車(chē)削中心設(shè)計(jì)與選用的基本問(wèn)題

靳敏

【摘 要】針對(duì)當(dāng)前車(chē)削中心設(shè)計(jì)和選用過(guò)程中存在的問(wèn)題，就其基本特點(diǎn)、總體布局、動(dòng)力刀具傳動(dòng)、Y軸結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了分析和說(shuō)明；指出了不同結(jié)構(gòu)機(jī)床的特點(diǎn)及適用范圍。

【關(guān)鍵詞】車(chē)削中心；特點(diǎn)；布局；動(dòng)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(chē)削中心是在數(shù)控車(chē)床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)、可用于回轉(zhuǎn)體零件車(chē)削及表面銑削、孔加工的簡(jiǎn)單車(chē)銑復(fù)合加工機(jī)床。車(chē)削中心的適用范圍廣、效率高、功能強(qiáng)，在企業(yè)中的應(yīng)用已日趨普遍，本文就車(chē)削中心的基本特點(diǎn)、總體布局、動(dòng)力刀具驅(qū)動(dòng)、Y軸結(jié)構(gòu)等基本問(wèn)題進(jìn)行了分析和說(shuō)明，指出了不同結(jié)構(gòu)機(jī)床的特點(diǎn)及適用范圍，希望能為機(jī)床設(shè)計(jì)和設(shè)備選用提供參考。

1 基本特點(diǎn)

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

車(chē)削加工是以工件旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)、刀具作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的切削加工方法，而鉆、鏜、銑加工則是以刀具旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)、刀具（或工件）作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的加工方法，兩者的工藝特征不同。因此，為了進(jìn)行車(chē)銑復(fù)合加工，安裝在車(chē)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(tái)那樣既能進(jìn)行任意位置的定位，也能實(shí)現(xiàn)切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，這就要求車(chē)削中心的主軸具有伺服軸同樣的插補(bǔ)控制功能，這一功能稱(chēng)為Cs軸插補(bǔ)控制（Cs Contouring Control），簡(jiǎn)稱(chēng)Cs軸控制。

車(chē)削加工的切削運(yùn)動(dòng)來(lái)自于工件的旋轉(zhuǎn)，故數(shù)控車(chē)床的車(chē)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(yùn)動(dòng)需要通過(guò)刀具旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，因此，車(chē)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(chēng)為動(dòng)力刀具（Live Tool）。

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

2 總體布局

車(chē)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(chē)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(wèn)題，機(jī)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(duì)加工精度的影響。因此，車(chē)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(tái)（圖3）是其常用的基本形式。

整體斜床身的車(chē)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(yùn)動(dòng)。這種機(jī)床的結(jié)構(gòu)層次少、整體剛性好、安裝運(yùn)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(chē)削中心。

平床身、斜滑臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，這種機(jī)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(jìn)給通過(guò)斜滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)雖增加了斜滑臺(tái)部件，整體剛性有所下降，但它不需要有整體傾斜的床身，機(jī)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(chē)削中心的常用結(jié)構(gòu)。

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

3 動(dòng)力刀具傳動(dòng)

動(dòng)力刀具傳動(dòng)系統(tǒng)是車(chē)削中心設(shè)計(jì)時(shí)最難處理的問(wèn)題，為了將切削功率傳遞到加工位置的動(dòng)力刀具上，它必須布置于刀架內(nèi)部；為了保證機(jī)床的加工能力，動(dòng)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(jī)床的加工范圍、防止出現(xiàn)機(jī)械干涉，也不能過(guò)多地增加刀架的外形尺寸。作為典型結(jié)構(gòu)，車(chē)削中心的動(dòng)力刀具主傳動(dòng)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(dòng)、主電機(jī)內(nèi)置于刀架前端的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是刀架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)鏈短、動(dòng)力刀具轉(zhuǎn)速高，而且動(dòng)力刀具主傳動(dòng)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(chē)床通用，便于產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)，因此，刀具的輸出轉(zhuǎn)矩、功率通常較小，另外，主電機(jī)的冷卻和散熱也是較難解決的問(wèn)題，因此，多用于高速加工的小規(guī)格車(chē)削中心。

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

4 Y軸結(jié)構(gòu)

車(chē)削中心需要有垂直于X/Z軸的Y軸運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是車(chē)削中心需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。作為最簡(jiǎn)單、直接的方法，是增加垂直移動(dòng)的Y軸滑臺(tái)，帶動(dòng)刀架進(jìn)行上下移動(dòng)（圖5a），這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易，但為了保證機(jī)床的加工范圍，Y軸傳動(dòng)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(guò)大，會(huì)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(chē)削中心。

擴(kuò)大Y軸行程的方法之一是將Y軸進(jìn)給系統(tǒng)布置在刀架的外部，為了增加機(jī)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(shí)際滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)和X軸不垂直，加工所需的Y軸運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)Y滑臺(tái)上下和X軸滑臺(tái)前后運(yùn)動(dòng)疊加后得到。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是Y軸安裝空間和行程均較大，而且可通過(guò)在數(shù)控車(chē)床上增加Y滑臺(tái)的方式實(shí)現(xiàn)，兩者的刀架、Z軸滑臺(tái)可通用，便于模塊化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。但是，為了進(jìn)行垂直方向的運(yùn)動(dòng)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(yǔ)

綜上所述，不同結(jié)構(gòu)的車(chē)削中心各有優(yōu)缺點(diǎn)，機(jī)床的性能與總體布局、動(dòng)力刀具傳動(dòng)形式、Y軸驅(qū)動(dòng)等因素密切相關(guān)，這些都是車(chē)削中心設(shè)計(jì)、用戶(hù)選用時(shí)需要引起注意的基本問(wèn)題。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]