基于插补Y轴的车铣复合加工中心总体结构布局设计及性能分析

王建军， 李文祥， 杨红军， 李小飞

（宝鸡机床集团有限公司，陕西 宝鸡721013）

0 引言

车铣复合加工中心凭借其高效率、高精度及较强的加工性能，越来越受到广大机床用户的青睐，因此，如何构思、设计车铣复合加工中心，已经成为机床企业工程师当下任务。

1 车铣复合加工中心总体布局分析

车铣复合加工机床除了具有X、Z两个方向的直线坐标轴外，它至少还比一般数控车床多1个旋转坐标轴C轴（目前有些高档的车铣复合中心还带B轴）和一个直线坐标轴（Y轴），而且可以实现多轴联动加工。主要结构形式有以下3种：

1）第一种结构形式。以卧式车床斜床身为基础，分别设计有X、Z、Y3个进给轴，并配有C轴。该类机床以车削为主，铣削为辅，适合加工体积较小的回转体类零件。

2）第二种结构形式的基础是加工中心。在加工中心机床结构基础上，增加带C轴车主轴，用旋转夹盘夹持工件，实现车铣复合。该类机床以铣削为主，车削为辅，适合加工需要大量铣削类零件。

3）第三种结构形式。整体采用龙门式结构，在此结构基础上，配备具有C轴功能的旋转工作台。该类机床一般规格较大，以镗、铣加工为主，车加工为辅，适合大型复杂零件的加工。

2 车铣复合加工中心总体布局方案的确定

2.1 机床结构形式的选定

通过对目前国内外现有车铣复合加工中心结构形式的对比和分析研究，在结合国内外同类产品结构形式的优缺点以及笔者公司丰富的研发数控车床、加工中心的经验的基础上，从适合市场需求和适合公司的开发要求等角度出发，首先将机床结构形式定位在中、小型的四轴联动车铣中心，因此从结构形式上就排除了第三种的龙门式结构。其次，由于公司产品线多年来以全功能数控车床为主，对该类机床的设计、试制、批量生产公司有着独有的竞争优势，所以排除第二种结构形式，因此公司车铣复合加工中心在结构上采用第一种结构形式。机床总体布局及各轴运动布置图见图1。

图1 车铣复合中心总体布局及各轴运动布置图

2.2 车铣复合加工中心Y轴结构分析、选取

因为机床是以斜床身数控车床为基础的，因此X、Z轴在运动布置上，不存在歧义，在Y轴的布置上有以下两种方案：

图2 带Y轴伺服动力刀塔图

1）第一种方案是直接Y轴结构。具体结构是选用类似意大利DUPLOMATIC公司带Y轴伺服动力刀塔（如图2所示）。这种结构的优点是Y轴运动是直接的，行程一般较大，其不足一是Y轴立柱受布局限制，受力不很合理，易形成悬臂支承，影响加工精度；二是在相同体积范围内，相比较而言，刀塔刚性较弱。

2）第二种方案是采用上、下床鞍在斜床身上插补形成虚拟的Y轴结构，通过X轴和一个与X轴有一定夹角的Y′轴差补来实现Y轴（X轴、Y′轴合成虚拟Y轴运动示意图见图3）。

图3 虚拟Y轴运动示意图

第二种方案的优点是刚性高（没有刀架在Y轴上的悬伸），拖动重力轻，易于控制，机床布局合理，切削空间大，适合中小规格机床采用。这种方案的缺点是对床鞍夹角的角度加工精度要求很高，不易达到很高精度，但可以利用数控系统补偿功能进行弥补。

笔者公司研究的对象是适合中等规格零件的加工，最终公司考虑采用虚拟Y轴结构,确保最佳的刚性和最佳的性价比。目前，该产品已经实现产业化，开始服务于国家重要的工业制造和国防工业制造领域。

3 结语

在分析国内外车铣中心各结构优缺点的基础上，根据笔者公司实际情况，最终确定机床的总体布局方案。在机床的总体布局设计过程中，主要对车铣中心机床的结构形式、虚拟Y轴结构形式进行了分析和阐述。

［1］ 李宪凯，崔佩强，吴俊勇，等.车铣复合加工中心结构分析［J］.设备管理与维修，2006（1）：36，42.

［2］ 王珏.高速精密五轴联动加工中心结构设计及性能研究［D］.成都：四川大学，2005：7-8.