數(shù)控車方機(jī)床的加工和發(fā)展趨勢(shì)研究

王義朋

（河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，任丘 062552）

眾所周知，在機(jī)械加工過(guò)程中，總是會(huì)遇到各種各樣的特殊零件。在對(duì)特殊零件加工時(shí)，不僅需要保證零件表面對(duì)稱，還需要保證四邊的形狀對(duì)稱，從而保證特殊零件能夠正常使用。例如，回旋體工件在加工時(shí)，不僅要保證小平面對(duì)稱，如二平面的對(duì)稱，還需要保證四方和六角對(duì)稱。在使用傳統(tǒng)的加工方式的過(guò)程中，需要應(yīng)用到有分度銑削功能的設(shè)備，因此，其工作效率比較低。并且，加工出來(lái)的零部件產(chǎn)品的表明光潔度及光滑度等方面都比較一般，還需要在加工后車削加工平面，以提高零部件的光潔度、光滑度等。

在傳統(tǒng)車床中，很多工件需要做一定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如果是刀具，則需要做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并保證工件上的刀刃切削軌跡為圓，從而加工出圓柱體、圓錐體、球體等特征工件。數(shù)控車方機(jī)床是近年來(lái)較為先進(jìn)的一種零部件加工機(jī)床，其工作原理是，利用刀盤和工件之間的恒轉(zhuǎn)速比（比例為2∶1），使被加工零件在加工過(guò)程中產(chǎn)生復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌跡，使得工件旋轉(zhuǎn)一周；然后，使用刀具切削工件的對(duì)稱兩個(gè)面，切削的軌跡近似為直線。

1 車方機(jī)床原理

1.1 刀具軌跡

車方機(jī)床的原理主要在于，利用刀具與工件轉(zhuǎn)速差，使得刀尖能夠準(zhǔn)確放置到工件的切削段，然后，使得工件產(chǎn)生復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌跡的過(guò)程，軌跡近似為直線段。在機(jī)床加工中，還需要注意刀具與工件的角速度。通常情況下，刀具的角速度為ω1，工件的角速度為ω2，然后分別朝逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，要注意旋轉(zhuǎn)中心等的確定。通常情況下，將工件旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置為坐標(biāo)系的原點(diǎn)O，將刀具回轉(zhuǎn)半徑設(shè)置為r1，將刀具旋轉(zhuǎn)中心A1與工件中心O所產(chǎn)生的兩點(diǎn)距離為r。假設(shè)工件處于不旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，則可以將工件旋轉(zhuǎn)相當(dāng)于，刀具除了以A1逆時(shí)針自轉(zhuǎn)外，還要順時(shí)針繞O公轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)毒咧行墓D(zhuǎn)一個(gè)角度θ到A點(diǎn)時(shí)，則刀尖同時(shí)逆時(shí)針自轉(zhuǎn)ω1ω2至D點(diǎn)。設(shè)D點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y），則有：

設(shè)OA＝r，AD=r1，∠OAB=θ，則：

可以推出：

采用不同的轉(zhuǎn)速比時(shí)，其軌跡有不同的曲線形式。當(dāng)ω1ω2＝2時(shí)，方程式（4）和（5）可以簡(jiǎn)化為橢圓方程式：

刀具復(fù)合軌跡的長(zhǎng)半軸確定為（r+r1），短半軸則確定為（r-r1)，軌跡為橢圓。另外，從直觀方面來(lái)看，當(dāng)r1＜r時(shí)，橢圓長(zhǎng)軸大于短軸，此時(shí)的橢圓形狀更加趨向于扁平。此時(shí)，車方機(jī)床則可以利用橢圓軌跡，將短軸的兩端曲線矯正為直線，然后，將圓柱工件車削出平面。當(dāng)工件的旋轉(zhuǎn)半徑變小時(shí)，則意味著刀具的旋轉(zhuǎn)半徑在增大，進(jìn)而增大橢圓長(zhǎng)軸和短軸的比，此時(shí)的工件切削更接近于平面，最終使加工平面實(shí)際尺寸誤差得到有效降低。當(dāng)工件越小時(shí)，切削出來(lái)的工件平面趨近于直線；當(dāng)工件越大時(shí)，切削出來(lái)的工件平面趨近于中間鼓兩端低。

2 數(shù)控車方機(jī)床的結(jié)構(gòu)

數(shù)控車方機(jī)床通過(guò)一個(gè)伺服電機(jī)，同時(shí)帶動(dòng)主軸卡盤和刀盤。伺服電機(jī)和刀盤之間通過(guò)花鍵軸萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)，這種傳動(dòng)方式簡(jiǎn)單可靠但精度及刀盤的行程受限制。主軸卡盤和刀盤恒傳動(dòng)比為2∶1，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈，則工件轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，并且同向轉(zhuǎn)動(dòng)。刀盤上裝一把刀時(shí)，同時(shí)車削兩個(gè)平面；對(duì)稱位置裝兩把刀時(shí)，車削四個(gè)面；裝三把刀時(shí)，車削六個(gè)面，依次類推。數(shù)控車方機(jī)床能完成加工雙平面、四方形等多角多面的產(chǎn)品和零件。

3 加工試驗(yàn)

本次加工試驗(yàn)，在蘇州工業(yè)園區(qū)千方精密機(jī)械廠進(jìn)行，所用試切機(jī)床主要參數(shù)為：主軸通徑60mm，最大加工長(zhǎng)度100mm，最大回轉(zhuǎn)直徑250mm，最大加工直徑130mm，刀具選用山特維克的可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片。

毛坯材料為4340，圓鋼棒料，熱處理硬度為235HBW，外圓直徑為110mm，車削六方的對(duì)邊距離為95mm，六方長(zhǎng)度為60mm。機(jī)床加工參數(shù)選用，主軸轉(zhuǎn)速500r/min，刀盤的直線進(jìn)給速度為60mm/min，吃刀量2mm。共車削5次，總的加工時(shí)間為5min，加上輔助時(shí)間大約8min。

工件加工后，用游標(biāo)卡尺測(cè)量六方對(duì)邊厚度最大值為95mm，最小值為94.4mm。對(duì)邊尺寸差約為0.3mm，表面粗糙度在6.3左右，中間鼓，兩端低，約差2mm，但滿足性能要求。

傳統(tǒng)的六方加工，是在普通銑床上加角度頭，工件安裝在角度頭上，通過(guò)控制角度頭的旋轉(zhuǎn)角度加工每個(gè)面，每個(gè)面的加工時(shí)間大約2min,總的加工時(shí)間大約15min。

4 發(fā)展趨勢(shì)

數(shù)控車方機(jī)床經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，特別適合于加工鋁件、銅件、不銹鋼等直徑小、硬度低的工件。常規(guī)銑削加工多方小直徑的工件，易變形、無(wú)法定位加緊、分度不精確。但六方車床有自身的局限性，當(dāng)對(duì)于大直徑、硬度高的工件多方加工時(shí)，需要的刀盤特別大，切削次數(shù)增加，切削深度減小，進(jìn)給速度降低，連續(xù)的斷屑切削，機(jī)床震動(dòng)特別大。

數(shù)控車方機(jī)床未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)是，增大床身尺寸、增大床身質(zhì)量、提高抗震動(dòng)能力，不應(yīng)僅局限于加工小直徑、硬度低的工件，還應(yīng)該在大直徑、硬度高的工件加工方面考慮突破。該類機(jī)床作為一種創(chuàng)新型的加工模式和加工工藝，未來(lái)的發(fā)展前景非常值得期待。