数控车方机床的加工和发展趋势研究

王义朋

（河北华北石油荣盛机械制造有限公司，任丘 062552）

众所周知，在机械加工过程中，总是会遇到各种各样的特殊零件。在对特殊零件加工时，不仅需要保证零件表面对称，还需要保证四边的形状对称，从而保证特殊零件能够正常使用。例如，回旋体工件在加工时，不仅要保证小平面对称，如二平面的对称，还需要保证四方和六角对称。在使用传统的加工方式的过程中，需要应用到有分度铣削功能的设备，因此，其工作效率比较低。并且，加工出来的零部件产品的表明光洁度及光滑度等方面都比较一般，还需要在加工后车削加工平面，以提高零部件的光洁度、光滑度等。

在传统车床中，很多工件需要做一定的旋转运动，如果是刀具，则需要做进给运动，并保证工件上的刀刃切削轨迹为圆，从而加工出圆柱体、圆锥体、球体等特征工件。数控车方机床是近年来较为先进的一种零部件加工机床，其工作原理是，利用刀盘和工件之间的恒转速比（比例为2∶1），使被加工零件在加工过程中产生复合运动轨迹，使得工件旋转一周；然后，使用刀具切削工件的对称两个面，切削的轨迹近似为直线。

1 车方机床原理

1.1 刀具轨迹

车方机床的原理主要在于，利用刀具与工件转速差，使得刀尖能够准确放置到工件的切削段，然后，使得工件产生复合运动轨迹的过程，轨迹近似为直线段。在机床加工中，还需要注意刀具与工件的角速度。通常情况下，刀具的角速度为ω1，工件的角速度为ω2，然后分别朝逆时针转动。在旋转过程中，要注意旋转中心等的确定。通常情况下，将工件旋转中心设置为坐标系的原点O，将刀具回转半径设置为r1，将刀具旋转中心A1与工件中心O所产生的两点距离为r。假设工件处于不旋转状态时，则可以将工件旋转相当于，刀具除了以A1逆时针自转外，还要顺时针绕O公转。当刀具中心公转一个角度θ到A点时，则刀尖同时逆时针自转ω1ω2至D点。设D点坐标为（x，y），则有：

设OA＝r，AD=r1，∠OAB=θ，则：

可以推出：

采用不同的转速比时，其轨迹有不同的曲线形式。当ω1ω2＝2时，方程式（4）和（5）可以简化为椭圆方程式：

刀具复合轨迹的长半轴确定为（r+r1），短半轴则确定为（r-r1)，轨迹为椭圆。另外，从直观方面来看，当r1＜r时，椭圆长轴大于短轴，此时的椭圆形状更加趋向于扁平。此时，车方机床则可以利用椭圆轨迹，将短轴的两端曲线矫正为直线，然后，将圆柱工件车削出平面。当工件的旋转半径变小时，则意味着刀具的旋转半径在增大，进而增大椭圆长轴和短轴的比，此时的工件切削更接近于平面，最终使加工平面实际尺寸误差得到有效降低。当工件越小时，切削出来的工件平面趋近于直线；当工件越大时，切削出来的工件平面趋近于中间鼓两端低。

2 数控车方机床的结构

数控车方机床通过一个伺服电机，同时带动主轴卡盘和刀盘。伺服电机和刀盘之间通过花键轴万向节传动，这种传动方式简单可靠但精度及刀盘的行程受限制。主轴卡盘和刀盘恒传动比为2∶1，刀盘转动两圈，则工件转动一圈，并且同向转动。刀盘上装一把刀时，同时车削两个平面；对称位置装两把刀时，车削四个面；装三把刀时，车削六个面，依次类推。数控车方机床能完成加工双平面、四方形等多角多面的产品和零件。

3 加工试验

本次加工试验，在苏州工业园区千方精密机械厂进行，所用试切机床主要参数为：主轴通径60mm，最大加工长度100mm，最大回转直径250mm，最大加工直径130mm，刀具选用山特维克的可转位硬质合金刀片。

毛坯材料为4340，圆钢棒料，热处理硬度为235HBW，外圆直径为110mm，车削六方的对边距离为95mm，六方长度为60mm。机床加工参数选用，主轴转速500r/min，刀盘的直线进给速度为60mm/min，吃刀量2mm。共车削5次，总的加工时间为5min，加上辅助时间大约8min。

工件加工后，用游标卡尺测量六方对边厚度最大值为95mm，最小值为94.4mm。对边尺寸差约为0.3mm，表面粗糙度在6.3左右，中间鼓，两端低，约差2mm，但满足性能要求。

传统的六方加工，是在普通铣床上加角度头，工件安装在角度头上，通过控制角度头的旋转角度加工每个面，每个面的加工时间大约2min,总的加工时间大约15min。

4 发展趋势

数控车方机床经济实惠，特别适合于加工铝件、铜件、不锈钢等直径小、硬度低的工件。常规铣削加工多方小直径的工件，易变形、无法定位加紧、分度不精确。但六方车床有自身的局限性，当对于大直径、硬度高的工件多方加工时，需要的刀盘特别大，切削次数增加，切削深度减小，进给速度降低，连续的断屑切削，机床震动特别大。

数控车方机床未来的发展趋势应是，增大床身尺寸、增大床身质量、提高抗震动能力，不应仅局限于加工小直径、硬度低的工件，还应该在大直径、硬度高的工件加工方面考虑突破。该类机床作为一种创新型的加工模式和加工工艺，未来的发展前景非常值得期待。