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       摘  要：本文在分析臥式車(chē)削中心功能的基礎(chǔ)上，介紹了車(chē)削中心的關(guān)鍵部件及其主要結(jié)構(gòu)形式，對(duì)車(chē)削中心的現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行分析，展望了國(guó)內(nèi)車(chē)削中心的未來(lái)。

      關(guān)鍵詞：車(chē)削中心 C軸 動(dòng)力刀架 Y軸

        1.引言

       臥式車(chē)削中心是在普通數(shù)控車(chē)床上發(fā)展起來(lái)，具有車(chē)、銑、鉆、攻絲等復(fù)合加工能力的高端產(chǎn)品。該種產(chǎn)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，減少工序間的工件搬運(yùn)，避免工件不同加工設(shè)備上的反復(fù)裝夾，實(shí)現(xiàn)工件的高精度、高效率加工，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、醫(yī)療、航空航天等行業(yè)精密復(fù)雜零件的加工。

      除了一般數(shù)控車(chē)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，車(chē)削中心還應(yīng)具備以下特征：

      具有C軸功能。C軸是繞車(chē)床主軸軸線的伺服軸，該功能使機(jī)床實(shí)現(xiàn)繞主軸軸線的連續(xù)分度和任意點(diǎn)的定位鎖緊，和其他伺服軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)、配合動(dòng)力刀具可以實(shí)現(xiàn)特定型面的加工；

      具有動(dòng)力刀具。車(chē)削中心要實(shí)現(xiàn)銑、鉆、攻絲等加工，除了配置內(nèi)外圓車(chē)削刀具外，還要配置可自驅(qū)動(dòng)的銑刀、鉆頭、絲錐等刀具，達(dá)到工序集中的目的。

      本文僅對(duì)刀架型的車(chē)削中心產(chǎn)品進(jìn)行討論，不涉及排刀型車(chē)削中心。

      2.車(chē)削中心結(jié)構(gòu)分析

      2.1  C軸

      C軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

      C軸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)通常有主軸伺服電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)、進(jìn)給伺服電機(jī)通過(guò)減速箱、電主軸直接驅(qū)動(dòng)三種實(shí)現(xiàn)方式。
主軸伺服電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式：主軸驅(qū)動(dòng)和C軸驅(qū)動(dòng)共用一套傳動(dòng)裝置。由于V帶（機(jī)床中常用）傳動(dòng)中滑移的存在，以及帶傳動(dòng)所必須的張緊力對(duì)主軸有較大的附加力，因此V帶在此時(shí)很少用到。C軸驅(qū)動(dòng)中經(jīng)常使用的是同步齒形帶，靠齒形嚙合傳動(dòng)，有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比和很小的初張緊力，并且允許較高的轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)的精度和效率較高。

      進(jìn)給伺服電機(jī)通過(guò)減速箱驅(qū)動(dòng)：此種方式下，C軸驅(qū)動(dòng)和主軸傳動(dòng)為兩套傳動(dòng)裝置。C軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)為進(jìn)給伺服電機(jī)，通過(guò)減速箱驅(qū)動(dòng)主軸低速旋轉(zhuǎn)，而車(chē)削主軸則由主軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)。因此主軸部件需要有一套裝置實(shí)現(xiàn)車(chē)削主軸和C軸驅(qū)動(dòng)的切換，使C軸的傳動(dòng)系統(tǒng)與主軸脫離。C軸驅(qū)動(dòng)時(shí)通過(guò)減速箱實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，輸出轉(zhuǎn)速低，扭矩大。主軸驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)高的轉(zhuǎn)速滿足車(chē)削時(shí)的速度需求。

      電主軸直接驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接套裝在主軸上實(shí)現(xiàn)C軸驅(qū)動(dòng)。主軸慣性矩大，傳動(dòng)鏈短，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
 
     

      以上三種C軸實(shí)現(xiàn)方式：帶傳動(dòng)因轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)比的原因，其輸出轉(zhuǎn)速和扭矩受到限制；伺服電機(jī)通過(guò)減速箱驅(qū)動(dòng)的方式能夠?qū)崿F(xiàn)較大的扭矩，但是由于齒輪傳動(dòng)間隙的存在，實(shí)現(xiàn)高精度的C軸制造成本很高；電主軸直接驅(qū)動(dòng)的方式由于沒(méi)有中間傳遞環(huán)節(jié)的存在，而且電主軸本身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，其動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異，目前受限于電機(jī)的輸出扭矩較低。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，電主軸直接驅(qū)動(dòng)方式前景廣闊。

      實(shí)踐中C軸主要考量其精度和穩(wěn)定性。

      保證C軸的精度主要通過(guò)以下措施：①選擇適當(dāng)?shù)慕嵌染幋a器實(shí)現(xiàn)位置反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制。角度編碼器的精度根據(jù)設(shè)計(jì)精度目標(biāo)進(jìn)行選擇，其機(jī)械允許轉(zhuǎn)速、電氣允許轉(zhuǎn)速與設(shè)備匹配；并且按照要求進(jìn)行安裝。②保證C軸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的精度，減少其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中的傳動(dòng)間隙。傳動(dòng)間隙不僅影響C軸精度，而且在切削過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)的產(chǎn)生，對(duì)零件加工質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。對(duì)于沒(méi)有Y軸的車(chē)削中心，在其加工平面時(shí)，通過(guò)C軸正反向旋轉(zhuǎn)與X軸進(jìn)給多次插補(bǔ)形成加工面，加工過(guò)程中極易產(chǎn)生振動(dòng)，傳動(dòng)間隙的控制尤為重要。電主軸直接驅(qū)動(dòng)由于沒(méi)有了中間傳遞環(huán)節(jié)，幾乎沒(méi)有傳動(dòng)間隙，在此方面優(yōu)勢(shì)明顯。

      C軸的穩(wěn)定性主要是指主軸系統(tǒng)在切削中的抗振性。為增加其穩(wěn)定性，工程實(shí)踐中的做法有：增加主軸系統(tǒng)的慣量比，即選用大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量主電機(jī)或減少被驅(qū)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，減少工件對(duì)主軸系統(tǒng)質(zhì)量特性的影響；增加主軸系統(tǒng)阻尼，以吸收振動(dòng)源的能量等。由于機(jī)床振動(dòng)問(wèn)題比較復(fù)雜，在此不作詳細(xì)討論。

  
        C軸鎖緊機(jī)構(gòu)

      鎖緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有多種，基本原理都是通過(guò)施加軸向或徑向的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以選用成型的產(chǎn)品，也可以自行設(shè)計(jì)。選用時(shí)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合、使用要求進(jìn)行，注意夾緊點(diǎn)均布，減少附加力的產(chǎn)生。

      自行設(shè)計(jì)的鎖緊機(jī)構(gòu)，一般以整個(gè)摩擦片兩側(cè)整圓周抱緊，受力比較均勻，可以通過(guò)調(diào)整夾緊力作為主軸系統(tǒng)阻尼使用。而成型的產(chǎn)品通過(guò)局部夾緊實(shí)現(xiàn)鎖緊，通常不能用作阻尼。

      2.2 動(dòng)力刀架

      動(dòng)力刀架即刀架中具有驅(qū)動(dòng)裝置、能夠?yàn)榈段簧系毒咝D(zhuǎn)提供動(dòng)力的刀架，是車(chē)削中心的核心部件。

      最初的動(dòng)力刀架由電動(dòng)刀架或液壓刀架上增加動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊組成，這種動(dòng)力刀架轉(zhuǎn)位由刀架內(nèi)置的電機(jī)實(shí)現(xiàn)，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)獨(dú)立，其轉(zhuǎn)位速度較慢，目前僅用于低端的車(chē)削中心上。

      隨著伺服刀架的出現(xiàn)，出現(xiàn)了由伺服刀架本體搭載動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊的動(dòng)力刀架，刀架轉(zhuǎn)位和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)分別由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，即所謂的雙伺服動(dòng)力刀架（圖1左）。

      刀架技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了單伺服動(dòng)力刀架（圖1右），刀架轉(zhuǎn)位和刀具旋轉(zhuǎn)由同一個(gè)伺服電機(jī)提供動(dòng)力，結(jié)構(gòu)更加緊湊。
 
      

       以上三種動(dòng)力刀架，電動(dòng)刀架或液壓刀架搭載動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊的方案最為經(jīng)濟(jì)，可以適應(yīng)一般車(chē)削中心的加工要求，由于其刀架本體性能的限制，隨著用戶要求的提高，這種方案最終會(huì)被其他方案替代。而單伺服刀架因其結(jié)構(gòu)緊湊性能優(yōu)越而備受用戶青睞，其價(jià)格也最為昂貴，多用于一些高端的車(chē)削中心產(chǎn)品上。

      為了進(jìn)一步提升刀架的性能，一些機(jī)床制造商將直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用到動(dòng)力刀架上。如Mori Seiki（森精機(jī)）的built-in motor turret（見(jiàn)圖）。使用內(nèi)裝電主軸直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀具，取消了伺服刀架動(dòng)力驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中齒輪、皮帶等中間傳遞環(huán)節(jié)，刀架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，減少了振動(dòng)和熱的產(chǎn)生，動(dòng)力刀具的轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)一步提高，動(dòng)力刀架的性能得以提升。

       為適應(yīng)車(chē)削中心的發(fā)展要求，刀架廠商推出了功能集成的刀架產(chǎn)品，如帶Y軸的動(dòng)力刀架（見(jiàn)圖3）、帶B軸的動(dòng)力刀架（見(jiàn)圖4）等。帶Y軸的動(dòng)力刀架，搭載單伺服動(dòng)力刀架，配置導(dǎo)軌絲杠，能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)直線軸的運(yùn)動(dòng)，增加了刀架的平面加工能力；帶B軸的動(dòng)力刀架，將轉(zhuǎn)臺(tái)與動(dòng)力刀架結(jié)合起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)刀架在一定范圍內(nèi)的擺動(dòng)，使刀架可以實(shí)現(xiàn)更多角度的平面及孔的加工，減少了機(jī)床的刀具配置。這些功能集成的刀架產(chǎn)品直接安裝在主機(jī)上即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能，客觀上簡(jiǎn)化了主機(jī)結(jié)構(gòu)，有助于擴(kuò)展機(jī)床加工范圍。

  
       3. Y軸的功能實(shí)現(xiàn)

   
      為了提高車(chē)削中心的平面加工能力，出現(xiàn)了帶Y軸的車(chē)削中心。所謂Y軸，即機(jī)床XOZ平面法向方向的運(yùn)動(dòng)軸。具有Y軸，就具有了在XOZ垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)能力，刀具可以在Y軸實(shí)現(xiàn)進(jìn)給，車(chē)削中心的加工范圍擴(kuò)大。

      不帶Y軸的車(chē)削中心，加工平面時(shí)只能沿X軸方向進(jìn)給，當(dāng)被加工平面寬度L大于刀具直徑Dr時(shí)，單靠X軸方向的進(jìn)給無(wú)法完成平面的加工，只能由C軸和X軸插補(bǔ)的方式分段逼近來(lái)實(shí)現(xiàn)，所形成的平面并非真正平面，而是曲率半徑很大的曲面，存在系統(tǒng)誤差。為了提高加工表面質(zhì)量，采用小直徑銑刀切削、多次插補(bǔ)逼近，必然導(dǎo)致加工效率的低下。因此不帶Y軸的車(chē)削中心其平面加工能力受到限制。

       車(chē)削中心Y軸功能實(shí)現(xiàn)，一般說(shuō)來(lái)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(guò)X1軸和X2軸插補(bǔ)形成，其坐標(biāo)值通過(guò)X1、X2與角度α進(jìn)行換算。直接Y軸則在XOZ平面的法向上設(shè)置進(jìn)給軸、單伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。圖5所示是兩種不同Y軸實(shí)現(xiàn)形式的車(chē)削中心，左圖為哈挺GS MSY系列，其Y軸為虛擬Y軸，右為沈陽(yáng)機(jī)床HTC3285T2Y2，Y軸為直接Y軸，Y軸滑板安裝在X軸滑板之上。兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)：虛擬Y軸運(yùn)動(dòng)由兩軸插補(bǔ)形成，Y軸行程較短；床鞍的傾斜角度一般在75°以內(nèi)，其刀架坐落在滑板之內(nèi)。直接Y軸由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，Y軸行程較大；直接Y軸的刀架懸伸在Y軸滑板之外，當(dāng)機(jī)床用于重切削時(shí)要充分考慮Y軸滑板的剛性。

      除上述方案外，直接Y軸也有其他的實(shí)現(xiàn)形式。如Schaublin的137-11AX，采用山形床身，改變X軸、Y軸的運(yùn)動(dòng)疊加方式（X軸在上Y軸在下），刀架在X軸滑板上而Y軸置于山形背側(cè)，減少了刀架懸伸的不利影響，結(jié)構(gòu)也比較緊湊。Mori Seiki的NZ系列產(chǎn)品的Y軸也采用了山形床身的結(jié)構(gòu)，其下刀架的Y軸則采用了該公司的八角滑枕（Octagonal Ram Construction）技術(shù)，提高了移動(dòng)部件的剛性，減少了熱變形的影響。MAG的VDF180 T則采用了矩形截面床身，X軸位于Y軸滑板之上，更方便排屑。

       無(wú)論何種形式，Y軸位于零點(diǎn)（車(chē)削位置）時(shí)，必須采取措施使Y軸可靠定位，避免零點(diǎn)發(fā)生偏移，造成工件加工超差。

        4. 車(chē)削中心產(chǎn)品

       常見(jiàn)的產(chǎn)品有以下幾種：

        單刀架產(chǎn)品

        主要是傳統(tǒng)意義的車(chē)削中心。具有C軸和動(dòng)力刀架，C軸驅(qū)動(dòng)多采用帶傳動(dòng)的方式，鎖緊機(jī)構(gòu)選用成形產(chǎn)品。可以配置第二主軸，與機(jī)械手、棒料進(jìn)給機(jī)等配合實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜零件的高效加工。國(guó)內(nèi)外車(chē)床制造商都有對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品，為車(chē)削中心的經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品。

       多刀架產(chǎn)品

       正副主軸為標(biāo)準(zhǔn)配置，因刀架、Y軸的配置及形式不同而呈現(xiàn)出多樣性，產(chǎn)品種類(lèi)較多。其主軸多為內(nèi)藏式電主軸，至少有一個(gè)刀架配置Y軸，刀架工位多，12工位、16工位常見(jiàn)。因多刀架的干涉原因，該類(lèi)設(shè)備主要用于棒料、軸類(lèi)及較小直徑精密工件的復(fù)合加工，是車(chē)削中心的高端產(chǎn)品。國(guó)外此類(lèi)產(chǎn)品比較成熟，Nakumura_Tome、Miyano、Biglia、Bumotec等機(jī)床制造商都有相關(guān)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)目前只有沈陽(yáng)機(jī)床、魯南機(jī)床等少數(shù)廠商進(jìn)行了該類(lèi)產(chǎn)品的研發(fā)。
一些公司將B軸刀架也用到了車(chē)削中心產(chǎn)品上。比如Nakumura_Tome的Super NTJ、DMG的twin系列、TRAUB的TNL18-7B等。DMG的Twin系列，Ｂ軸刀架（上刀架）與Y軸組合，能夠加工斜孔和復(fù)雜型面，副主軸還可以與上刀架隨動(dòng)，使上刀架有兩把刀具分別用于正副主軸工件的加工；并且配置了下刀架，可以有3把刀具同時(shí)加工，大大提高了機(jī)床的柔性及加工效率。

       在斜孔的加工中，外購(gòu)的角度銑頭也被用在了動(dòng)力刀架上，作為斜孔較少且斜孔直徑較小零件加工的一種低成本方案。

        5. 結(jié)語(yǔ)

        車(chē)削中心以為提高加工效率和加工精度為目標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中，往往與棒料輸送機(jī)、上下料機(jī)械手、機(jī)器人等物料輸送設(shè)備配套使用，組成加工單元或生產(chǎn)線。制造商在提供設(shè)備的同時(shí)，將棒料輸送機(jī)、機(jī)內(nèi)上下料機(jī)械臂作為選項(xiàng)供用戶選擇。為了與主機(jī)匹配，一些機(jī)床制造商根據(jù)主機(jī)需求自行研制或定制刀架，以達(dá)到最優(yōu)的性能。

       有鑒于此，我認(rèn)為國(guó)內(nèi)車(chē)削中心產(chǎn)品研發(fā)著力進(jìn)行以下工作：

        核心功能部件的研發(fā)——對(duì)核心功能部件進(jìn)行持續(xù)攻關(guān)。國(guó)內(nèi)核心功能部件的研發(fā)制造能力較弱，制約了主機(jī)發(fā)展。近年來(lái)，在國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)的支撐下，國(guó)內(nèi)一些主機(jī)廠及功能部件制造商對(duì)一些核心功能部件進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，已經(jīng)在伺服動(dòng)力刀架、轉(zhuǎn)臺(tái)等方面取得一些成果。

        機(jī)床基礎(chǔ)技術(shù)的研究與轉(zhuǎn)化——機(jī)床基礎(chǔ)技術(shù)的研究不夠深入，一些研究成果停留在實(shí)驗(yàn)室的階段，沒(méi)有轉(zhuǎn)化為應(yīng)用成果。這導(dǎo)致制造企業(yè)沒(méi)有核心技術(shù)，依然靠模仿和引進(jìn)，無(wú)法提高產(chǎn)品檔次。

       用戶工藝的研究。用戶的要求越來(lái)越個(gè)性化，深入研究用戶工藝，才能為用戶提供合理的解決方案，提供滿足客戶需求的產(chǎn)品。

       相信通過(guò)國(guó)內(nèi)機(jī)床制造企業(yè)的努力，一定會(huì)有與國(guó)外高端產(chǎn)品媲美的設(shè)備出現(xiàn)。（文自：中捷機(jī)床有限公司細(xì)河技術(shù)部）