摘  要：本文（wén）在分析臥式車削（xuē）中心功能的基礎上，介紹了車削中心的關鍵部件及其主（zhǔ）要結構形式，對車削（xuē）中心的現有（yǒu）產品進行分析，展（zhǎn）望了國（guó）內車削中心的未來。

      關鍵詞：車削中（zhōng）心 C軸 動力（lì）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來，具有車、銑、鑽、攻絲等複合加工能（néng）力的高端（duān）產品。該種產（chǎn）品能夠一（yī）次裝夾（jiá）完成工件的全部加工工序或大部分加（jiā）工工（gōng）序，減少工（gōng）序間的工（gōng）件搬運，避免工件不同加工設備上的反複裝夾，實現（xiàn）工件（jiàn）的高精度、高效率加工，廣泛（fàn）應用於汽車、醫療、航空航天等行業（yè）精密複（fù）雜零件的加工。

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

      具有C軸功能。C軸是（shì）繞車床主軸軸（zhóu）線的伺服軸，該功（gōng）能使（shǐ）機床實現繞主軸軸線的（de）連續分度和任意點的定位鎖（suǒ）緊，和其他伺服（fú）軸進行（háng）聯動、配合動力刀具可以實現特定型麵的加工；

      具有動力刀具。車削中心要實現銑、鑽、攻絲等加工，除了配置內外圓（yuán）車削刀具外，還要配置可自（zì）驅動的銑刀、鑽頭、絲錐等刀具，達到工序集中的目的。

      本文僅對刀架型的車削中心產（chǎn）品進行討論，不涉（shè）及排刀型車削中心。

      2.車削中（zhōng）心結構分析

      2.1  C軸

      C軸傳動結構

      C軸的回轉驅動通常有主軸（zhóu）伺服電機通（tōng）過帶傳動（dòng）、進（jìn）給伺服電機通過減速箱、電主軸直接驅動三種（zhǒng）實現方（fāng）式。
主軸伺（sì）服電機通過帶傳（chuán）動驅動方（fāng）式：主軸驅動和C軸驅（qū）動共用一套傳動裝置（zhì）。由於V帶（dài）（機床中常用）傳動中滑移的存在，以及帶傳動所必須的張緊力對主軸有較大的（de）附加力，因此V帶在此時很少（shǎo）用到。C軸驅動中經常使用的是同步齒形帶，靠齒形齧合傳動，有（yǒu）準確的傳（chuán）動比和（hé）很（hěn）小（xiǎo）的初張緊（jǐn）力，並且允許較高的轉速，傳動的精度和效率（lǜ）較高。

      進給伺服電機通過減速箱驅動：此種方式下，C軸驅動和主軸傳動為兩套傳動裝（zhuāng）置。C軸驅動電機為進給伺服（fú）電機，通（tōng）過減速（sù）箱驅動主軸（zhóu）低（dī）速旋轉，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（zhuǎn）速低，扭矩大。主軸驅（qū）動可以實現高的轉速滿足車削時的速度需求。

      電主軸直接驅動：驅動電機轉子直接套裝在主軸上實現C軸驅動。主軸（zhóu）慣性矩大（dà），傳動（dòng）鏈短，結構簡單。
 
     

      以上三種C軸實現方式：帶傳動因轉速（sù）和傳動比的原因，其輸出轉速和扭矩受到限製；伺服電機通過（guò）減速箱（xiāng）驅動的方式能夠實現較大的（de）扭矩（jǔ），但是由於齒輪傳動間隙的存在，實（shí）現高精度的（de）C軸製造成本很高；電主軸（zhóu）直接驅動的方式由（yóu）於沒有中間傳遞環節的存在，而且電主軸本身轉動慣量大，其動態（tài）性能優異，目前受限於電機的輸出扭矩較低。從長遠來看，電主軸（zhóu）直接驅動方式前景廣闊。

      實踐中C軸主要考量其精度和穩定性（xìng）。

      保證C軸的精（jīng）度主要通過以下措施（shī）：①選（xuǎn）擇適當的角度編碼（mǎ）器實現位置反饋（kuì），構成閉（bì）環控製。角度編碼器的精度根據設計精度（dù）目標進行選擇，其機械允許轉速、電氣允許（xǔ）轉速與設（shè）備（bèi）匹配；並且按照要求進行（háng）安裝。②保證C軸驅動結構的精度，減少其傳動（dòng）結構中的傳動間隙。傳動間（jiān）隙（xì）不僅影響C軸精度，而且在切削過程中會導致振動的產生，對零件加工質量產生不利影響。對於沒有Y軸（zhóu）的車削中（zhōng）心，在其加工平麵（miàn）時（shí），通過（guò）C軸正反向（xiàng）旋轉與X軸（zhóu）進給多次插補形成加（jiā）工麵，加（jiā）工過程中極易產生振動，傳動間隙的控（kòng）製尤為重要。電主軸直接驅（qū）動由於沒有了中間（jiān）傳遞環節，幾乎沒有傳動間隙，在此方麵優勢明顯。

      C軸的穩定性主要是指主軸係統在切削中的抗振性。為（wéi）增加其穩定性，工程（chéng）實踐中（zhōng）的做法有：增加主軸（zhóu）係統的（de）慣量比，即（jí）選用大轉動慣量主電（diàn）機或減少被驅動件的轉動慣量，減少工件（jiàn）對主軸係統質量特性的影響；增加主軸係統阻尼，以吸收振動源（yuán）的能量等（děng）。由於（yú）機床振（zhèn）動問題比較複雜，在此不作詳細討論。

  
        C軸鎖緊機（jī）構

      鎖緊機構的結構形式有多（duō）種，基本原理都是通過施加軸向或徑向的摩擦力來實現。可以選用成型的產品，也可（kě）以自（zì）行設計（jì）。選用時根據應用場合、使用要求（qiú）進行，注意夾緊（jǐn）點（diǎn）均布，減少附加（jiā）力的產生。

      自行設計的鎖緊機構，一般以整個摩擦片（piàn）兩側整圓周抱緊，受（shòu）力比較均勻，可以通過調整夾緊力作為主軸係統阻尼使用。而（ér）成型的產品通過局部夾（jiá）緊實現鎖緊，通常不能用作阻尼。

      2.2 動力刀（dāo）架

      動力刀架即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（jià），是車削中心的（de）核心部件。

      最初的動（dòng）力刀架由電動刀架或液壓刀架上增加動（dòng）力驅動（dòng）模塊組成，這種動力刀架轉（zhuǎn）位由（yóu）刀架內置的電機實現，動力驅動模（mó）塊電機獨立，其（qí）轉位速度較慢，目前僅用於低端的車削中心上。

      隨著伺服刀架的出現（xiàn），出現了由伺服刀架本體搭載動（dòng）力（lì）驅動模塊的動力刀架，刀架轉位和動力驅動分別（bié）由伺服電機驅動，即（jí）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（le）單伺服動力刀架（圖1右），刀（dāo）架（jià）轉位和刀具旋轉由同一個伺服電機提供動力，結構更加緊湊。
 
      

       以上三種動力刀架，電（diàn）動刀架或液壓刀架（jià）搭載動力驅動模塊的方案最為經濟，可（kě）以（yǐ）適應一般（bān）車削中心的加工要求，由於其刀（dāo）架本體性能的限製，隨著（zhe）用戶（hù）要求的提高，這（zhè）種方案最終會被其他方案替代。而單伺服刀（dāo）架因其（qí）結構緊湊性能優越而備受用戶青睞，其價格也最為昂貴，多用於一些高端的車（chē）削中心產品上。

      為了進一步提升刀架的性能，一些機床製造商將直驅技術應用到動力刀架上。如Mori Seiki（森精機）的（de）built-in motor turret（見圖）。使用內裝電主軸直接驅動旋轉刀（dāo）具，取消了（le）伺服刀架動力驅動（dòng）結構中齒輪、皮帶等中間傳遞環節，刀架結構簡化，減少了振動和熱的產生，動力（lì）刀（dāo）具的轉速和扭（niǔ）矩進一步提高，動力（lì）刀架的性能（néng）得以提升。

       為適應（yīng）車削中心的發展要求，刀架廠商（shāng）推出（chū）了功能集成的刀架（jià）產品，如帶Y軸的動力刀架（見圖3）、帶B軸的動力刀架（見圖4）等。帶Y軸的動力（lì）刀（dāo）架（jià），搭載單伺（sì）服動力刀架，配置導軌絲杠，能夠實（shí）現（xiàn）一個直（zhí）線軸的運動，增加了刀（dāo）架的平麵加工能力；帶B軸的動力刀架，將轉台與動力刀架（jià）結合（hé）起（qǐ）來，可（kě）以實現刀架在一定範圍（wéi）內的擺動，使刀架可以實現更多角度的平麵及孔的加工，減少了機床的刀具配（pèi）置。這（zhè）些功能集成的刀架產品直接安裝在主機上即可（kě）實現對應的功（gōng）能，客觀上簡化了主（zhǔ）機結（jié）構，有助於擴展機床加（jiā）工範圍。

  
       3. Y軸的功能實現（xiàn）

   
      為了提高車削中心的平麵（miàn）加工能力，出現了帶Y軸的車削中心。所謂Y軸，即機床（chuáng）XOZ平麵法向方向的運動軸。具有（yǒu）Y軸，就具有了在（zài）XOZ垂直麵內的運動能力，刀具可以在Y軸實現進給（gěi），車削中心的加（jiā）工範圍擴（kuò）大。

      不帶Y軸（zhóu）的（de）車削中心，加工平麵時（shí）隻能沿X軸方向進給，當被加工（gōng）平麵寬（kuān）度L大於刀具直徑Dr時，單靠X軸方向的進給無法完成平（píng）麵的加工，隻能由C軸和X軸（zhóu）插補（bǔ）的方式分段逼（bī）近來實現，所形成的平麵（miàn）並非（fēi）真正（zhèng）平麵，而是曲率半徑很大的曲麵，存在係統誤差。為了提高加（jiā）工表麵質（zhì）量，采用小直徑銑刀切削、多次（cì）插補逼近，必然導致加工效率的低下。因此不帶（dài）Y軸的車削中心其（qí）平麵加工能力受到（dào）限製。

       車削中心Y軸功能實現，一般說來有兩（liǎng）種方式：虛（xū）擬Y軸和直接Y軸。

       虛擬Y軸的原（yuán）理如圖6左所示，Y軸通（tōng）過X1軸（zhóu）和（hé）X2軸插補形成，其坐（zuò）標值（zhí）通過（guò）X1、X2與角（jiǎo）度（dù）α進行換算。直接Y軸則在XOZ平麵的法向上設置進給軸、單伺（sì）服電機驅動（dòng）實現。圖5所示是兩種不同（tóng）Y軸（zhóu）實現（xiàn）形式的車削中心，左（zuǒ）圖（tú）為哈挺GS MSY係列，其Y軸（zhóu）為虛擬Y軸，右為沈陽機（jī）床HTC3285T2Y2，Y軸為直接Y軸，Y軸滑板安裝在X軸滑板之上。兩種結構各有優缺（quē）點：虛擬Y軸（zhóu）運（yùn）動由兩軸插補形成，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（wài），當機床用於（yú）重切（qiē）削時要充分考慮Y軸滑板的剛性。

      除（chú）上述方（fāng）案外，直接Y軸也有其他的實現形式。如Schaublin的137-11AX，采用山形床身，改變X軸（zhóu）、Y軸的運動疊加方式（X軸在上Y軸在下），刀架在X軸滑板上而Y軸置（zhì）於山（shān）形背側，減少了刀架（jià）懸（xuán）伸的不利影響，結構也（yě）比較緊湊。Mori Seiki的NZ係列產品的Y軸也（yě）采用了山形床身的結構（gòu），其下刀架的（de）Y軸（zhóu）則采用了該公司的八角滑枕（Octagonal Ram Construction）技術，提高了移動部（bù）件的剛性，減少了熱變形的影響。MAG的VDF180 T則采用了矩形截麵床（chuáng）身，X軸位於Y軸滑（huá）板之上，更方便排屑。

       無（wú）論何種形式，Y軸位於零點（車削位置）時，必須采取措施使Y軸可靠定位，避（bì）免零點發生偏移，造成工（gōng）件加工超差。

        4. 車（chē）削中心（xīn）產（chǎn）品

       常見的產品有以下幾種：

        單刀架產品

        主要是傳統意義的車削中心。具有C軸和動力刀架（jià），C軸驅動多采用帶（dài）傳動的方式，鎖緊機構選用成形產品。可以（yǐ）配置（zhì）第二主軸，與（yǔ）機械手、棒料進給機等配合實現較複雜零件的高效加工（gōng）。國內外車床製造商都有對應的產品，為車削中心的（de）經（jīng）濟型（xíng）產品。

       多（duō）刀架產品

       正副（fù）主（zhǔ）軸為標準配置，因刀架、Y軸的配置及形（xíng）式（shì）不同而呈現出多樣性，產品種類較多。其主軸多為內藏（cáng）式電主軸，至少有一個刀架配置Y軸，刀架工位多，12工位、16工位常（cháng）見。因多刀架（jià）的幹涉（shè）原因，該類設備主要用於棒料、軸類及較小直徑精密工件的複合加工，是車（chē）削中心的高端（duān）產品。國外此類產（chǎn）品比較成熟，Nakumura_Tome、Miyano、Biglia、Bumotec等（děng）機床（chuáng）製（zhì）造商都有（yǒu）相關產品，國內目前隻有（yǒu）沈陽機床、魯南機床等少數廠商進行了該類產品的研（yán）發。
一些公司將B軸刀架（jià）也用（yòng）到（dào）了車削中（zhōng）心產品上。比如（rú）Nakumura_Tome的Super NTJ、DMG的twin係列、TRAUB的TNL18-7B等。DMG的Twin係列，Ｂ軸刀架（上刀架）與Y軸組合，能夠加工斜孔和複雜型麵（miàn），副主軸還可以與上（shàng）刀架隨動，使上刀架有兩把刀具分別用（yòng）於正副主軸工件的加工；並且配置了下刀（dāo）架，可以有3把刀（dāo）具同時加工，大大（dà）提高（gāo）了機床的柔性及加工效率。

       在斜孔的加工中，外購的角度銑頭也被用在了動力（lì）刀架（jià）上，作為（wéi）斜孔較少且（qiě）斜（xié）孔直徑較小零件加工的一種低成本（běn）方案。

        5. 結語

        車削（xuē）中心以為提高（gāo）加工效率和加工精度為目標，在實際應用中，往往與棒料輸送機、上下料機械手、機器人等物料輸送設（shè）備配套使用，組（zǔ）成加工（gōng）單元或生（shēng）產線。製造商在提供設備的同時，將棒料輸送機、機內上下料機械臂作為（wéi）選項供用戶選擇。為了與主機匹配（pèi），一些機床製造商（shāng）根據主機需求（qiú）自行研製或定製（zhì）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（fā）著力進行以下（xià）工作（zuò）：

        核心功能部件的研發——對核心功能部（bù）件進行持續攻關。國內核心功能部件的研（yán）發製造能力較弱，製約了主機發展。近年來，在國家重大專項的支撐下，國內（nèi）一些主機廠（chǎng）及功能部（bù）件製造商對一些核心功能部件進行了技術攻關，已經在（zài）伺服動力刀架、轉台（tái）等方麵取得一些成果。

        機床基礎技術的研究與轉化——機床基礎技術的研究不夠深（shēn）入，一（yī）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（zào）企業沒有核心（xīn）技術，依然靠模仿（fǎng）和引進，無（wú）法提（tí）高產品檔次。

       用戶工藝（yì）的研究。用戶的要求越來（lái）越個性化，深入研究用戶工藝，才能為（wéi）用（yòng）戶提供合理的解決方案，提供滿足客戶需求的產品（pǐn）。

       相（xiàng）信（xìn）通過國內機床製造企業的努（nǔ）力，一定會有（yǒu）與國外高端產品媲美的設備出現。（文自：中捷機床有限公司細（xì）河技術部（bù））