製。角度（dù）編碼器的精度根據設計精度目（mù）標進（jìn）行（háng）選擇，其機械允許轉速、電氣允許轉速與設（shè）備（bèi）匹配；並且按照要求進行安裝。②保證C軸（zhóu）驅動結構的精（jīng）度（dù），減少其傳（chuán）動結構中的傳動間隙。傳動間隙不僅影響C軸精度，而且在切削過程中會導致振（zhèn）動的產生，對零件加工質量（liàng）產生不利影響。對於沒（méi）有Y軸的車削中心（xīn），在（zài）其加工平（píng）麵時，通過C軸正（zhèng）反向旋轉與X軸進給多（duō）次插補形成加工麵，加工過程中極易產生振動，傳動間隙的控製尤為（wéi）重要。電主軸直接驅動由於沒有了中間（jiān）傳遞環節（jiē），幾乎沒有傳動間隙，在此方麵優勢明顯。

      C軸的穩定性主（zhǔ）要是指（zhǐ）主軸係統在切削中的（de）抗振（zhèn）性。為增加其穩定（dìng）性，工程實踐中的做法有：增加主（zhǔ）軸係統的慣量比，即選（xuǎn）用大（dà）轉動慣量主電機或減少被驅動（dòng）件的轉動慣（guàn）量，減少工（gōng）件對主（zhǔ）軸係統質量特性的影響；增加主軸係統阻尼，以吸（xī）收振動源的能量等（děng）。由於機床振動問題比較複雜（zá），在（zài）此不作詳（xiáng）細討論。

  
        C軸鎖緊機構

      鎖緊機構的結構形（xíng）式有多種，基本原理都是通過施加軸向或徑向的摩擦力來實現。可（kě）以選用成型的產品，也可以自行（háng）設計。選用時根據應用場合、使用要求進行，注意夾（jiá）緊點均布，減少附加（jiā）力的（de）產（chǎn）生。

      自行設計（jì）的鎖（suǒ）緊機構，一般（bān）以整個摩擦片兩側整圓周抱緊，受力比較均勻，可以通過調整夾緊力（lì）作為主（zhǔ）軸（zhóu）係統阻尼使用（yòng）。而成型（xíng）的產品通過局部夾緊實現鎖緊，通常不能用作阻尼。

      2.2 動力刀架

      動力刀架即（jí）刀架中具有驅動裝置、能夠為刀位上刀具旋轉提供動力的刀架，是（shì）車削中心的核心部件。

      最初的動力刀架由電動刀架（jià）或液壓刀架上增加動力驅動模塊（kuài）組成，這種動力刀架轉位由刀架內置的電機實現（xiàn），動力驅動模塊電（diàn）機獨立，其轉位速度較慢，目前（qián）僅用於低端的車削中心上。

      隨著伺服刀架（jià）的出現，出現了由伺服刀架（jià）本體搭載動力驅動模（mó）塊的動力刀架，刀架轉位和動力驅動分別由伺服電機驅（qū）動（dòng），即所謂的雙伺服動力刀架（圖1左）。

      刀架技術的進一步發展，出現了單伺服動力刀架（圖1右（yòu）），刀（dāo）架轉位和刀具旋轉由同一個伺服（fú）電機提（tí）供動力，結構更加緊（jǐn）湊。
 
      

       以上三種動力刀架，電動刀架或液（yè）壓刀架搭載動力驅動模塊的方（fāng）案最為經濟，可以適應一般車削中心的加工要（yào）求，由（yóu）於其刀架本體性能的限製，隨著用戶要（yào）求的提高，這種方案（àn）最終會被其他方案替代。而單伺服（fú）刀架因其結構緊湊性（xìng）能優越而備受用戶青（qīng）睞，其價格也最為（wéi）昂貴，多用於一（yī）些（xiē）高端的車削中心產品上。

      為了進一（yī）步提升刀架的性能，一些機床製造商（shāng）將直驅（qū）技術應用到（dào）動力刀架上（shàng）。如Mori Seiki（森（sēn）精機）的built-in motor turret（見圖）。使用（yòng）內裝電主軸直（zhí）接驅動旋轉刀具，取消了伺服刀架動力驅動結（jié）構（gòu）中齒輪、皮帶等中間（jiān）傳遞環（huán）節，刀架結構簡化，減少了振動和熱的產生，動力刀具的轉速和（hé）扭矩進一步提高，動力（lì）刀架的性能得（dé）以提升。

       為適應車削中心（xīn）的（de）發展要求，刀架廠商推出了功能集成的刀架產品，如帶Y軸的（de）動力刀架（見圖（tú）3）、帶B軸的動力刀（dāo）架（見圖4）等。帶Y軸的（de）動（dòng）力刀（dāo）架，搭載單伺服動力刀架，配置導軌絲杠，能夠實現（xiàn）一個直線軸（zhóu）的運動，增加（jiā）了刀架的平麵（miàn）加工（gōng）能力；帶B軸的（de）動力刀架，將轉台（tái）與動力（lì）刀架結合起來，可以實現刀架在一定範（fàn）圍內的擺動，使刀架可以實現更多角度的平麵及孔的加工，減少了機床的刀（dāo）具配置。這些功能集成的刀架產品直接安裝在主機上即可實現對應的功能，客觀上簡（jiǎn）化了（le）主機結（jié）構，有助於擴展機床加工範圍。

  
       3. Y軸的功能實現

   
      為了提（tí）高車削中心的平麵加工能力，出現了帶Y軸的車（chē）削中心。所謂Y軸，即機床XOZ平麵法向方（fāng）向的運（yùn）動軸。具有Y軸，就具有了在XOZ垂直麵內（nèi）的運動能力（lì），刀具可以在Y軸實現（xiàn）進給，車削中心的加工範圍擴大。

      不帶Y軸的車削中心，加工平麵時隻能沿X軸方（fāng）向進給，當被加（jiā）工平麵寬度L大於刀具直徑Dr時，單靠X軸方向的進給無法完成平麵（miàn）的加工，隻能由C軸和X軸插補的方式分段逼近來實現，所形（xíng）成的平麵（miàn）並（bìng）非（fēi）真正平麵，而是曲率半徑很大的曲麵，存在係統（tǒng）誤差。為了提（tí）高加（jiā）工表麵質量，采用小直徑銑刀切削、多次插（chā）補逼近（jìn），必然導致加工效率的低下。因此不帶Y軸的車削中心其平麵（miàn）加工能力受到限製。

       車削中心Y軸功能實現，一般說來有（yǒu）兩種方式：虛擬Y軸和直接Y軸。

       虛擬Y軸的原理如圖6左所示，Y軸通過X1軸和X2軸插補形成，其坐標值通過X1、X2與角度α進行換算。直接Y軸則在XOZ平麵的法向上設（shè）置進給軸、單伺服電機驅動實現。圖5所示是兩種（zhǒng）不同（tóng）Y軸實現形式的車削（xuē）中心，左圖為哈挺GS MSY係列，其Y軸為虛擬Y軸，右（yòu）為沈陽（yáng）機床（chuáng）HTC3285T2Y2，Y軸為直接Y軸，Y軸滑板（bǎn）安裝在X軸（zhóu）滑板之上（shàng）。兩種結構各有優缺點：虛（xū）擬Y軸運動由兩（liǎng）軸插補形成，Y軸行程較短；床鞍的傾斜角（jiǎo）度一般在75°以內，其刀架坐落在滑板之內。直接Y軸由電機直接驅動，Y軸行程較大；直接Y軸的刀架懸伸在（zài）Y軸滑板之外，當機床用於重切削（xuē）時要（yào）充分考（kǎo）慮Y軸滑板的剛（gāng）性。

      除上述方案外，直接Y軸也有其他的實現形式。如（rú）Schaublin的137-11AX，采用山形床身，改變X軸、Y軸的運動（dòng）疊（dié）加（jiā）方式（X軸在上Y軸在下），刀架在X軸滑板上而Y軸置於山形背側（cè），減少了刀架懸伸的不利影響，結構也（yě）比較緊湊。Mori Seiki的NZ係列產品（pǐn）的Y軸也采用了山形床身的結構，其下刀架的Y軸則采用了該公司的八角滑枕（Octagonal Ram Construction）技術，提高了移動部件的剛性，減少了（le）熱變形（xíng）的影響。MAG的VDF180 T則采用了矩形截麵床身，X軸位於Y軸滑板之上，更方便排（pái）屑。

       無論何種形式，Y軸位（wèi）於零點（車削位置（zhì））時，必須采取措施使Y軸可靠定位，避免零點發（fā）生（shēng）偏移，造成工件加工超差。

        4. 車削（xuē）中心產品

       常見的（de）產品有以下幾種：

        單刀架產品

        主要是傳統（tǒng）意義的（de）車削中心。具有C軸和（hé）動（dòng）力刀架，C軸驅動多采用帶傳動的方式，鎖緊機構選用成形產品。可以配置第二主軸，與機械手、棒料進給機等配合實現較複雜零件的高效加工。國內外（wài）車床製造商都有對應的產品，為車削（xuē）中心的經濟（jì）型產品。

       多刀架產品

       正副主軸為（wéi）標準配（pèi）置，因刀架、Y軸的配置及形式不同而呈現出多樣性，產品種類較多。其主軸多為內藏式電主軸（zhóu），至少有一個刀架配置（zhì）Y軸，刀架工位多，12工位、16工位常見（jiàn）。因多（duō）刀架的幹涉原因，該類設備主要用於棒料、軸（zhóu）類（lèi）及較小直徑精密工件的複合加工（gōng），是車削中心的高端產品。國外此類產品（pǐn）比（bǐ）較成熟，Nakumura_Tome、Miyano、Biglia、Bumotec等機床製造商都有相關產品，國內目前隻有沈陽機床、魯南機床等少數廠商進行了該類產（chǎn）品的研發。
一些公司（sī）將B軸刀架也用到了車削中心產品上。比（bǐ）如（rú）Nakumura_Tome的Super NTJ、DMG的twin係列、TRAUB的（de）TNL18-7B等。DMG的Twin係列，Ｂ軸刀架（上刀架）與Y軸組合，能（néng）夠（gòu）加工斜孔和複雜型（xíng）麵，副主軸（zhóu）還可（kě）以與上刀架隨動，使上刀架有兩把刀具分別用於正副主（zhǔ）軸工件的加工（gōng）；並（bìng）且配置了（le）下刀架，可以（yǐ）有3把刀具同時加（jiā）工，大大提高了機床的柔性及加工效率。

       在斜孔的加工中，外購的角度（dù）銑頭也被用（yòng）在了動力刀架（jià）上，作為斜孔較少且斜孔直徑較小零件加工的一種低成本方案。

        5. 結語

        車削中心以為提高加工效率和加工精度為目標，在實際應用中，往往與（yǔ）棒料輸送機、上（shàng）下料機械手、機器人等物料輸（shū）送設（shè）備配套使（shǐ）用（yòng），組成加工單元（yuán）或（huò）生產線。製造商在提供設備的同時，將棒料輸送（sòng）機、機內上下料機械（xiè）臂作（zuò）為選項供用戶選擇。為了與主（zhǔ）機匹配（pèi），一些機床製造商根據主機需求自行研製或定製刀架，以達到最優的性能。

       有鑒於此，我認為國內車削中心產品研發著（zhe）力（lì）進行以下工作：

        核心功（gōng）能部件的研（yán）發——對核心功能部件進行持續攻關。國內核心功能部件的研發製（zhì）造能力較弱，製（zhì）約了主機發展。近年來，在國家重大專項的支撐下，國內一些主機（jī）廠及功能部件製造商對一些核心功能部件進行（háng）了技術攻關，已經在伺服動力刀架、轉台等方麵取得一（yī）些成果。

        機（jī）床基礎（chǔ）技術的研究與轉化（huà）——機床（chuáng）基礎技術（shù）的研究不夠深入，一些研究成果停留在實驗室的階段，沒有轉化為應用成果。這導致製造企業沒有核心技術，依然靠模仿和引（yǐn）進，無法提高產品檔次。

       用戶工藝的研究。用戶的要求越來越個性化，深入研究用（yòng）戶工藝，才能為用戶提供合理的解決方（fāng）案，提供（gòng）滿足客戶需求的產（chǎn）品（pǐn）。

       相信通過國內機床製造企業的努力，一定會有與國外高端產品媲美的設（shè）備出現。（文自：中捷機（jī）床有限公司細河技術部）