车削复合机床的设计制造

孙彦旭 刘春联 孙 希

(①山东鲁南机床有限公司，山东滕州 277500;②中国海洋大学工程学院，山东青岛 266000)

世界机床市场正朝着高速、复合、智能、环保方向发展。在世界机床制造和机械加工领域，复合加工技术正以其独特的魅力被逐渐认识并应用于实践中。我公司与国外设计公司联合开发的TMC250车削中心复合机床，既能够完成车削功能，又能够完成铣、钻、镗、攻丝、铰孔、扩孔等功能，还具有自动工件交换、刀具长度检测与自动补偿、自动温控与碰撞保护等附加功能，是现代智能加工的典型体现。它与常规的卧式数控机床相比，显著特点其一是工件加工精度高、效率高，并具有叠加效应;其二是占地面积小，多工序多工位集约化，实现了工件短加工循环，机床的功率被充分利用，减少了消耗，是绿色机床制造的发展方向之一。

1 机床的结构布局和模块化设计

该机床是双主轴、三刀塔、半闭环三通道数控系统控制的机床，见图1。整机采用45°斜床座，机床重心低，排屑好;导轨全部是滚柱式直线滚动导轨，刚性好。采用日本FANUC31 i数控系统，两主轴都采用内置式高低速双绕组α200L/6000iB主轴电动机，线圈的切换可实现低速大扭矩、高速大功率;进给轴皆使用α型交流伺服电动机，驱动扭矩大，滚珠丝杠进行预拉伸安装，定位精度高。机床两电主轴左、右对称排列，左主轴固定为主主轴，右为副主轴，副主轴的移动采用伺服电动机带动滚珠丝杠副的可编程控制。两主轴均配有C轴，C轴分度精度为0.001°。机床三动力刀塔布局是，两上动力刀塔采用左右对称布局型式，独立的Y轴结构，非合成轴，使加工能力更强;下动力刀塔配置在机床右下部，不配Y轴。动力刀塔的驱动动力为内藏式电动机，结构紧凑，体积小;刀位数为12工位，每工位都可以配装BMT65型刀座，即包括直柄、直角、直角后缩(又称位短式)及其他特殊结构刀座等。该BMT型刀座刚性好、切削力大、重复精度高。

该机床是集机、电、液、气于一体和全封闭式防护，机床整体布局合理，维修与操作方便。两电主轴配装φ254 mm(10英寸)中空动力卡盘，主轴功率15/22 kW，最高转速4 500 r/min，最大加工直径380 mm，床身上最大回转直径800 mm，最大加工长度715 mm;Z、X轴最大快移速度30 m/min。动力刀塔刀柄规格BMT65，动力刀具最高转速6 000 r/min，功率5.5/7.5 kW，相邻刀具换刀时间0.35 s，重复定位精度4″。

为能满足广泛的客户要求，降低生产制造成本，缩短交货时间，我公司开发TMC系列复合机床设计之初，应用模块化设计方法，总体规划设计机床的结构配置，从机床的功能结构和各轴运动组合入手，按功能和安装配置方式，划分为不同的大小设计模块，整体实现复杂的机械、电气、液压的匹配。内置电动机主轴和内置电动机刀塔是两个主要的功能模块。该系列机床最多可安装3个刀塔和2个主轴，副主轴可以设计为伺服尾架替代，根据刀塔数和Y轴数，在底座和床身等主要基础件不变的情况下，可组成共计12种规格的系列产品供用户选择使用。

2 机床的关键技术

2.1 电主轴

主轴作为机床的心脏，是机床性能的关键部件，尤其是采用电主轴结构的机床，可明显提升转速、回转精度、响应速度，并极大降低噪声和振动等。我公司设计制造的TMC25系列车削复合机床配置是高低速双绕组15/22 kW的主轴电动机(见图2)，做到了无论是低速重切削，还是高速精加工，均可实现广域稳定输出，主轴电动机机械特性曲线如图3所示。

该电主轴的特点是装配维修方便，当装拆转子时，只要拧紧松开转子两端锁紧锥套4、5上的6个螺钉即可。由于转子内套材料为20CrMnTi，两端直径较薄，有较好的弹性，锁紧锥套一端开有6条均布的槽，通过锁紧锥套的弹性变形收缩使转子内套两端紧紧抱在主轴上，主轴与电动机转子就成为刚性一体。关于该电主轴结构设计、主要技术参数的确定、定子和转子的热装配、动平衡的方法、温控技术与密封技术等，在此不再细述。

2.2 动力刀塔

动力刀塔是车削中心的重要功能部件之一，动力刀塔上的动力刀具与主轴带有分度、插补的C轴控制功能配合，使工件加工工序集约成为可能。我公司研制的12刀位动力刀塔结构见图4，装刀方式为星型布置，配BMT65型刀座，刀座刚性好、切削力大、精度高，无论换刀和銑削，驱动动力都来自同一内藏式电动机3;当刀盘12需变换刀位时，在油压的作用下，鼠牙三齿盘10松开(鼠牙三齿盘由锁紧齿盘、定位齿盘、转动齿盘组成，每个齿盘均为24齿)，气缸7推动齿轮11右移，与齿轮组8啮合，其齿轮速比1/12，经传动轴9带动齿轮11转动;而齿轮11与鼠牙三齿盘10转动齿盘、刀盘12联为一体，即刀盘转动换位指定刀位后，通过鼠牙三齿盘10锁紧齿盘的移动实现刀盘的锁紧。当气缸7推动齿轮1左移，与齿轮2咬合，齿轮2与电动机转子主轴3是一体，电动机的转动通过螺旋锥齿轮5以相同的速度带动动力刀座6上的刀具转动，对工件进行铣、钻、攻丝等。使用室温同调型油冷却机，对内置电动机的发热进行冷却。

2.3 同步技术

该机床左右两主轴具有同步功能(图5)，安装在左主轴(主主轴或第一主轴)的工件正面加工完成后，主轴在旋转过程中，实现工件左主轴到右主轴(副主轴或第二主轴)的自动传递，然后在右主轴上再进行工件背面的加工。机床上三刀塔可配装36把刀具，相当于一个中型刀库，对比较复杂的工件，可实现工件一次装夹，完成正、反两面的加工。其原理是当左主轴夹持工件以一定速度旋转，加工完成后，右主轴首先是速度与左主轴同步，然后是角相位与主轴同步，同时伺服驱动电动机带动右主轴向左移动(W轴)，进行耝定位;当右主轴上的卡盘接触到左主轴上的工件时，就产生一个轴向的反力，该力大小在系统面板上根据转速已预设定为定值，轴向的反力达到设定的数字时，反馈给系统，伺服W轴停止左移，即精确智能定位;旋即左主轴动力卡盘夹紧工件，同步旋转，然后右主轴卡盘松开工件，左主轴夹紧工件退回到设定位置，对工件背面进行加工，实现一个循环。

3 机床的工作原理

本机床采用三通道数控系统控制，其中各轴分配为:第一通道:S1(第一主轴)，S2(左刀塔主轴)，X1，Y1，Z1轴;第二通道:S3(第二主轴)，S4(右刀塔主轴)X2，Z2，W 轴;第三通道:S5(下刀塔主轴)，X3，Y3，Z3轴;三个通道中程序可以分别执行，也可以第一、二、三通道进行组合调用执行。以下是第一、二通道主轴同步加工，主轴旋转过程中第一主轴(第一通道)与第二主轴(第二通道)交换工件的程序。

以上为双通道主轴同步对接中程序编辑中的一个简单例子，如果需要往返同步对接，可以按照以上例子进行扩展即可。

4 结语

应用模块设计的车削中心复合机系列机床，单主轴单刀塔、双主轴双刀塔的配置实现了小批量生产，各项性能指标达到了预定目标。随着该系列机床各项配套件和制造成本的下降，以及多样化复杂工件对制造精度的要求提高和人工成本的不断增加，工件加工工序集约化越来越被用户所接受认可，车削中心复合机床必将像普通数控机床一样广泛普及使用。