浅析走心机加工与应用

段 祥

（苏州微创脊柱创伤医疗科技有限公司，苏州 215000）

1 走心机介绍

走心机全称为走心式数控车床，也可称为主轴箱移动型数控自动车床、经济型车铣复合机床或者纵切车床。走心机最早用于军工器械及钟表零件的精密加工，后来随着工业的不断发展，市场对走心机的需求越来越大，逐渐应用于民用产品的加工。

如图1所示，走心机属于精密加工设备，单侧轴能够实现三轴联动和四轴联动[1]。配置B轴走心机设备可进行五轴联动复合加工，可单工序完成车削、铣削、钻削、镗削、攻丝、冲加工、滚压与雕刻加工等复合加工，同时配备自动送料机实现原材料自动上下料批量生产加工。走心机适用于精密五金、航天航空、液压、轴承、电子、仪器仪表、通信、汽车零配件以及医疗器械等轴类标准或异型非标件的精密加工。

图1 走心机设备图示

2 走心机优点

2.1 减少产品加工工序，缩短生产节拍，提高加工效率

走心机在设计上具有结构合理、换刀快捷以及可靠性极高等特点，可以实现一步工序完成以往多道工序的加工要求，从而缩短生产节拍，使产品在生产中快速流转，大幅提升了生产效率。

2.2 自动化生产，高精度加工

走心机配备自动送料机，实现原材料的精磨交付。产品换型调试合格后，设置加工数量，可实现自动送料、加工和工件回收。原材料与导套配合间隙调节至0.005～0.010 mm，可稳定加工并保证加工精度。在主轴与工件夹紧部位的加工过程中，切屑刀具一直位于导套最近端，保证了切削刚性，为恒定不变的加工精度提供了强有力的保证。

2.3 减少人员与工装夹具投入，降低生产成本

走心机可以实现一人操作，实现了一人看护多台设备，减少了人员投入。此外，加工中不需要工装夹具辅助，减少了工装夹具成本。单台走心机设备具备以往数车与数铣等多台设备加工能力，减少了其他设备投入，达到了降低生产成本的目的。

3 走心机机床种类

走心机品牌众多，国外品牌有瑞士托纳斯、日本西铁城和星牌、韩国津上和韩华等，国内品牌有今日标准、硕方以及建克等。不同品牌设备机型分类不同，原则上参照原材料最大加工直径进行区分。设备机型常规进行划分，最大加工直径为4 mm、12 mm、16 mm、20 mm、26 mm、32 mm和38 mm。

4 走心机工件坐标系

工件坐标系是编程时使用的坐标系，又称编程坐标系。该坐标系是人为设定的。建立工件坐标系是走心机加工前必不可少的一步。走心机是主背轴加工，所以需要设定两个坐标系，分别为主轴坐标系和背轴坐标系。

主轴坐标系可以通过试切法来建立。走心机材料处于自动送料状态，切断刀处于第一刀位，顶住材料。当运行程序自动加工时，程序开始要先运行建立工件坐标系指令。一般通过两种坐标差来进行设定，区别在于是左切断刀具还是右切断刀具[2]。程序中代码为“G50Z0”，表示右切断刀具，且刀具与加工零点保持一致。程序代码为“G50Z13”，表示左切断刀具，材料位于加工零点正13 mm处。可以根据产品加工工艺选择切断刀具。右切断刀刚性好，使用时需要考虑背轴夹头接料时是否干涉。左切断刀可使用不加长背轴夹头，用于主背轴同心度要求较高的产品加工。

背轴坐标系以背轴夹持工件的端面为零点，将背轴加工刀具接触到工件端面后，在刀补中测量输入Z0，从而完成背轴坐标系设置。

5 走心机加工能力

（1）走心机从机械结构上进行分析，一般具备主从动轴和副从动轴，两轴都具备分度功能，可实现分度加工与X轴、Y轴、Z轴、C轴多轴或4轴联动加工。

（2）主轴配备刀排刀具。刀排刀具分为固定排刀刀具和旋转动力刀具，可实现外圆车削、车槽、径向孔与铣削加工。加装旋风铣或滚齿装置，可实现螺纹铣削和滚齿加工。走心机采用双轴排布刀具，大幅节约了加工循环时间。通过缩短排刀与对向刀具台的刀具交换时间，实现了多重刀具台重叠和螺纹切屑。二次加工时，缩短了空走时间。

（3）主轴加装固定端面刀具与动力端面刀具，通过改变安装方向可实现对主轴或对背轴端面内孔镗削、孔加工和铣削加工，增加了设备加工能力，为复杂零件加工提供了更多解决方案。

（4）机床配置高压油泵，有多根高压油管分接在机床内部。排刀位置压强设置在6 000～8 000 kPa，油管前端直径选择1 mm喷油孔，对准外圆刀尖，用于粉碎铁屑；主轴与背轴端面加工位置将高压油压强设置在6 000～8 000 kPa，可实现刀具内冷加工，同时切削进给可提前1.5～2倍；背轴对主轴刀位配备高压油泵，以直径1.5 mm、长度120 mm枪钻为例，压强设置在13 000 kPa，加工前确认枪钻内冷喷油顺畅无阻塞，可实现工件深孔加工。

（5）机床内部配备高频铣设备可实现0.2 mm微小刀具的高速加工，转速最高设置到80 000转。可以根据加工需求配置多个高频铣接头，安装在设备主轴与背轴处，实现轴向与径向铣削或钻孔加工，在医疗领域广泛用于骨钉内梅花加工。

（6）带刀塔走心机机床刀排可以加装辅助夹具，用于实现工件的支撑加工，如图2所示。通过程序调取辅助夹具定位于导套中心前方，将毛坯粗精加工后的产品伸出导套，进入辅助夹具增加对长工件的扶持，调取刀塔刀具进行铣削加工。辅助夹具可保持工件刚性，满足图纸尺寸要求。

图2 细长轴铣削辅助夹具

（7）带B轴走心机分为两种，一种是手动旋转锁定B轴，另一种是程序控制自动旋转B轴。它可辅助机床实现产品五轴加工，在医疗领域常应用于牙科斜基台的加工制造。

6 走心机原材料种类与要求

走心机3 mm直径以上棒料长度集中在2 500～3 200 mm。直径越小，棒料长度越短。1～3 mm直径棒料因直线度限制，棒料长度集中在1 000～2 000 mm。原材料尾料长度主要由导套构造与产品长度决定。固定导套与浮动导套机械结构位于主轴正轴向极限位置往前80～120 mm（以最大加工直径32 mm走心机为例）。原材料既要满足主轴夹持长度，又要满足导套扶持长度。当不足以满足最后一件产品加工长度时，就会成为尾料。原材料总长越短，累积产生的尾料越多。无导套机床因没有导套扶持，只需要主轴夹持长度，原材料能够最大限度使用。

原材料类型以棒材、丝材居多，材质主要分为不锈钢、钛合金、铜材、铝合金、聚四氟乙稀等，公差等级要求为IT7～IT9。棒料直线度在每米0.35 mm以下。直径的公差与直线度的精度越高，加工稳定性越高。

原材料形状常规使用圆柱形材料，根据产品图纸要求也可定制非标异形材料，如四方或六方材料、空心材料等。当使用空心材料时，需要在尾料一侧将孔堵实，以防加工内孔时内冷高压油顺着空心孔回流到送料机，导致切削油溢出机床。主轴夹头和导套与材料形状保持一致，当主轴加工产品为规则轴类形状时，背轴夹头使用普通夹头或加长夹头，槽形有三瓣式、四瓣式以及S槽等。棒料选择公制材料时，公差为下公差。选择英制材料时，公差为上下公差，在选择主轴导套时需要注意。

原材料在使用时需要确保表面光洁无附着物。材料两端进行倒角，用于换料时导向无干涉。设备换型更换原材料规格时，确认原材料的直径与送料机导轨、防震套、伸缩管直径规格匹配，防止产品加工时备件与原材料间隙过大。高速旋转产生异响或碰伤材料表面，会导致原材料弯曲、损伤而造成工件报废、加工中止等问题。

浮动导套与材料间隙直接影响产品加工尺寸精度与形位公差，所以原材料需要精磨，提高了原材料的单位成本。走心机因设备结构与数控车不同，原材料尾料长度的表达式为：

原材料尾料长度=导套本体的扶持距离+主轴夹头夹持长度+最后一段小于工件的长度 （1）

可见，当批量生产时尾料的累积成本较高。

7 结语

在“工业4.0”趋势和“中国制造2025”发展规划的影响下，在中国制造业加速转型的浪潮下，走心机设备以高效化、精密化、规范化、智能化生产以及高度自动化成为制造业的中坚力量。此外，市场各个行业对精密零件的加工要求越来越高，为走心机的发展带来了更多机会。