基于插補Y軸的車銑復(fù)合加工中心總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計及性能分析

王建軍， 李文祥， 楊紅軍， 李小飛

（寶雞機床集團有限公司，陜西 寶雞721013）

0 引言

車銑復(fù)合加工中心憑借其高效率、高精度及較強的加工性能，越來越受到廣大機床用戶的青睞，因此，如何構(gòu)思、設(shè)計車銑復(fù)合加工中心，已經(jīng)成為機床企業(yè)工程師當下任務(wù)。

1 車銑復(fù)合加工中心總體布局分析

車銑復(fù)合加工機床除了具有X、Z兩個方向的直線坐標軸外，它至少還比一般數(shù)控車床多1個旋轉(zhuǎn)坐標軸C軸（目前有些高檔的車銑復(fù)合中心還帶B軸）和一個直線坐標軸（Y軸），而且可以實現(xiàn)多軸聯(lián)動加工。主要結(jié)構(gòu)形式有以下3種：

1）第一種結(jié)構(gòu)形式。以臥式車床斜床身為基礎(chǔ)，分別設(shè)計有X、Z、Y3個進給軸，并配有C軸。該類機床以車削為主，銑削為輔，適合加工體積較小的回轉(zhuǎn)體類零件。

2）第二種結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)是加工中心。在加工中心機床結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加帶C軸車主軸，用旋轉(zhuǎn)夾盤夾持工件，實現(xiàn)車銑復(fù)合。該類機床以銑削為主，車削為輔，適合加工需要大量銑削類零件。

3）第三種結(jié)構(gòu)形式。整體采用龍門式結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，配備具有C軸功能的旋轉(zhuǎn)工作臺。該類機床一般規(guī)格較大，以鏜、銑加工為主，車加工為輔，適合大型復(fù)雜零件的加工。

2 車銑復(fù)合加工中心總體布局方案的確定

2.1 機床結(jié)構(gòu)形式的選定

通過對目前國內(nèi)外現(xiàn)有車銑復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)形式的對比和分析研究，在結(jié)合國內(nèi)外同類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點以及筆者公司豐富的研發(fā)數(shù)控車床、加工中心的經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，從適合市場需求和適合公司的開發(fā)要求等角度出發(fā)，首先將機床結(jié)構(gòu)形式定位在中、小型的四軸聯(lián)動車銑中心，因此從結(jié)構(gòu)形式上就排除了第三種的龍門式結(jié)構(gòu)。其次，由于公司產(chǎn)品線多年來以全功能數(shù)控車床為主，對該類機床的設(shè)計、試制、批量生產(chǎn)公司有著獨有的競爭優(yōu)勢，所以排除第二種結(jié)構(gòu)形式，因此公司車銑復(fù)合加工中心在結(jié)構(gòu)上采用第一種結(jié)構(gòu)形式。機床總體布局及各軸運動布置圖見圖1。

圖1 車銑復(fù)合中心總體布局及各軸運動布置圖

2.2 車銑復(fù)合加工中心Y軸結(jié)構(gòu)分析、選取

因為機床是以斜床身數(shù)控車床為基礎(chǔ)的，因此X、Z軸在運動布置上，不存在歧義，在Y軸的布置上有以下兩種方案：

圖2 帶Y軸伺服動力刀塔圖

1）第一種方案是直接Y軸結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)是選用類似意大利DUPLOMATIC公司帶Y軸伺服動力刀塔（如圖2所示）。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是Y軸運動是直接的，行程一般較大，其不足一是Y軸立柱受布局限制，受力不很合理，易形成懸臂支承，影響加工精度；二是在相同體積范圍內(nèi)，相比較而言，刀塔剛性較弱。

2）第二種方案是采用上、下床鞍在斜床身上插補形成虛擬的Y軸結(jié)構(gòu)，通過X軸和一個與X軸有一定夾角的Y′軸差補來實現(xiàn)Y軸（X軸、Y′軸合成虛擬Y軸運動示意圖見圖3）。

圖3 虛擬Y軸運動示意圖

第二種方案的優(yōu)點是剛性高（沒有刀架在Y軸上的懸伸），拖動重力輕，易于控制，機床布局合理，切削空間大，適合中小規(guī)格機床采用。這種方案的缺點是對床鞍夾角的角度加工精度要求很高，不易達到很高精度，但可以利用數(shù)控系統(tǒng)補償功能進行彌補。

筆者公司研究的對象是適合中等規(guī)格零件的加工，最終公司考慮采用虛擬Y軸結(jié)構(gòu),確保最佳的剛性和最佳的性價比。目前，該產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，開始服務(wù)于國家重要的工業(yè)制造和國防工業(yè)制造領(lǐng)域。

3 結(jié)語

在分析國內(nèi)外車銑中心各結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，根據(jù)筆者公司實際情況，最終確定機床的總體布局方案。在機床的總體布局設(shè)計過程中，主要對車銑中心機床的結(jié)構(gòu)形式、虛擬Y軸結(jié)構(gòu)形式進行了分析和闡述。

［1］ 李憲凱，崔佩強，吳俊勇，等.車銑復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)分析［J］.設(shè)備管理與維修，2006（1）：36，42.

［2］ 王玨.高速精密五軸聯(lián)動加工中心結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能研究［D］.成都：四川大學，2005：7-8.