臥式車削中心結(jié)構(gòu)的研究
1.引言
臥式車削中心是在普通數(shù)控車床上發(fā)展起來，具有車、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，避免工件不同加工設(shè)備上的反復(fù)裝夾，實現(xiàn)工件的高精度、高效率加工，廣泛應(yīng)用于汽車、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)控車床的結(jié)構(gòu)特點外，車削中心還應(yīng)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(xiàn)繞主軸軸線的連續(xù)分度和任意點的定位鎖緊，和其他伺服軸進行聯(lián)動、配合動力刀具可以實現(xiàn)特定型面的加工；
具有動力刀具。車削中心要實現(xiàn)銑、鉆、攻絲等加工，除了配置內(nèi)外圓車削刀具外，還要配置可自驅(qū)動的銑刀、鉆頭、絲錐等刀具，達(dá)到工序集中的目的。
本文僅對刀架型的車削中心產(chǎn)品進行討論，不涉及排刀型車削中心。
2.車削中心結(jié)構(gòu)分析
2.1 C軸
C軸傳動結(jié)構(gòu)
C軸的回轉(zhuǎn)驅(qū)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(qū)動三種實現(xiàn)方式。
主軸伺服電機通過帶傳動驅(qū)動方式：主軸驅(qū)動和C軸驅(qū)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(qū)動中經(jīng)常使用的是同步齒形帶，靠齒形嚙合傳動，有準(zhǔn)確的傳動比和很小的初張緊力，并且允許較高的轉(zhuǎn)速，傳動的精度和效率較高。
進給伺服電機通過減速箱驅(qū)動：此種方式下，C軸驅(qū)動和主軸傳動為兩套傳動裝置。C軸驅(qū)動電機為進給伺服電機，通過減速箱驅(qū)動主軸低速旋轉(zhuǎn)，而車削主軸則由主軸伺服電機驅(qū)動主軸高速運轉(zhuǎn)。因此主軸部件需要有一套裝置實現(xiàn)車削主軸和C軸驅(qū)動的切換，使C軸的傳動系統(tǒng)與主軸脫離。C軸驅(qū)動時通過減速箱實現(xiàn)較大的傳動比，輸出轉(zhuǎn)速低，扭矩大。主軸驅(qū)動可以實現(xiàn)高的轉(zhuǎn)速滿足車削時的速度需求。
電主軸直接驅(qū)動：驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子直接套裝在主軸上實現(xiàn)C軸驅(qū)動。主軸慣性矩大，傳動鏈短，結(jié)構(gòu)簡單。
以上三種C軸實現(xiàn)方式：帶傳動因轉(zhuǎn)速和傳動比的原因，其輸出轉(zhuǎn)速和扭矩受到限制；伺服電機通過減速箱驅(qū)動的方式能夠?qū)崿F(xiàn)較大的扭矩，但是由于齒輪傳動間隙的存在，實現(xiàn)高精度的C軸制造成本很高；電主軸直接驅(qū)動的方式由于沒有中間傳遞環(huán)節(jié)的存在，而且電主軸本身轉(zhuǎn)動慣量大，其動態(tài)性能優(yōu)異，目前受限于電機的輸出扭矩較低。從長遠(yuǎn)來看，電主軸直接驅(qū)動方式前景廣闊。
實踐中C軸主要考量其精度和穩(wěn)定性。
保證C軸的精度主要通過以下措施：①選擇適當(dāng)?shù)慕嵌染幋a器實現(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)計精度目標(biāo)進行選擇，其機械允許轉(zhuǎn)速、電氣允許轉(zhuǎn)速與設(shè)備匹配；并且按照要求進行安裝。②保證C軸驅(qū)動結(jié)構(gòu)的精度，減少其傳動結(jié)構(gòu)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(dǎo)致振動的產(chǎn)生，對零件加工質(zhì)量產(chǎn)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(zhuǎn)與X軸進給多次插補形成加工面，加工過程中極易產(chǎn)生振動，傳動間隙的控制尤為重要。電主軸直接驅(qū)動由于沒有了中間傳遞環(huán)節(jié)，幾乎沒有傳動間隙，在此方面優(yōu)勢明顯。
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，工程實踐中的做法有：增加主軸系統(tǒng)的慣量比，即選用大轉(zhuǎn)動慣量主電機或減少被驅(qū)動件的轉(zhuǎn)動慣量，減少工件對主軸系統(tǒng)質(zhì)量特性的影響；增加主軸系統(tǒng)阻尼，以吸收振動源的能量等。由于機床振動問題比較復(fù)雜，在此不作詳細(xì)討論。
C軸鎖緊機構(gòu)
鎖緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(xiàn)。可以選用成型的產(chǎn)品，也可以自行設(shè)計。選用時根據(jù)應(yīng)用場合、使用要求進行，注意夾緊點均布，減少附加力的產(chǎn)生。
自行設(shè)計的鎖緊機構(gòu)，一般以整個摩擦片兩側(cè)整圓周抱緊，受力比較均勻，可以通過調(diào)整夾緊力作為主軸系統(tǒng)阻尼使用。而成型的產(chǎn)品通過局部夾緊實現(xiàn)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(qū)動裝置、能夠為刀位上刀具旋轉(zhuǎn)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(qū)動模塊組成，這種動力刀架轉(zhuǎn)位由刀架內(nèi)置的電機實現(xiàn)，動力驅(qū)動模塊電機獨立，其轉(zhuǎn)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(xiàn)，出現(xiàn)了由伺服刀架本體搭載動力驅(qū)動模塊的動力刀架，刀架轉(zhuǎn)位和動力驅(qū)動分別由伺服電機驅(qū)動，即所謂的雙伺服動力刀架（圖1左）。
刀架技術(shù)的進一步發(fā)展，出現(xiàn)了單伺服動力刀架（圖1右），刀架轉(zhuǎn)位和刀具旋轉(zhuǎn)由同一個伺服電機提供動力，結(jié)構(gòu)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(qū)動模塊的方案最為經(jīng)濟，可以適應(yīng)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(jié)構(gòu)緊湊性能優(yōu)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(chǎn)品上。
為了進一步提升刀架的性能，一些機床制造商將直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用到動力刀架上。如Mori Seiki（森精機）的built-in motor turret（見圖）。使用內(nèi)裝電主軸直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)刀具，取消了伺服刀架動力驅(qū)動結(jié)構(gòu)中齒輪、皮帶等中間傳遞環(huán)節(jié)，刀架結(jié)構(gòu)簡化，減少了振動和熱的產(chǎn)生，動力刀具的轉(zhuǎn)速和扭矩進一步提高，動力刀架的性能得以提升。
為適應(yīng)車削中心的發(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(dǎo)軌絲杠，能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhuǎn)臺與動力刀架結(jié)合起來，可以實現(xiàn)刀架在一定范圍內(nèi)的擺動，使刀架可以實現(xiàn)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(chǎn)品直接安裝在主機上即可實現(xiàn)對應(yīng)的功能，客觀上簡化了主機結(jié)構(gòu)，有助于擴展機床加工范圍。
3. Y軸的功能實現(xiàn)
為了提高車削中心的平面加工能力，出現(xiàn)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(nèi)的運動能力，刀具可以在Y軸實現(xiàn)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(dāng)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(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、多次插補逼近，必然導(dǎo)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(xiàn)，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(biāo)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(shè)置進給軸、單伺服電機驅(qū)動實現(xiàn)。圖5所示是兩種不同Y軸實現(xiàn)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(jié)構(gòu)各有優(yōu)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(nèi)，其刀架坐落在滑板之內(nèi)。直接Y軸由電機直接驅(qū)動，Y軸行程較大；直接Y軸的刀架懸伸在Y軸滑板之外，當(dāng)機床用于重切削時要充分考慮Y軸滑板的剛性。