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上海电气技术
J O U R N A I。O F S H A N G H A I E LE C T R I C T E C H N()I。O G Y
2013—06
6(2)
文章编号：1674—540X(2013)02—58—05
周民
(上海重型机床厂有限公司，上海200240)
摘要：针对各种大重型车削中心的技术发展，综合阐述其所涉及的关键技术。对各种难点作了具体介绍，主要包括机构、部件、布局形式及性能特点。同时展望其今后的发展趋势及前景，对目前机床制造业及一些相关应用行业在设计、改造、选型应用等方面有一定的指导作用。
关键词：大重型车削中心；多功能立柱；切削系统
中图分类号：TG659文献标识码：A
K ey T e chnol ogy&D e ve l opm ent T endency on
B i g＆H ea vy D ut y T ur ni ng
C ent er
Z H O U M i”
(S hanghai H ea vy D ut y M achi ne Tool W or ks C o．，L t d．，Shanghai200240，C hi na)
A bst r act：I n a cc or dance w i t h t he t ec hni cal devel opm ent of va r i ous bi g＆．heavy dut y t ur ni ng
cent er，com pr ehens i vel y expo und i t s key t echnol ogy r el at ed，m ake a s peci f i c i nt r oduct i on of va r i ous di f f i cul t i es，m ai nl y i ncl ude m echani s m，com ponent s，l ayout f or m and i t s per f or m ance char act er i s t i cs．M eanw hi l e，l ook f or w ar d i t s devel opm ent t endency and pr ospe ct s，i n t he de si gn，r e t r of i t，s el e ct i on and appl i cat i on f or t he
pr es ent m achi ne t ool i ndus t r y and ot her r el at ed i ndus t r y has pl a yed gui di ng r ol e．ktv点歌台
K e y w or ds：bi g{孓he avy dut y t ur ni ng c ent er；eve r y axi s st r uct ur e；m ul t i—f unct i on col um n；
cut t i ng s ys t em
车削中心以车削、铣削为主，可根据需要增加钻削、镗削、磨削等加工模式，属于多任务复合加工机床。通过车削中心的加工，可使零件在不周转、不落地的情况下，完成大部或全部加工要求。对于大型复杂零件的加工，这种优势特别突出，如汽轮机转子、电动机转子、曲轴、螺杆、异型轴等零件，可极大地提高加工精度、效率及生产能力。车削中心经过20多年的发展，通过与现代数字控制技术的融合，其技术取得了长足进步，是信息化促进传统制造业水平提升的一个典型产品1-2-。 由于国内的大重型车削中心发展较晚，故进口的大重型车削中心在国内占有很大的市场份额，仅W F L、SEI G EN、W()H I。E N B E R G公司的产品就占据军工、航空航天、船舶工业所需该类装备市场的
收稿日期：2013—03—19
作者简介：周民(1970一)，男，工程师，主要从事控机床设计研发T作，E—m ai l：zhoum i nq@shl6
3．net
一氧化氮合成酶第2期周民：大重型车削中心的关键技术及发展趋势
半壁江山。上海重型机床厂有限公司开发了
C H6185(111)、C H61125(Ⅲ)、C H61160、
C H61250T3等大重型车削中心，在可靠性、精度、自
动化、复合化等方面独树一帜，填补了国内的技术
空白。
l简介
车削中心的伺服轴可根据不同要求而灵活布
置。直线类分为X、Y、Z轴，约有3～5个；回转类分
为C轴、B轴，约有1～2个[…。
X、Y、Z轴组成基本的三维运动。C轴围绕z
轴旋转，使工件实现圆周进给、分度定位。B轴绕Y
轴旋转，使刀具与工件轴线形成特定夹角，可完成
点，常采用四轴联动，如X、Y、z、C轴就可完成复杂 形状的加工，如曲轴连杆颈的加工。
相对于小型车削中心零部件所采用的专有独
立结构，大重型车削中心一般以类似规格的数控机
床(C om put er N um er i cal C ont r ol，C N C)、数控车床
为基础，通过借鉴其他种类机型的特点，如加工中
心，对各种加工模块的结构和功能进行科学合理设
计，构建出符合大重型车削中心所需的框架，能满
足多方面的功能及效率要求。
2关键技术
与普通车削中心相比较，各种大重型车削中心虽
然均以完成多任务的复合加工为目标，但所采用的技
术、结构却各不相同，各有特点，其所适用的范围也有
较大差异。主要结构与所用技术对比如表1所示。
表1主要结构与所用技术比较
内容
C轴
Y轴
Z轴
刀具加工角度形成
切削系统总体布局独立C，轴
实Y轴、虚拟Y轴
机械预载双齿轮消
隙，加工长度不限
数控B轴．自动
形成
刀盘式动力刀架，
集中式多功能立柱
采用模块化设计，
布局灵活
复合c，轴
无
滚珠丝杠驱动。加工
长度受限制
模块化刀具手动
调整
刀盘式动力刀架
布局固定
2．1C轴种类
打孔文件夹
C轴包括2种类型：①车削传动链与C轴传
动链采用同一电动机驱动，称为复合C，轴，成本
较低；②采用不同电动机驱动，为独立C，轴形式，
其定位精度、可靠性、传动刚性更高，但成本也
较高‘“。
大重型车削中心主要采用C，轴形式，即直接由
伺服电动机经减速机驱动主轴，C轴传动链与切削
传动链可脱离，以确保两种传动互不干涉。另外，
为保证C轴运行的精度及稳定性，必须采取有效措
施以控制C轴传动链间隙。
(1)定轴单驱消隙方式。主要形式为精密减
速机构加可控传动装置、离合器方式。减速机构
可采用双导程蜗轮蜗杆副、低背隙精密行星减速
机等。
如图1所示，由伺服电动机驱动，通过双导程蜗
杆蜗轮副减速实现主轴的低速运动，调整双导程蜗
杆轴向位置就可控制啮合间隙，此时切削传动链采
用空档位的方法予以切断；主轴转为切削传动链驱
动时，蜗轮与法兰之间的可控传动轴脱离，即可断
开C轴传动链。通过控制系统对离合器及档位的
分别组合，就可实现切削传动链与C轴传动链的相
互可靠脱离。主轴尾部安装角度编码器，实时检
测，反馈角度位置，实现全闭环控制。
图1定轴单驱消隙
(2)动轴单驱消隙方式。通过控制C轴传动链
齿轮的啮合与脱开，达到传动、消隙并与主传动链
脱离的目的，主要形式为齿轮摆动。
如图2所示，伺服电动机、精密行星减速机与小
齿轮安装于传动架上，整套传动架由油缸带动围绕
定轴旋转，限位块限位后由机械锁紧装置锁紧，达
到控制齿隙、承受径向力的作用。为防止C 轴大、
上海电气技术第6卷
小齿轮在摆动啮合过程中产生顶齿破坏，2个齿轮的圆周位置必须通过信号反馈，由系统控制处于唯一的准停角度后，传动架才能动作。
图2动轴单驱消隙
当主轴转为由切削传动链驱动时，通过油缸驱动传动架，C轴大、小齿轮脱离啮合，切削传动链拨叉由空档位进人啮合档位，主轴即可进入切削状态。
(3)双驱消隙方式。C轴传动链采用双传动链形式，分为第1、第2支链，共同作用于主轴大齿轮，通过数控系统控制，双传动链内部产生张力，提高主轴传动刚度及定位的准确性，定位精度达5以内。
每个支链结构与定轴单驱结构相同，主要形式为精密减速机构并加离合器方式，精密减速机构可采用蜗轮蜗杆副、低背隙精密行星减速机等型式。
当C轴第1支链由主电动机驱动旋转时，第2支链保持静止，双传动链内部通过第1支链电动机的预载作用，张力达到一定程度后，电动机驱动第2支链同方向带动主轴大齿轮旋转，双传动链此时同时驱动大齿轮。预载参数可在系统中根据实际运行要求设定。
如需转入切削传动链，C轴双传动链的离合器脱离后，切削传动链拨叉由空档位进入啮合档位，主轴即可进入切削工作状态。
2．2刀具加工角度形成
为完成斜面、斜孔、斜槽等的加工，刀具与工件轴线必须处于所需角度，根据控制不同，可分为手动、机动、控(B轴)等式。
(1)采用模块化角度可变动力刀具。这是产生角度变化最简单的方式。如图3所示，刀具绕定轴旋转至一定角度后，手工锁紧。该方法虽然结构简单，成本较低，但不能与其他轴实现联动插补，加工能力有限‘5I。
图3模块化角度动力刀具
(2)数控B轴方式。B轴的功能是可使机床有能力进行多轴定位加工以及3～5轴的联动加工；在工件一次装卡定位的情况下，能完成几乎所有范围内的铣削加工，可涵盖2台机床的加工能力。
B轴的主要结构为动力转塔，其借助回转模块通过数控系统控制产生角度变化。回转模块采用的主要结构包括齿圈回转机构、蜗轮蜗杆回转机构、力矩马达驱动机构、三齿盘锁紧单元、摩擦环锁紧单元等。
如图4所示，动力转台底座安装蜗轮蜗杆，齿圈3由油缸控制同时与齿圈1、齿圈2啮合时，实现固定角度的定位及锁紧，定位精度达2’以内；当齿圈脱离，摩擦环处于锁紧状态时，可实现任意位置的锁紧；当齿圈脱离，摩擦环处于放松状态时，B轴可与其他轴实现联动插补。
图4数控B轴结构
2．3Z轴形式
(1)机械预载双齿轮消隙。传动链采用一分二形式，主链的2个斜齿轮角度相同但旋向相反，分别与二支链斜齿轮啮合。主链斜齿轮可轴向移动，带动支链输出小齿轮反向旋转，与齿条异侧齿面接触产生内作用力，即可消除间隙。控制主链斜齿轮移动作用力的大小即可控制传动刚度。优点是成本
第2期周民：大重型车削中心的关键技术及发展趋势
较低，采用检测元件反馈后可实现较高的定位精度，但由于传动链零件要求较高，调整维护不便。
(2)双电动机预载消隙。原理同C轴的双驱消隙方式，传动链采用主、副双传动链形式，共同作用于Z轴齿条异侧齿面。优点是结构简单，调整方便准确，通过数控系统可灵活地控制双传动链内部张力，提高传动刚度及定位的准确性。
2．4Y轴形式
为配合动力刀具加工所需，根据原理不同可采用实y轴与虚拟Y轴两种形式[6‘7：。
(1)实Y轴。借鉴镗铣床结构并结合车削中心特点而开发，为立柱形式。受整机结构限制少，有利于Y轴行程的扩大及对不同加工模块的配置。拖板(箱体)结构可采用前置、偏置、箱中箱等形式。高速车针
(2)虚拟Y轴。如图5所示，刀架运动方向与X运动方向有一固定夹角d，双向运动合成后产生y向运动。虚拟Y轴可单独使用，也可与其他轴实现插补联动，但Y轴行程有限，受整机结构限制较大。
图5虚拟Y轴
2．5切削系统
根据加工对象的特点及复杂性，车削中心可采用不同的切削系统，主要有刀盘式动力刀架、集中式多功能立柱、交换式刀具单元，需综合衡量机床、工件、切削系统等多方面因素才能组合出最优加工方案。
(1)刀盘式动力刀架。刀盘可安装车刀座、动力刀具，刀具柄部接口标准主要采用D I N69880，安装位有8～12个。动力传递接口主要有D I N l809、D I N5480、D I N5482等型式。刀具由伺服电动机驱动，采用各种动力刀具后，可满足车、铣、钻、铣、铰孑L、攻丝、磨削等加工。刀盘式动力刀架常与虚拟Y 轴结合，可满足小范围的加工。如图6所示。
(：1)小州H(h)删m【冬|
图6刀盘式动力刀架
(2)集中式多功能立柱。如图7所示，与镗铣床的立柱结构不同，集中式多功能立柱采用模块化设计，可根据不同要求，安装车刀架模块、刀板模块、镗削模块、磨削模块、铣削模块，也可安装双摆角数控万能铣头。
地锚机
立柱采用B轴动力回转结构、Y轴结构产生旋转运动及直线运动，使刀具相对工件轴线到达所需角度和高度。
a)正视图(b)侧视图
(c)俯视冈
图7集中式多功能立柱
上海电气技术
(3)交换式切削单元。如图8所示，各种切削
单元固定于床身一侧，大拖板上布置有交换装置，
当需要某种切削功能时，大拖板自动移至相应切削第6卷
单元位置，通过交换机构交换该切削单元并自动锁
紧，以实现交换的全自动化。
铣削模块车削模块磨削模块镗孔模块
图8交换式切削单元
3发展趋势
经过30余年的发展，大重型车削中心技术逐步发展成熟，主要发展趋势如下。
(1)机床配置多样化。受行业发展不一的影响，用户对零件加工的精度、效率及成本等的要求多样，因此需要重视大重型车削中心功能与价格的合理匹配关系，以解决售价昂贵的问题。
根据用户的不同要求，选择适合的关键结构和配置组合成具有不同侧重点的车削中心。若加工能力不强，效率要求不高，尺寸范围不大，可选用复合C，轴+机械预载双齿轮消隙Z轴+刀盘式动力刀架+模块式角度可变动力刀具+虚拟Y轴型式，采用手动换刀；反之，可选用双驱独立C r轴+双电动机预载消隙Z轴+数控B轴+集中式多功能立柱+实Y轴形式+刀库型式。
(2)工艺范围更灵活。通过增加新型功能模块，扩展了更多加工、检测方法，如滚齿轮、多轴车削等，可以使复杂零件的所有加工真正做到完整、统一。
(3)加工效率更高。通过优化总体布局，改进功能组合，以达到效率的提高。如采用双拖板、双刀具系统，把车削功能以及其他功能分别布置于不同拖板上，达到发挥各模块最大加工能力的目的。
(4)加工零件大型化，结构复杂化。大型零件的调整、安装受到工件质量、结构的严格限制，非常不便，而大重型车削中心可以减少上述过程的操作难度和时间，工件愈大这种优势愈明显；因此，目前车削中心正向大型化发展。4结语
作为机、电、液、气紧密集成的高端复杂装备，近年来通过引进技术、消化创新、集成创新和原始创新等方式，已掌握部分关键技术。国产大重型车削中心在稳定性、复合性能、精度、环保、数控技术、智能化及效率上已达到较高的水平，但与已历经几代技术发展的进口设备相比还有一定差距。针对我国工业基础薄弱的情况，国产大重型车削中心要达到国际先进水平就必须持续跟进，在机床结构、温度、震动控制、噪声控制、动态控制及数控应用等方面不断研发改进，使国产大重型车削中心技术不断得到提高，带动我国高档数控装备达到新的提升。
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