車削中心設(shè)計與選用的基本問題

靳敏

【摘 要】針對當前車削中心設(shè)計和選用過程中存在的問題，就其基本特點、總體布局、動力刀具傳動、Y軸結(jié)構(gòu)等進行了分析和說明；指出了不同結(jié)構(gòu)機床的特點及適用范圍。

【關(guān)鍵詞】車削中心；特點；布局；動力刀具；Y軸

Basic Problems on the Design and Selection of Vertical Turning Centers

JIN Min

（Changzhou Institute of Mechatronic Technology， Changzhou Jiangsu 213164， China）

【Abstract】Aiming at the problems in design and selection of the turning center， the fundamental feature， general structure， live tooling driver and Y-Axis are analyzed and introduced. This paper also points out the characteristics and usage range under different structural turning centers.

【Key words】Turning center； Characteristic； Structure； Live tooling； Y-Axis

車削中心是在數(shù)控車床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來、可用于回轉(zhuǎn)體零件車削及表面銑削、孔加工的簡單車銑復(fù)合加工機床。車削中心的適用范圍廣、效率高、功能強，在企業(yè)中的應(yīng)用已日趨普遍，本文就車削中心的基本特點、總體布局、動力刀具驅(qū)動、Y軸結(jié)構(gòu)等基本問題進行了分析和說明，指出了不同結(jié)構(gòu)機床的特點及適用范圍，希望能為機床設(shè)計和設(shè)備選用提供參考。

1 基本特點

主軸具有Cs軸控制功能、刀架可安裝動力刀具、刀具可進行垂直方向的Y軸運動，這是車削中心和普通數(shù)控車床在功能上的主要區(qū)別。

車削加工是以工件旋轉(zhuǎn)為主運動、刀具作進給運動的切削加工方法，而鉆、鏜、銑加工則是以刀具旋轉(zhuǎn)為主運動、刀具（或工件）作進給運動的加工方法，兩者的工藝特征不同。因此，為了進行車銑復(fù)合加工，安裝在車削中心主軸上的工件不但需要旋轉(zhuǎn)，而且還需要像數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺那樣既能進行任意位置的定位，也能實現(xiàn)切削進給運動，這就要求車削中心的主軸具有伺服軸同樣的插補控制功能，這一功能稱為Cs軸插補控制（Cs Contouring Control），簡稱Cs軸控制。

車削加工的切削運動來自于工件的旋轉(zhuǎn)，故數(shù)控車床的車刀不需要旋轉(zhuǎn)，刀具可以固定安裝（圖1a）在刀架上。但是，銑削和孔加工的切削運動需要通過刀具旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)，因此，車削中心刀架上所安裝的鉆、鏜、銑加工刀具必須能夠旋轉(zhuǎn)，這樣的刀具稱為動力刀具（Live Tool）。

孔加工要求刀具能在加工平面進行定位，銑削加工則至少要有加工平面上的二維運動，因此，車削中心的刀具不但要有回轉(zhuǎn)體零件車削加工所需的徑向（X軸）和軸向（Z軸）運動，而且還需要有實現(xiàn)加工平面定位和銑削的垂直方向運動軸Y（圖1b）。

2 總體布局

車削中心以臥式為主。斜床身布局可以較好地解決了臥式平床身車床所存在的拖板突出前方、刀架布置困難、刀具容量小等一系列問題，機床的結(jié)構(gòu)剛性好、操作調(diào)整方便，并可減少主軸熱變形對加工精度的影響。因此，車削中心普遍采用斜床身布局，整體斜床身（圖2）和平床身、斜滑臺（圖3）是其常用的基本形式。

整體斜床身的車削中心結(jié)構(gòu)如圖2所示，其床身為整體傾斜結(jié)構(gòu)，傾斜角一般為45°、60°或75°；布置于床身后側(cè)的刀架可在傾斜的滑板上作徑向（X軸）運動。這種機床的結(jié)構(gòu)層次少、整體剛性好、安裝運輸方便，但刀架和滑板的重力將導(dǎo)致Z軸主導(dǎo)軌的受力不均勻，加上床身體積大、耗材多，加工制造有所不便；因此，多用于小型車削中心。

平床身、斜滑臺的結(jié)構(gòu)如圖3所示，這種機床的Z軸導(dǎo)軌為水平布置（或小角度傾斜），刀架的傾斜和Z軸進給通過斜滑臺實現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)雖增加了斜滑臺部件，整體剛性有所下降，但它不需要有整體傾斜的床身，機床的耗材、重量均大大降低，而且主導(dǎo)軌受力均勻、加工制造方便、精度容易得到保證，因此，這是大中型車削中心的常用結(jié)構(gòu)。

就機械結(jié)構(gòu)而言，車削中心的主軸傳動系統(tǒng)和數(shù)控車床的差別并不大，但是，由于車削中心的主軸要同時滿足車削加工的高速和銑削加工的切削進給要求，主電機必須有良好的低速和高速性能，電機規(guī)格也大于數(shù)控車床；此外，為了保證主軸有進給軸一樣的定位精度和剛性，車削中心的主傳動系統(tǒng)必須采用同步皮帶等無間隙傳動部件，主軸還需要增加機械制動裝置等。

3 動力刀具傳動

動力刀具傳動系統(tǒng)是車削中心設(shè)計時最難處理的問題，為了將切削功率傳遞到加工位置的動力刀具上，它必須布置于刀架內(nèi)部；為了保證機床的加工能力，動力刀具需要有足夠大的功率、轉(zhuǎn)矩和較高的轉(zhuǎn)速；而為了保證機床的加工范圍、防止出現(xiàn)機械干涉，也不能過多地增加刀架的外形尺寸。作為典型結(jié)構(gòu)，車削中心的動力刀具主傳動系統(tǒng)目前主要有圖4所示的兩種形式。

圖4a是采用電主軸直接驅(qū)動、主電機內(nèi)置于刀架前端的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是刀架結(jié)構(gòu)簡單、傳動鏈短、動力刀具轉(zhuǎn)速高，而且動力刀具主傳動系統(tǒng)不影響刀架的分度和定位，因而刀架的分度和定位部件可以與數(shù)控車床通用，便于產(chǎn)品的模塊化設(shè)計和生產(chǎn)。但是，由于刀架的內(nèi)部空間小，電主軸規(guī)格不能太大，而且?guī)缀醪豢赡茉黾幼兯贆C構(gòu)，因此，刀具的輸出轉(zhuǎn)矩、功率通常較小，另外，主電機的冷卻和散熱也是較難解決的問題，因此，多用于高速加工的小規(guī)格車削中心。

圖4b是動力刀具主電機外置于刀架后端的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的主電機安裝空間大、電機散熱好、變速實現(xiàn)容易，有助于提高動力刀具的輸出轉(zhuǎn)矩和功率。但是，其動力刀具主傳動系統(tǒng)必須穿越整個刀架（包括分度和定位機構(gòu)），在刀架前端還需要變換主傳動方向，其傳動部件多、傳動鏈長、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此，動力刀具的轉(zhuǎn)速一般較低，故適合于對銑削能力要求較高的大中型車削中心。

4 Y軸結(jié)構(gòu)

車削中心需要有垂直于X/Z軸的Y軸運動，其結(jié)構(gòu)設(shè)計也是車削中心需要重點考慮的問題。作為最簡單、直接的方法，是增加垂直移動的Y軸滑臺，帶動刀架進行上下移動（圖5a），這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)容易，但為了保證機床的加工范圍，Y軸傳動系統(tǒng)的外形受到制約，而且由于刀架為傾斜安裝，如果Y軸行程過大，會導(dǎo)致刀架的剛性下降和受力不良，因此，多用于中小規(guī)格的車削中心。

擴大Y軸行程的方法之一是將Y軸進給系統(tǒng)布置在刀架的外部，為了增加機床的穩(wěn)定性、改善受力，Y軸一般采用圖5b所示的傾斜布置，實際滑臺運動和X軸不垂直，加工所需的Y軸運動需要通過Y滑臺上下和X軸滑臺前后運動疊加后得到。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是Y軸安裝空間和行程均較大，而且可通過在數(shù)控車床上增加Y滑臺的方式實現(xiàn)，兩者的刀架、Z軸滑臺可通用，便于模塊化設(shè)計和生產(chǎn)。但是，為了進行垂直方向的運動合成，CNC必須具有傾斜軸控制功能，其控制較為復(fù)雜。

5 結(jié)語

綜上所述，不同結(jié)構(gòu)的車削中心各有優(yōu)缺點，機床的性能與總體布局、動力刀具傳動形式、Y軸驅(qū)動等因素密切相關(guān)，這些都是車削中心設(shè)計、用戶選用時需要引起注意的基本問題。

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[責任編輯：楊玉潔]