车削中心设计与选用的基本问题

靳敏

【摘 要】针对当前车削中心设计和选用过程中存在的问题，就其基本特点、总体布局、动力刀具传动、Y轴结构等进行了分析和说明；指出了不同结构机床的特点及适用范围。

【关键词】车削中心；特点；布局；动力刀具；Y轴

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

车削中心是在数控车床的基础上发展起来、可用于回转体零件车削及表面铣削、孔加工的简单车铣复合加工机床。车削中心的适用范围广、效率高、功能强，在企业中的应用已日趋普遍，本文就车削中心的基本特点、总体布局、动力刀具驱动、Y轴结构等基本问题进行了分析和说明，指出了不同结构机床的特点及适用范围，希望能为机床设计和设备选用提供参考。

1 基本特点

主轴具有Cs轴控制功能、刀架可安装动力刀具、刀具可进行垂直方向的Y轴运动，这是车削中心和普通数控车床在功能上的主要区别。

车削加工是以工件旋转为主运动、刀具作进给运动的切削加工方法，而钻、镗、铣加工则是以刀具旋转为主运动、刀具（或工件）作进给运动的加工方法，两者的工艺特征不同。因此，为了进行车铣复合加工，安装在车削中心主轴上的工件不但需要旋转，而且还需要像数控回转工作台那样既能进行任意位置的定位，也能实现切削进给运动，这就要求车削中心的主轴具有伺服轴同样的插补控制功能，这一功能称为Cs轴插补控制（Cs Contouring Control），简称Cs轴控制。

车削加工的切削运动来自于工件的旋转，故数控车床的车刀不需要旋转，刀具可以固定安装（图1a）在刀架上。但是，铣削和孔加工的切削运动需要通过刀具旋转实现，因此，车削中心刀架上所安装的钻、镗、铣加工刀具必须能够旋转，这样的刀具称为动力刀具（Live Tool）。

孔加工要求刀具能在加工平面进行定位，铣削加工则至少要有加工平面上的二维运动，因此，车削中心的刀具不但要有回转体零件车削加工所需的径向（X轴）和轴向（Z轴）运动，而且还需要有实现加工平面定位和铣削的垂直方向运动轴Y（图1b）。

2 总体布局

车削中心以卧式为主。斜床身布局可以较好地解决了卧式平床身车床所存在的拖板突出前方、刀架布置困难、刀具容量小等一系列问题，机床的结构刚性好、操作调整方便，并可减少主轴热变形对加工精度的影响。因此，车削中心普遍采用斜床身布局，整体斜床身（图2）和平床身、斜滑台（图3）是其常用的基本形式。

整体斜床身的车削中心结构如图2所示，其床身为整体倾斜结构，倾斜角一般为45°、60°或75°；布置于床身后侧的刀架可在倾斜的滑板上作径向（X轴）运动。这种机床的结构层次少、整体刚性好、安装运输方便，但刀架和滑板的重力将导致Z轴主导轨的受力不均匀，加上床身体积大、耗材多，加工制造有所不便；因此，多用于小型车削中心。

平床身、斜滑台的结构如图3所示，这种机床的Z轴导轨为水平布置（或小角度倾斜），刀架的倾斜和Z轴进给通过斜滑台实现。这种结构虽增加了斜滑台部件，整体刚性有所下降，但它不需要有整体倾斜的床身，机床的耗材、重量均大大降低，而且主导轨受力均匀、加工制造方便、精度容易得到保证，因此，这是大中型车削中心的常用结构。

就机械结构而言，车削中心的主轴传动系统和数控车床的差别并不大，但是，由于车削中心的主轴要同时满足车削加工的高速和铣削加工的切削进给要求，主电机必须有良好的低速和高速性能，电机规格也大于数控车床；此外，为了保证主轴有进给轴一样的定位精度和刚性，车削中心的主传动系统必须采用同步皮带等无间隙传动部件，主轴还需要增加机械制动装置等。

3 动力刀具传动

动力刀具传动系统是车削中心设计时最难处理的问题，为了将切削功率传递到加工位置的动力刀具上，它必须布置于刀架内部；为了保证机床的加工能力，动力刀具需要有足够大的功率、转矩和较高的转速；而为了保证机床的加工范围、防止出现机械干涉，也不能过多地增加刀架的外形尺寸。作为典型结构，车削中心的动力刀具主传动系统目前主要有图4所示的两种形式。

图4a是采用电主轴直接驱动、主电机内置于刀架前端的结构，其优点是刀架结构简单、传动链短、动力刀具转速高，而且动力刀具主传动系统不影响刀架的分度和定位，因而刀架的分度和定位部件可以与数控车床通用，便于产品的模块化设计和生产。但是，由于刀架的内部空间小，电主轴规格不能太大，而且几乎不可能增加变速机构，因此，刀具的输出转矩、功率通常较小，另外，主电机的冷却和散热也是较难解决的问题，因此，多用于高速加工的小规格车削中心。

图4b是动力刀具主电机外置于刀架后端的结构，这种结构的主电机安装空间大、电机散热好、变速实现容易，有助于提高动力刀具的输出转矩和功率。但是，其动力刀具主传动系统必须穿越整个刀架（包括分度和定位机构），在刀架前端还需要变换主传动方向，其传动部件多、传动链长、结构较为复杂，因此，动力刀具的转速一般较低，故适合于对铣削能力要求较高的大中型车削中心。

4 Y轴结构

车削中心需要有垂直于X/Z轴的Y轴运动，其结构设计也是车削中心需要重点考虑的问题。作为最简单、直接的方法，是增加垂直移动的Y轴滑台，带动刀架进行上下移动（图5a），这种结构的优点是结构简单、实现容易，但为了保证机床的加工范围，Y轴传动系统的外形受到制约，而且由于刀架为倾斜安装，如果Y轴行程过大，会导致刀架的刚性下降和受力不良，因此，多用于中小规格的车削中心。

扩大Y轴行程的方法之一是将Y轴进给系统布置在刀架的外部，为了增加机床的稳定性、改善受力，Y轴一般采用图5b所示的倾斜布置，实际滑台运动和X轴不垂直，加工所需的Y轴运动需要通过Y滑台上下和X轴滑台前后运动叠加后得到。这种结构的优点是Y轴安装空间和行程均较大，而且可通过在数控车床上增加Y滑台的方式实现，两者的刀架、Z轴滑台可通用，便于模块化设计和生产。但是，为了进行垂直方向的运动合成，CNC必须具有倾斜轴控制功能，其控制较为复杂。

5 结语

综上所述，不同结构的车削中心各有优缺点，机床的性能与总体布局、动力刀具传动形式、Y轴驱动等因素密切相关，这些都是车削中心设计、用户选用时需要引起注意的基本问题。

【参考文献】

[1]Turret Assembly， VDI 30 with Y Axis[Z]. QUEST Multi-Tasking and Hard Turning CNC Lathes，Hardinge Inc.

[2]Live Tool Drive Assembly， VDI 30 Top Plate[Z]. QUEST Multi-Tasking and Hard Turning CNC Lathes，Hardinge Inc.

[3]李兆维，李晨光，李焱.基于行星轮系的车削中心用动力刀座设计与研究[J].机床与液压，2011（10）：17-19.

[4]夏凤芳.数控机床[M].北京：高等教育出版社，2010.

[责任编辑：杨玉洁]