摘 要：本文在分析臥式車削中心功能的基礎上，介紹了車削中心的關鍵部件及其主要結構形式，對車削中心的現有產品進行分析，展望了國內車削中心的未來。
關鍵詞：車削中心 C軸 動力刀架 Y軸
1.引言
臥式車削中心是在普通數控車床上發展起來，具有車、銑、鉆、攻絲等復合加工能力的高端產品。該種產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，避免工件不同加工設備上的反復裝夾，實現工件的高精度、高效率加工，廣泛應用于汽車、醫療、航空航天等行業精密復雜零件的加工。
除了一般數控車床的結構特點外，車削中心還應具備以下特征：
具有C軸功能。C軸是繞車床主軸軸線的伺服軸，該功能使機床實現繞主軸軸線的連續分度和任意點的定位鎖緊，和其他伺服軸進行聯動、配合動力刀具可以實現特定型面的加工；
具有動力刀具。車削中心要實現銑、鉆、攻絲等加工，除了配置內外圓車削刀具外，還要配置可自驅動的銑刀、鉆頭、絲錐等刀具，達到工序集中的目的。
本文僅對刀架型的車削中心產品進行討論，不涉及排刀型車削中心。
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、進給伺服電機通過減速箱、電主軸直接驅動三種實現方式。
主軸伺服電機通過帶傳動驅動方式：主軸驅動和C軸驅動共用一套傳動裝置。由于V帶（機床中常用）傳動中滑移的存在，以及帶傳動所必須的張緊力對主軸有較大的附加力，因此V帶在此時很少用到。C軸驅動中經常使用的是同步齒形帶，靠齒形嚙合傳動，有準確的傳動比和很小的初張緊力，并且允許較高的轉速，傳動的精度和效率較高。
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軸驅動電機為進給伺服電機，通過減速箱驅動主軸低速旋轉，而車削主軸則由主軸伺服電機驅動主軸高速運轉。因此主軸部件需要有一套裝置實現車削主軸和C軸驅動的切換，使C軸的傳動系統與主軸脫離。C軸驅動時通過減速箱實現較大的傳動比，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。
電主軸直接驅動：驅動電機轉子直接套裝在主軸上實現C軸驅動。主軸慣性矩大，傳動鏈短，結構簡單。
以上三種C軸實現方式：帶傳動因轉速和傳動比的原因，其輸出轉速和扭矩受到限制；伺服電機通過減速箱驅動的方式能夠實現較大的扭矩，但是由于齒輪傳動間隙的存在，實現高精度的C軸制造成本很高；電主軸直接驅動的方式由于沒有中間傳遞環節的存在，而且電主軸本身轉動慣量大，其動態性能優異，目前受限于電機的輸出扭矩較低。從長遠來看，電主軸直接驅動方式前景廣闊。
實踐中C軸主要考量其精度和穩定性。
保證C軸的精度主要通過以下措施：①選擇適當的角度編碼器實現位置反饋，構成閉環控制。角度編碼器的精度根據設計精度目標進行選擇，其機械允許轉速、電氣允許轉速與設備匹配；并且按照要求進行安裝。②保證C軸驅動結構的精度，減少其傳動結構中的傳動間隙。傳動間隙不僅影響C軸精度，而且在切削過程中會導致振動的產生，對零件加工質量產生不利影響。對于沒有Y軸的車削中心，在其加工平面時，通過C軸正反向旋轉與X軸進給多次插補形成加工面，加工過程中極易產生振動，傳動間隙的控制尤為重要。電主軸直接驅動由于沒有了中間傳遞環節，幾乎沒有傳動間隙，在此方面優勢明顯。
C軸的穩定性主要是指主軸系統在切削中的抗振性。為增加其穩定性，工程實踐中的做法有：增加主軸系統的慣量比，即選用大轉動慣量主電機或減少被驅動件的轉動慣量，減少工件對主軸系統質量特性的影響；增加主軸系統阻尼，以吸收振動源的能量等。由于機床振動問題比較復雜，在此不作詳細討論。
C軸鎖緊機構
鎖緊機構的結構形式有多種，基本原理都是通過施加軸向或徑向的摩擦力來實現。可以選用成型的產品，也可以自行設計。選用時根據應用場合、使用要求進行，注意夾緊點均布，減少附加力的產生。
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主軸系統阻尼使用。而成型的產品通過局部夾緊實現鎖緊，通常不能用作阻尼。
2.2 動力刀架
動力刀架即刀架中具有驅動裝置、能夠為刀位上刀具旋轉提供動力的刀架，是車削中心的核心部件。
最初的動力刀架由電動刀架或液壓刀架上增加動力驅動模塊組成，這種動力刀架轉位由刀架內置的電機實現，動力驅動模塊電機獨立，其轉位速度較慢，目前僅用于低端的車削中心上。
隨著伺服刀架的出現，出現了由伺服刀架本體搭載動力驅動模塊的動力刀架，刀架轉位和動力驅動分別由伺服電機驅動，即所謂的雙伺服動力刀架（圖1左）。
刀架技術的進一步發展，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個伺服電機提供動力，結構更加緊湊。
以上三種動力刀架，電動刀架或液壓刀架搭載動力驅動模塊的方案最為經濟，可以適應一般車削中心的加工要求，由于其刀架本體性能的限制，隨著用戶要求的提高，這種方案最終會被其他方案替代。而單伺服刀架因其結構緊湊性能優越而備受用戶青睞，其價格也最為昂貴，多用于一些高端的車削中心產品上。
為了進一步提升刀架的性能，一些機床制造商將直驅技術應用到動力刀架上。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。
為適應車削中心的發展要求，刀架廠商推出了功能集成的刀架產品，如帶Y軸的動力刀架（見圖3）、帶B軸的動力刀架（見圖4）等。帶Y軸的動力刀架，搭載單伺服動力刀架，配置導軌絲杠，能夠實現一個直線軸的運動，增加了刀架的平面加工能力；帶B軸的動力刀架，將轉臺與動力刀架結合起來，可以實現刀架在一定范圍內的擺動，使刀架可以實現更多角度的平面及孔的加工，減少了機床的刀具配置。這些功能集成的刀架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，有助于擴展機床加工范圍。
3. Y軸的功能實現
為了提高車削中心的平面加工能力，出現了帶Y軸的車削中心。所謂Y軸，即機床XOZ平面法向方向的運動軸。具有Y軸，就具有了在XOZ垂直面內的運動能力，刀具可以在Y軸實現進給，車削中心的加工范圍擴大。
不帶Y軸的車削中心，加工平面時只能沿X軸方向進給，當被加工平面寬度L大于刀具直徑Dr時，單靠X軸方向的進給無法完成平面的加工，只能由C軸和X軸插補的方式分段逼近來實現，所形成的平面并非真正平面，而是曲率半徑很大的曲面，存在系統誤差。為了提高加工表面質量，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Y軸的車削中心其平面加工能力受到限制。
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。
虛擬Y軸的原理如圖6左所示，Y軸通過X1軸和X2軸插補形成，其坐標值通過X1、X2與角度α進行換算。直接Y軸則在XOZ平面的法向上設置進給軸、單伺服電機驅動實現。圖5所示是兩種不同Y軸實現形式的車削中心，左圖為哈挺GS MSY系列，其Y軸為虛擬Y軸，右為沈陽機床HTC3285T2Y2，Y軸為直接Y軸，Y軸滑板安裝在X軸滑板之上。兩種結構各有優缺點：虛擬Y軸運動由兩軸插補形成，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。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，當機床用于重切削時要充分考慮Y軸滑板的剛性。
除上述方案外，直接Y軸也有其他的實現形式。如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軸滑板上而Y軸置于山形背側，減少了刀架懸伸的不利影響，結構也比較緊湊。Mori Seiki的NZ系列產品的Y軸也采用了山形床身的結構，其下刀架的Y軸則采用了該公司的八角滑枕（Octagonal Ram Construction）技術，提高了移動部件的剛性，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。
無論何種形式，Y軸位于零點（車削位置）時，必須采取措施使Y軸可靠定位，避免零點發生偏移，造成工件加工超差。
4. 車削中心產品
常見的產品有以下幾種：
單刀架產品
主要是傳統意義的車削中心。具有C軸和動力刀架，C軸驅動多采用帶傳動的方式，鎖緊機構選用成形產品。可以配置第二主軸，與機械手、棒料進給機等配合實現較復雜零件的高效加工。國內外車床制造商都有對應的產品，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，因刀架、Y軸的配置及形式不同而呈現出多樣性，產品種類較多。其主軸多為內藏式電主軸，至少有一個刀架配置Y軸，刀架工位多，12工位、16工位常見。因多刀架的干涉原因，該類設備主要用于棒料、軸類及較小直徑精密工件的復合加工，是車削中心的高端產品。國外此類產品比較成熟，Nakumura_Tome、Miyano、Biglia、Bumotec等機床制造商都有相關產品，國內目前只有沈陽機床、魯南機床等少數廠商進行了該類產品的研發。
一些公司將B軸刀架也用到了車削中心產品上。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，能夠加工斜孔和復雜型面，副主軸還可以與上刀架隨動，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把刀具同時加工，大大提高了機床的柔性及加工效率。
在斜孔的加工中，外購的角度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低成本方案。
5. 結語
車削中心以為提高加工效率和加工精度為目標，在實際應用中，往往與棒料輸送機、上下料機械手、機器人等物料輸送設備配套使用，組成加工單元或生產線。制造商在提供設備的同時，將棒料輸送機、機內上下料機械臂作為選項供用戶選擇。為了與主機匹配，一些機床制造商根據主機需求自行研制或定制刀架，以達到最優的性能。
有鑒于此，我認為國內車削中心產品研發著力進行以下工作：
核心功能部件的研發——對核心功能部件進行持續攻關。國內核心功能部件的研發制造能力較弱，制約了主機發展。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制造商對一些核心功能部件進行了技術攻關，已經在伺服動力刀架、轉臺等方面取得一些成果。
機床基礎技術的研究與轉化——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，沒有轉化為應用成果。這導致制造企業沒有核心技術，依然靠模仿和引進，無法提高產品檔次。
用戶工藝的研究。用戶的要求越來越個性化，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品。
相信通過國內機床制造企業的努力，一定會有與國外高端產品媲美的設備出現。（文自：中捷機床有限公司細河技術部）
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