摘  要：本（běn）文在分析（xī）臥式車削（xuē）中心功能的基礎上，介紹了車削中心的（de）關鍵部件及其主要結構形式，對車削中心的（de）現有（yǒu）產品進行分析，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（shù）控車床上發展起來（lái），具（jù）有車、銑、鑽、攻絲等複合加工能力的高端產（chǎn）品。該種產品能夠一次裝夾完成工件的全部加工工序或大部分加工工序，減少工（gōng）序間的工件（jiàn）搬運，避（bì）免工件不同加工設備上（shàng）的反複裝夾，實現工件的高精度（dù）、高效率加工，廣泛應用於汽車、醫療、航空航天等行（háng）業精密複雜零件（jiàn）的加工。

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

      具有C軸（zhóu）功能。C軸是繞車床主（zhǔ）軸軸線的伺服軸，該功能使機（jī）床實現繞主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、配合動力刀具可以實現特定型麵的加工；

      具有動（dòng）力刀具（jù）。車削中心要實現（xiàn）銑、鑽、攻絲等加工，除了配（pèi）置（zhì）內外圓車削刀具外，還要配置可自驅動的銑刀、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（xīn）產品進行討論，不涉及排刀型車削中心。

      2.車削中心結構分析

      2.1  C軸

      C軸傳（chuán）動結構

      C軸的回轉驅動通常有主軸伺服電機通過帶傳動、進給伺服電機（jī）通過減速箱、電主軸直接驅動三（sān）種實現方式。
主軸伺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（yòng））傳動中（zhōng）滑（huá）移（yí）的存在，以及帶傳（chuán）動所必須的張緊力對主軸有較大（dà）的附（fù）加力（lì），因此V帶在此時（shí）很少用到（dào）。C軸驅動中經常使用的是同步齒形帶，靠齒形齧合傳動（dòng），有準確的傳動比和很小的初張緊力，並且允許較（jiào）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（sù）箱（xiāng）驅動：此種方式下，C軸驅動和主軸傳動為兩套傳動裝置（zhì）。C軸驅動電機為進給伺服電機，通過減（jiǎn）速箱驅動主軸低速旋轉，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（bù）件（jiàn）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（xì）統與主軸脫離。C軸驅動時通（tōng）過減速箱實現較大的傳動比，輸出轉速（sù）低（dī），扭矩大。主軸（zhóu）驅動可以實現高的轉速滿足車削時的（de）速（sù）度需求。

      電主（zhǔ）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。主軸慣性矩大，傳動鏈短，結構簡單。
 
     

      以上三種C軸實現方式：帶傳動因轉速和傳動比（bǐ）的原（yuán）因（yīn），其輸出轉速（sù）和扭矩（jǔ）受到限製；伺服（fú）電機通過減速箱驅動的方式能夠實現（xiàn）較大的（de）扭矩，但是由於齒輪傳動間隙的存在，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中間（jiān）傳遞環節的存在，而且（qiě）電（diàn）主軸本身轉動慣量（liàng）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，電主軸直接（jiē）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（zhóu）的精度（dù）主要通過以下（xià）措施：①選擇適當（dāng）的角度（dù）編碼器實現位置反饋，構（gòu）成閉環控製（zhì）。角（jiǎo）度編碼器的精度根據設計精度（dù）目（mù）標進行（háng）選擇（zé），其機（jī）械允（yǔn）許轉速、電氣允許轉速與（yǔ）設備匹配；並且按照要求進（jìn）行安裝。②保證C軸驅動結構的精度，減少其傳動結構中的傳（chuán）動間隙（xì）。傳動間隙不僅影響C軸精度，而（ér）且在切削過程中會導致振動的產生，對零件加工質量（liàng）產生不利影響。對於沒有Y軸的車削中心，在其（qí）加工平麵時，通（tōng）過C軸正（zhèng）反向旋轉（zhuǎn）與X軸進給多次插（chā）補形成加工麵（miàn），加工過程中極易產生振動，傳動間隙的控製尤為重要。電（diàn）主軸直接驅動由於沒有了（le）中間傳遞環節，幾乎沒有傳（chuán）動（dòng）間隙，在此方麵優勢明顯。

      C軸的穩定性主要是（shì）指主軸係統在切削中的抗振性。為增加其穩定性，工程實踐中（zhōng）的做法有：增加主軸係統的慣量比，即選用大轉動慣量主電機或減（jiǎn）少被驅動件的轉動慣量，減少工件對主（zhǔ）軸係統質量（liàng）特性的影響；增加主軸係統阻尼（ní），以吸收振動源的能量（liàng）等。由於機床振動（dòng）問題比較複雜，在此不作詳細討論。

  
        C軸鎖緊機構

      鎖緊機構的結構形式有多種，基本原理（lǐ）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。選用時根據應用場合、使用要求進行，注意夾緊點均布，減少附加力的產生。

      自行設計的鎖緊機構，一般以（yǐ）整（zhěng）個摩（mó）擦片兩側整圓周抱（bào）緊，受力比較均勻，可以（yǐ）通過調整夾緊力作為主軸係統阻尼使用。而成型的產品通過局部夾（jiá）緊實現（xiàn）鎖緊，通常不能用作（zuò）阻（zǔ）尼（ní）。

      2.2 動力刀架

      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，是車削中心的核心部件。

      最（zuì）初的（de）動力刀架由電動刀架或液壓刀架上增加動力驅動模塊組成，這種動力刀架轉位（wèi）由（yóu）刀架內置（zhì）的電機實現，動力（lì）驅動模（mó）塊電機獨立（lì），其（qí）轉位速度較慢，目（mù）前僅用於低端的車削中（zhōng）心上。

      隨著伺（sì）服刀架的出現，出現了由伺服刀架本體（tǐ）搭載動力驅動模塊的動力（lì）刀架，刀架轉（zhuǎn）位和動力（lì）驅動分（fèn）別由伺服電機驅動，即所謂的雙伺（sì）服動力刀架（圖1左）。

      刀架技術的進（jìn）一步發展，出現了單伺服動力刀架（圖（tú）1右（yòu）），刀架轉位和刀具旋（xuán）轉由同一個伺（sì）服電機提供動力，結構更加緊（jǐn）湊。
 
      

       以上三（sān）種（zhǒng）動力刀架，電動刀架（jià）或液（yè）壓刀架搭載動力驅（qū）動模塊（kuài）的方（fāng）案最為經濟，可以適應一般車削中心的加工要求，由於（yú）其刀架（jià）本體性能的限製，隨著用戶要求的（de）提高，這種方案最終會被其他方案（àn）替代。而單伺服刀架因其結構（gòu）緊湊性能優越而備受用戶青睞，其價格也最為昂（áng）貴，多用（yòng）於一些高端（duān）的車削中心產品上。

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

       為適應車削中心的發展要求，刀架廠商推出了（le）功能集成（chéng）的刀架產（chǎn）品，如帶Y軸（zhóu）的動力刀（dāo）架（jià）（見圖3）、帶（dài）B軸的（de）動力刀架（見（jiàn）圖4）等。帶Y軸的動力刀架，搭（dā）載單伺服動力刀架，配置導軌絲杠，能夠實現一個直線軸的運動，增加了刀架的平麵加工能力；帶B軸的動力刀架（jià），將轉台與動力刀架結合起來，可以實現刀架在一定範圍內的擺動，使刀架可以實現更多角度的平麵及孔的加工，減少了機（jī）床的刀具配置。這些功能集成的刀架產品直接安裝在（zài）主機上即可實現對應的功能，客觀上簡化了主（zhǔ）機結構，有（yǒu）助於擴展機床加工範圍。

  
       3. Y軸的功能（néng）實現

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

      不帶Y軸的車削中心，加（jiā）工平（píng）麵時隻能沿X軸方向進給，當被（bèi）加工平麵寬度L大於刀具直徑Dr時，單靠X軸方向的進給（gěi）無法完成平麵的加工，隻能由C軸和X軸插補的方式分段逼近來實現（xiàn），所形成的平麵並非真正平麵（miàn），而是曲率（lǜ）半徑（jìng）很大（dà）的曲麵，存（cún）在係統誤差。為了提高加工表麵質量，采用小直徑銑刀切削、多次插補逼（bī）近，必然導致加工效（xiào）率的低下。因此不（bú）帶Y軸的車削中心（xīn）其平麵加工能力受到限（xiàn）製。

       車削中心Y軸功能實現，一般（bān）說來有兩種方式：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（chéng），其坐標值通過X1、X2與角度α進（jìn）行換算。直接Y軸則在XOZ平麵（miàn）的法（fǎ）向上設置（zhì）進給軸、單伺服電機驅動實現。圖5所示是兩種不同Y軸實現形式的車削中心，左圖為哈挺GS MSY係列，其（qí）Y軸為虛擬Y軸，右為沈陽機床HTC3285T2Y2，Y軸為直接Y軸，Y軸滑板（bǎn）安裝在X軸滑（huá）板之上。兩（liǎng）種結構各有優缺點：虛擬（nǐ）Y軸運動由兩軸插補形成，Y軸行程較短；床鞍的傾（qīng）斜角度一般在75°以內，其刀架坐落在滑板之內。直接Y軸（zhóu）由電機（jī）直接驅動，Y軸行程較大；直接Y軸的刀架懸伸（shēn）在Y軸滑板之外，當機（jī）床用（yòng）於重切削時要（yào）充分（fèn）考慮Y軸滑板的剛性。

      除（chú）上述方案外，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、Y軸的運動疊加方式（X軸在上Y軸在下），刀架在X軸滑（huá）板上而Y軸置於（yú）山（shān）形背側，減少了刀架懸伸的不利影響，結（jié）構也比較緊湊。Mori Seiki的NZ係列產品的Y軸也采（cǎi）用了山（shān）形床身的結構（gòu），其下刀架（jià）的（de）Y軸則采用了該公司的八角滑枕（zhěn）（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軸位於零點（車削位置（zhì））時，必須采取（qǔ）措施使Y軸可靠定位，避免零點發生偏移，造（zào）成工件加工超差。

        4. 車（chē）削（xuē）中心產品

       常見的產品有以下幾種：

        單刀架產品

        主要是傳統意（yì）義的車削中心。具有C軸（zhóu）和動力刀架，C軸驅動多采用（yòng）帶（dài）傳動（dòng）的方式，鎖緊機構選用成形產品。可以配置第二主（zhǔ）軸，與機械手（shǒu）、棒料進（jìn）給機等配合實現較複雜（zá）零件的高（gāo）效加工。國內外車床製造商都有（yǒu）對應的產（chǎn）品，為車削中（zhōng）心（xīn）的經濟型產品（pǐn）。

       多刀架產（chǎn）品

       正副（fù）主軸為標準配置，因刀（dāo）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，至少有一個刀架配置Y軸，刀（dāo）架（jià）工位多，12工位、16工位（wèi）常見。因多刀架的幹涉原因，該類設備主（zhǔ）要用於（yú）棒料、軸類及較小直徑精密工件的複合加工，是車削中心（xīn）的高端（duān）產品。國外（wài）此類產品比（bǐ）較成熟，Nakumura_Tome、Miyano、Biglia、Bumotec等機床製造商（shāng）都有（yǒu）相關產品（pǐn），國內（nèi）目前隻（zhī）有沈陽機床、魯南機床等（děng）少數廠商進行（háng）了該類產品的研發。
一些（xiē）公司將B軸刀架也用到了車削中心產品上。比如Nakumura_Tome的（de）Super NTJ、DMG的twin係列、TRAUB的TNL18-7B等。DMG的Twin係（xì）列，Ｂ軸刀架（上刀架）與Y軸組合，能夠加工斜孔和複（fù）雜型麵，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於正副主軸工件（jiàn）的加工；並且配置了下刀架，可以有3把刀具同時加（jiā）工，大大提（tí）高了機床的柔性（xìng）及（jí）加工效率。

       在斜孔的加工（gōng）中，外購的角度銑頭也被用在了動力刀（dāo）架上，作為斜孔較少且斜孔（kǒng）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（jì）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備配套使用（yòng），組成加工單元或生產線。製造（zào）商在提供設備的同時，將棒料輸送機、機（jī）內上下料機械臂作為選項供用戶選（xuǎn）擇。為（wéi）了與主機匹配，一些機床製（zhì）造商根據主機（jī）需求自行研製或定製（zhì）刀架，以達到最優的性能。

       有（yǒu）鑒於此，我（wǒ）認為國（guó）內車削中心產品（pǐn）研發著力進行以下工作：

        核心功能部件的研發——對核心功能部件進（jìn）行持續攻關。國內核心功能部件的研發製造能力較（jiào）弱，製約了主（zhǔ）機發展。近年來，在國家重（chóng）大專（zhuān）項的（de）支撐下，國內一些主機廠及（jí）功能部件製造商對一些核心（xīn）功能部件進行了技術攻關，已（yǐ）經在伺（sì）服動力刀架、轉台等方麵取得（dé）一（yī）些成果。

        機床基礎技術（shù）的（de）研究與轉化——機床基礎（chǔ）技術的研究不（bú）夠深入，一些研（yán）究成果停留在實驗室的階段，沒有轉（zhuǎn）化（huà）為應用成（chéng）果。這導致製造企業沒有核心技術，依然靠（kào）模仿和引進，無法提高（gāo）產品檔次。

       用戶工藝的研究。用戶的要求越來（lái）越個性化，深入（rù）研究用戶工藝，才能為用戶提供合理的解決方案（àn），提（tí）供滿足客（kè）戶（hù）需求的產品。

       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備出現。（文自：中捷機床有（yǒu）限公司細河技術部）