摘  要：本文在分析臥式（shì）車削中心功能的基礎（chǔ）上，介紹了車削中（zhōng）心的關鍵部件及其主要（yào）結構形式，對車削中心的現有產品進行分析，展望了（le）國內車削中心的（de）未來。

      關鍵詞：車削中心 C軸 動力刀架（jià） Y軸

        1.引言（yán）

       臥（wò）式車削中心是在普通數控車床上發展起來，具有車、銑（xǐ）、鑽、攻絲等複合加（jiā）工能力的高端產品。該種產品（pǐn）能夠一次裝（zhuāng）夾完成工件的全部加工工序或大部分加工工序，減少工序間（jiān）的工件搬運（yùn），避免工件不同加工設備上的反複裝夾，實現工件的（de）高精度、高效率加工，廣泛應用於汽車、醫療、航空航天（tiān）等（děng）行業精密複雜零件的加（jiā）工。

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

      具有C軸功能。C軸是繞（rào）車床主軸軸線（xiàn）的伺（sì）服軸，該功能使機（jī）床實現繞主軸軸（zhóu）線的連續分度和任意點的定（dìng）位鎖緊，和其他伺服軸進行聯動、配合動力刀具（jù）可以（yǐ）實現特定型麵的加工；

      具有動力刀具。車削中心要實（shí）現銑（xǐ）、鑽（zuàn）、攻絲等加工（gōng），除了配置內（nèi）外圓車削刀（dāo）具外，還要配置可自驅（qū）動的銑（xǐ）刀、鑽頭、絲錐等刀具（jù），達到工序集中的目的。

      本文（wén）僅對（duì）刀架（jià）型（xíng）的車削中心產品進行討論，不涉及排刀型（xíng）車（chē）削中心。

      2.車削中心結構分析

      2.1  C軸

      C軸傳動結構

      C軸的回轉驅動通常有主軸伺服電機通過帶傳動、進給伺服電機通（tōng）過（guò）減速箱、電主軸直接驅（qū）動三種實現方式。
主軸伺服電機通過（guò）帶傳動驅動方式：主（zhǔ）軸（zhóu）驅動和C軸驅動共用（yòng）一套傳動裝置（zhì）。由於V帶（機床中常用（yòng））傳動中滑移（yí）的（de）存在，以及（jí）帶傳動所必須的張緊力對（duì）主軸有較大的附加力，因此V帶在此（cǐ）時很少（shǎo）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，有準確的（de）傳動比和很小的初張緊力，並且允許較高（gāo）的轉速，傳動（dòng）的精度和效（xiào）率較高。

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

      電主軸直（zhí）接驅動：驅動電（diàn）機轉（zhuǎn）子直接（jiē）套裝在主軸上實現（xiàn）C軸驅動。主軸慣性矩大，傳動鏈短，結構簡（jiǎn）單。
 
     

      以上三種C軸實現方式：帶傳動因轉速和傳動比（bǐ）的原因，其輸出轉速和（hé）扭矩受到限製；伺服（fú）電機通過減速箱（xiāng）驅動的方式能夠實現較大的扭矩，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（yóu）於沒有中間傳遞環節的存（cún）在，而且電主軸本身轉動慣量大（dà），其（qí）動態性能優異，目前（qián）受限於電機的輸出扭矩較低。從長（zhǎng）遠來看，電主軸直（zhí）接（jiē）驅動方式前景廣闊。

      實（shí）踐中C軸（zhóu）主要（yào）考量其精度和穩定性。

      保證C軸的精度主（zhǔ）要通過以下措（cuò）施：①選擇（zé）適當的角度編碼器實現位置反饋，構成閉環控製。角度編碼（mǎ）器的精度根據設計精度目（mù）標進行選（xuǎn）擇，其機械允（yǔn）許轉速、電氣允許轉速與設備匹配；並（bìng）且按照要求進行安裝。②保證C軸驅動結構的精（jīng）度，減少其（qí）傳動結構中的傳動間隙。傳動間隙不僅（jǐn）影響C軸精度，而且（qiě）在切削過程中會導（dǎo）致振（zhèn）動的（de）產生，對零件加工質量產生不利影響。對於沒有（yǒu）Y軸的車削中心，在其加工平麵時，通過C軸正反向旋轉與X軸進給多次插（chā）補形成（chéng）加工麵，加工過程中極易產生振動，傳動間隙的控製尤為重要。電主軸直接驅動由於沒有了中間（jiān）傳遞環節，幾乎（hū）沒（méi）有傳動間隙，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（xìng）。為增加其穩定性，工程實踐中的做法有：增加主軸係統的（de）慣量比，即選用大轉動（dòng）慣量主電機（jī）或減少被驅動件（jiàn）的轉動慣（guàn）量（liàng），減少（shǎo）工件對主軸係統質量特性的影響；增加主軸係統阻尼（ní），以吸收（shōu）振動源的能量等。由於機床振（zhèn）動問題比較複雜，在此不作詳細討論。

  
        C軸鎖緊機構

      鎖緊機構的結構形（xíng）式有多種，基本原理都是通過施加軸向或徑向的摩（mó）擦力來實現。可以選用成型的產品，也可以自（zì）行設計。選用時根據應（yīng）用場合、使用要求進行，注意夾緊點均布，減少（shǎo）附加力的（de）產生。

      自行設計的鎖緊機構，一般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作為（wéi）主軸係統阻尼使（shǐ）用。而成型的產品通過（guò）局部夾緊實現（xiàn）鎖（suǒ）緊，通（tōng）常不能用作阻（zǔ）尼。

      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（wèi）上刀具旋轉提供動力的刀架（jià），是車（chē）削中心的核心部件。

      最初（chū）的動力刀架由電動刀架或液（yè）壓刀架上增加動力驅（qū）動模塊組成，這（zhè）種動力（lì）刀架轉位由刀架內置的電機（jī）實現，動力驅（qū）動模塊電機獨立，其轉位速度較慢，目前僅用於低端的車削中心上。

      隨著伺服刀（dāo）架的出（chū）現（xiàn），出現了由伺（sì）服刀架本體搭載動（dòng）力驅動模塊（kuài）的動力刀（dāo）架，刀架轉位和動力驅動分別由（yóu）伺服電機驅動，即所謂的雙伺服動力刀（dāo）架（圖1左）。

      刀架技（jì）術的進一步發展（zhǎn），出現了單伺服動力刀架（圖1右），刀架轉位和刀具旋轉由同一（yī）個伺服電機提供動力，結構更加緊湊。
 
      

       以上三種動力（lì）刀（dāo）架，電動刀架或液壓（yā）刀架搭載動力驅動模（mó）塊的方案最為經濟，可以（yǐ）適應一般車削中心的加（jiā）工要（yào）求，由於其刀架本體性能（néng）的限（xiàn）製，隨著用戶要求的提高，這種方案最終會被其他方案替代。而單伺服（fú）刀架因其（qí）結構緊（jǐn）湊性能（néng）優越（yuè）而備受用戶青睞，其價格也最為昂貴，多用（yòng）於一些（xiē）高端的車削中心產品（pǐn）上。

      為了進一步提升刀架的性能，一些機床製造商將（jiāng）直驅技術應用到動力刀架上（shàng）。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，刀架結構簡化，減少了振動和熱的產生，動力刀具的轉速和扭矩進一步提高，動力刀架的性能得以提升。

       為（wéi）適（shì）應車削中心的發展要求，刀架廠商推（tuī）出了功能集（jí）成的刀架產品，如帶Y軸的動力刀（dāo）架（見圖3）、帶B軸的動力刀架（見圖4）等。帶Y軸的動力刀架，搭（dā）載單伺服動力刀架，配置導（dǎo）軌絲杠，能夠實現一個直線軸的運動，增加了刀架的平麵加（jiā）工能力；帶B軸的動力刀架，將轉（zhuǎn）台與動力刀架結（jié）合起來，可以實現刀架在一定範圍內的擺（bǎi）動，使刀架（jià）可以實現更多角度的平麵及孔的加工，減少了（le）機床的刀具配置。這（zhè）些（xiē）功能集成的刀架（jià）產品直接安裝在主機上即可實現對應的功能，客觀上簡化了主機結構，有助於擴展機床加工範圍。

  
       3. Y軸的功（gōng）能（néng）實現（xiàn）

   
      為了提高車削中心的平麵加工能力，出現了帶Y軸的車削中心。所謂Y軸，即機床XOZ平麵法向方向的運動軸。具有Y軸，就具有了在XOZ垂直麵內的運動能力，刀具可以（yǐ）在Y軸實現進（jìn）給，車削（xuē）中心的加工範（fàn）圍擴大。

      不帶Y軸（zhóu）的車削中心（xīn），加工平麵時隻能沿X軸方（fāng）向進給，當（dāng）被加工平麵（miàn）寬度L大於（yú）刀具直徑Dr時，單靠X軸方向的進給無法完成（chéng）平（píng）麵的加工，隻能（néng）由C軸（zhóu）和（hé）X軸插補的方式分段逼近來實現，所形成的平麵並非真（zhēn）正平麵，而是曲率半徑很大的曲麵，存在係統誤差。為了提高（gāo）加工（gōng）表麵質量，采用小直徑銑刀切削、多次插補逼近，必然導致加工效率的低下。因此不帶（dài）Y軸的車削中（zhōng）心其平麵加工能力（lì）受到（dào）限製。

       車削中心Y軸功能實現，一般說來有兩種方式：虛擬Y軸和直接Y軸（zhóu）。

       虛擬Y軸的原理如（rú）圖6左（zuǒ）所示，Y軸通過（guò）X1軸（zhóu）和X2軸插補形成，其坐標值通（tōng）過X1、X2與角度α進行換（huàn）算。直接Y軸則（zé）在XOZ平麵的法向上設置進給軸、單伺服電機驅動（dòng）實現。圖5所示是兩種不同Y軸實現（xiàn）形式的車削中心，左圖為哈挺GS MSY係（xì）列，其Y軸（zhóu）為（wéi）虛擬Y軸，右（yòu）為沈陽機床HTC3285T2Y2，Y軸為直接Y軸，Y軸滑板安裝在X軸滑板之上。兩種（zhǒng）結（jié）構各有優缺點（diǎn）：虛擬Y軸運動由兩軸插補形成（chéng），Y軸行程較短；床鞍的傾斜角度一般在75°以內，其刀架坐落在滑板之內（nèi）。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Y軸滑板之外，當機床用於重切削時要充分考慮Y軸滑（huá）板的（de）剛性。

      除上述方案外，直接（jiē）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軸的運動疊加方式（X軸在上Y軸在下），刀架在X軸滑（huá）板（bǎn）上而Y軸置於山形背側，減少了刀架懸（xuán）伸的不利影響，結構也比較緊（jǐn）湊。Mori Seiki的NZ係列產品的（de）Y軸也采用了山形床身的結構（gòu），其下刀架（jià）的Y軸則（zé）采用了該（gāi）公司的八角滑枕（zhěn）（Octagonal Ram Construction）技術，提（tí）高了移動（dòng）部件（jiàn）的剛性，減少了熱變形的（de）影響。MAG的VDF180 T則采用（yòng）了矩形截麵床身，X軸位於（yú）Y軸滑板之上，更方便排屑。

       無論何種形式，Y軸位於零點（車削位置）時，必須采取（qǔ）措施使Y軸可靠定位，避免零點（diǎn）發生偏移，造成工件加工超差。

        4. 車削中（zhōng）心（xīn）產品

       常見的產品有以下幾種：

        單刀架產品（pǐn）

        主（zhǔ）要是傳統意義的車削中心。具有C軸和動力刀架，C軸驅動多（duō）采用帶傳動的方式，鎖緊機構選用（yòng）成形產品。可以配置第二主軸（zhóu），與機械手（shǒu）、棒料進給機等配合實（shí）現較複雜零件的高效加工。國內外車（chē）床製造商都有對應的（de）產品，為車削中心的經濟型產品。

       多刀架產品

       正副主軸為標準配置，因刀（dāo）架（jià）、Y軸的配置及形（xíng）式不同（tóng）而呈現出多樣性，產品（pǐn）種（zhǒng）類較多。其主軸多為（wéi）內藏式電主軸，至少有一個刀架配置Y軸，刀架工位多，12工（gōng）位、16工位常見。因多刀架的幹（gàn）涉原因，該類設（shè）備主要用於棒料（liào）、軸類及較小直徑精密工件的複合加工，是車削中心的高端產品。國外此類產（chǎn）品比較成熟，Nakumura_Tome、Miyano、Biglia、Bumotec等機床製（zhì）造（zào）商都有相關產品（pǐn），國內目前隻有沈陽機床、魯南機床等（děng）少數廠商進行了該類產品的（de）研發。
一些公司將B軸刀架也用（yòng）到（dào）了車（chē）削中心產品上。比如（rú）Nakumura_Tome的Super NTJ、DMG的twin係（xì）列、TRAUB的TNL18-7B等（děng）。DMG的Twin係列，Ｂ軸刀架（上刀架）與Y軸組合，能（néng）夠加工斜孔和複雜型麵，副主軸還可以與上刀架隨動，使上刀架有兩把刀具分別用於正副主軸工件的加工；並且配置了下刀架（jià），可以有3把刀具同時加（jiā）工，大大提（tí）高了機床的柔性及加工（gōng）效（xiào）率。

       在斜孔的加工中，外（wài）購的角度（dù）銑頭也被用在了動力刀架上，作為斜孔較少且斜孔直徑較小零件加工的一種（zhǒng）低（dī）成本方案。

        5. 結語

        車削中心以為提高加工效率（lǜ）和加工精度為目標，在實際應用中，往往與棒料輸送機、上（shàng）下料機械手、機器（qì）人等（děng）物料輸送設備配套使用，組（zǔ）成加工單元或生產線。製造商在提供（gòng）設備的同時，將棒料輸送機、機內上下料（liào）機械臂作為選項供（gòng）用戶選擇。為了與主機匹配，一些機床（chuáng）製造商根據主機需求自行研（yán）製或定製刀架，以達到最優的性能（néng）。

       有鑒於此，我認為國內（nèi）車削中心（xīn）產品研發著力進（jìn）行以下工作：

        核心功能部件的研發——對（duì）核心功能部件進行持續攻關。國內核心功能部（bù）件的研發製造能力較弱，製約了主機發展。近年來，在國家重大專項的支撐下，國內一些主機廠及功能部件製造商對一些核心（xīn）功能部件進行了技術攻關，已經在（zài）伺服動（dòng）力刀架、轉台等方（fāng）麵取得一些成（chéng）果（guǒ）。

        機床基礎（chǔ）技（jì）術的研究與轉化——機床基礎技術的研究不夠深入，一些研究成果停留在實驗室的階段，沒有轉化為應（yīng）用成果。這導致製造企業沒有核心（xīn）技術（shù），依然靠模仿和（hé）引進，無法提高產品檔次（cì）。

       用戶工藝的研究。用戶的要求（qiú）越來（lái）越個性化（huà），深入研究用（yòng）戶（hù）工藝，才能為用（yòng）戶（hù）提供（gòng）合（hé）理的解決方案，提供滿足客戶需求的產品（pǐn）。

       相信通過國內（nèi）機床製造（zào）企業的努力，一（yī）定會有與國外高端產品媲美的（de）設備出現。（文自：中捷機床有限公司細河技術部）