淺析走心機(jī)加工與應(yīng)用

段 祥

（蘇州微創(chuàng)脊柱創(chuàng)傷醫(yī)療科技有限公司，蘇州 215000）

1 走心機(jī)介紹

走心機(jī)全稱(chēng)為走心式數(shù)控車(chē)床，也可稱(chēng)為主軸箱移動(dòng)型數(shù)控自動(dòng)車(chē)床、經(jīng)濟(jì)型車(chē)銑復(fù)合機(jī)床或者縱切車(chē)床。走心機(jī)最早用于軍工器械及鐘表零件的精密加工，后來(lái)隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)走心機(jī)的需求越來(lái)越大，逐漸應(yīng)用于民用產(chǎn)品的加工。

如圖1所示，走心機(jī)屬于精密加工設(shè)備，單側(cè)軸能夠?qū)崿F(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)和四軸聯(lián)動(dòng)[1]。配置B軸走心機(jī)設(shè)備可進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)復(fù)合加工，可單工序完成車(chē)削、銑削、鉆削、鏜削、攻絲、沖加工、滾壓與雕刻加工等復(fù)合加工，同時(shí)配備自動(dòng)送料機(jī)實(shí)現(xiàn)原材料自動(dòng)上下料批量生產(chǎn)加工。走心機(jī)適用于精密五金、航天航空、液壓、軸承、電子、儀器儀表、通信、汽車(chē)零配件以及醫(yī)療器械等軸類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)或異型非標(biāo)件的精密加工。

圖1 走心機(jī)設(shè)備圖示

2 走心機(jī)優(yōu)點(diǎn)

2.1 減少產(chǎn)品加工工序，縮短生產(chǎn)節(jié)拍，提高加工效率

走心機(jī)在設(shè)計(jì)上具有結(jié)構(gòu)合理、換刀快捷以及可靠性極高等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)一步工序完成以往多道工序的加工要求，從而縮短生產(chǎn)節(jié)拍，使產(chǎn)品在生產(chǎn)中快速流轉(zhuǎn)，大幅提升了生產(chǎn)效率。

2.2 自動(dòng)化生產(chǎn)，高精度加工

走心機(jī)配備自動(dòng)送料機(jī)，實(shí)現(xiàn)原材料的精磨交付。產(chǎn)品換型調(diào)試合格后，設(shè)置加工數(shù)量，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料、加工和工件回收。原材料與導(dǎo)套配合間隙調(diào)節(jié)至0.005～0.010 mm，可穩(wěn)定加工并保證加工精度。在主軸與工件夾緊部位的加工過(guò)程中，切屑刀具一直位于導(dǎo)套最近端，保證了切削剛性，為恒定不變的加工精度提供了強(qiáng)有力的保證。

2.3 減少人員與工裝夾具投入，降低生產(chǎn)成本

走心機(jī)可以實(shí)現(xiàn)一人操作，實(shí)現(xiàn)了一人看護(hù)多臺(tái)設(shè)備，減少了人員投入。此外，加工中不需要工裝夾具輔助，減少了工裝夾具成本。單臺(tái)走心機(jī)設(shè)備具備以往數(shù)車(chē)與數(shù)銑等多臺(tái)設(shè)備加工能力，減少了其他設(shè)備投入，達(dá)到了降低生產(chǎn)成本的目的。

3 走心機(jī)機(jī)床種類(lèi)

走心機(jī)品牌眾多，國(guó)外品牌有瑞士托納斯、日本西鐵城和星牌、韓國(guó)津上和韓華等，國(guó)內(nèi)品牌有今日標(biāo)準(zhǔn)、碩方以及建克等。不同品牌設(shè)備機(jī)型分類(lèi)不同，原則上參照原材料最大加工直徑進(jìn)行區(qū)分。設(shè)備機(jī)型常規(guī)進(jìn)行劃分，最大加工直徑為4 mm、12 mm、16 mm、20 mm、26 mm、32 mm和38 mm。

4 走心機(jī)工件坐標(biāo)系

工件坐標(biāo)系是編程時(shí)使用的坐標(biāo)系，又稱(chēng)編程坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系是人為設(shè)定的。建立工件坐標(biāo)系是走心機(jī)加工前必不可少的一步。走心機(jī)是主背軸加工，所以需要設(shè)定兩個(gè)坐標(biāo)系，分別為主軸坐標(biāo)系和背軸坐標(biāo)系。

主軸坐標(biāo)系可以通過(guò)試切法來(lái)建立。走心機(jī)材料處于自動(dòng)送料狀態(tài)，切斷刀處于第一刀位，頂住材料。當(dāng)運(yùn)行程序自動(dòng)加工時(shí)，程序開(kāi)始要先運(yùn)行建立工件坐標(biāo)系指令。一般通過(guò)兩種坐標(biāo)差來(lái)進(jìn)行設(shè)定，區(qū)別在于是左切斷刀具還是右切斷刀具[2]。程序中代碼為“G50Z0”，表示右切斷刀具，且刀具與加工零點(diǎn)保持一致。程序代碼為“G50Z13”，表示左切斷刀具，材料位于加工零點(diǎn)正13 mm處?？梢愿鶕?jù)產(chǎn)品加工工藝選擇切斷刀具。右切斷刀剛性好，使用時(shí)需要考慮背軸夾頭接料時(shí)是否干涉。左切斷刀可使用不加長(zhǎng)背軸夾頭，用于主背軸同心度要求較高的產(chǎn)品加工。

背軸坐標(biāo)系以背軸夾持工件的端面為零點(diǎn)，將背軸加工刀具接觸到工件端面后，在刀補(bǔ)中測(cè)量輸入Z0，從而完成背軸坐標(biāo)系設(shè)置。

5 走心機(jī)加工能力

（1）走心機(jī)從機(jī)械結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析，一般具備主從動(dòng)軸和副從動(dòng)軸，兩軸都具備分度功能，可實(shí)現(xiàn)分度加工與X軸、Y軸、Z軸、C軸多軸或4軸聯(lián)動(dòng)加工。

（2）主軸配備刀排刀具。刀排刀具分為固定排刀刀具和旋轉(zhuǎn)動(dòng)力刀具，可實(shí)現(xiàn)外圓車(chē)削、車(chē)槽、徑向孔與銑削加工。加裝旋風(fēng)銑或滾齒裝置，可實(shí)現(xiàn)螺紋銑削和滾齒加工。走心機(jī)采用雙軸排布刀具，大幅節(jié)約了加工循環(huán)時(shí)間。通過(guò)縮短排刀與對(duì)向刀具臺(tái)的刀具交換時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了多重刀具臺(tái)重疊和螺紋切屑。二次加工時(shí)，縮短了空走時(shí)間。

（3）主軸加裝固定端面刀具與動(dòng)力端面刀具，通過(guò)改變安裝方向可實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸或?qū)Ρ齿S端面內(nèi)孔鏜削、孔加工和銑削加工，增加了設(shè)備加工能力，為復(fù)雜零件加工提供了更多解決方案。

（4）機(jī)床配置高壓油泵，有多根高壓油管分接在機(jī)床內(nèi)部。排刀位置壓強(qiáng)設(shè)置在6 000～8 000 kPa，油管前端直徑選擇1 mm噴油孔，對(duì)準(zhǔn)外圓刀尖，用于粉碎鐵屑；主軸與背軸端面加工位置將高壓油壓強(qiáng)設(shè)置在6 000～8 000 kPa，可實(shí)現(xiàn)刀具內(nèi)冷加工，同時(shí)切削進(jìn)給可提前1.5～2倍；背軸對(duì)主軸刀位配備高壓油泵，以直徑1.5 mm、長(zhǎng)度120 mm槍鉆為例，壓強(qiáng)設(shè)置在13 000 kPa，加工前確認(rèn)槍鉆內(nèi)冷噴油順暢無(wú)阻塞，可實(shí)現(xiàn)工件深孔加工。

（5）機(jī)床內(nèi)部配備高頻銑設(shè)備可實(shí)現(xiàn)0.2 mm微小刀具的高速加工，轉(zhuǎn)速最高設(shè)置到80 000轉(zhuǎn)?？梢愿鶕?jù)加工需求配置多個(gè)高頻銑接頭，安裝在設(shè)備主軸與背軸處，實(shí)現(xiàn)軸向與徑向銑削或鉆孔加工，在醫(yī)療領(lǐng)域廣泛用于骨釘內(nèi)梅花加工。

（6）帶刀塔走心機(jī)機(jī)床刀排可以加裝輔助夾具，用于實(shí)現(xiàn)工件的支撐加工，如圖2所示。通過(guò)程序調(diào)取輔助夾具定位于導(dǎo)套中心前方，將毛坯粗精加工后的產(chǎn)品伸出導(dǎo)套，進(jìn)入輔助夾具增加對(duì)長(zhǎng)工件的扶持，調(diào)取刀塔刀具進(jìn)行銑削加工。輔助夾具可保持工件剛性，滿(mǎn)足圖紙尺寸要求。

圖2 細(xì)長(zhǎng)軸銑削輔助夾具

（7）帶B軸走心機(jī)分為兩種，一種是手動(dòng)旋轉(zhuǎn)鎖定B軸，另一種是程序控制自動(dòng)旋轉(zhuǎn)B軸。它可輔助機(jī)床實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品五軸加工，在醫(yī)療領(lǐng)域常應(yīng)用于牙科斜基臺(tái)的加工制造。

6 走心機(jī)原材料種類(lèi)與要求

走心機(jī)3 mm直徑以上棒料長(zhǎng)度集中在2 500～3 200 mm。直徑越小，棒料長(zhǎng)度越短。1～3 mm直徑棒料因直線(xiàn)度限制，棒料長(zhǎng)度集中在1 000～2 000 mm。原材料尾料長(zhǎng)度主要由導(dǎo)套構(gòu)造與產(chǎn)品長(zhǎng)度決定。固定導(dǎo)套與浮動(dòng)導(dǎo)套機(jī)械結(jié)構(gòu)位于主軸正軸向極限位置往前80～120 mm（以最大加工直徑32 mm走心機(jī)為例）。原材料既要滿(mǎn)足主軸夾持長(zhǎng)度，又要滿(mǎn)足導(dǎo)套扶持長(zhǎng)度。當(dāng)不足以滿(mǎn)足最后一件產(chǎn)品加工長(zhǎng)度時(shí)，就會(huì)成為尾料。原材料總長(zhǎng)越短，累積產(chǎn)生的尾料越多。無(wú)導(dǎo)套機(jī)床因沒(méi)有導(dǎo)套扶持，只需要主軸夾持長(zhǎng)度，原材料能夠最大限度使用。

原材料類(lèi)型以棒材、絲材居多，材質(zhì)主要分為不銹鋼、鈦合金、銅材、鋁合金、聚四氟乙稀等，公差等級(jí)要求為IT7～I(xiàn)T9。棒料直線(xiàn)度在每米0.35 mm以下。直徑的公差與直線(xiàn)度的精度越高，加工穩(wěn)定性越高。

原材料形狀常規(guī)使用圓柱形材料，根據(jù)產(chǎn)品圖紙要求也可定制非標(biāo)異形材料，如四方或六方材料、空心材料等。當(dāng)使用空心材料時(shí)，需要在尾料一側(cè)將孔堵實(shí)，以防加工內(nèi)孔時(shí)內(nèi)冷高壓油順著空心孔回流到送料機(jī)，導(dǎo)致切削油溢出機(jī)床。主軸夾頭和導(dǎo)套與材料形狀保持一致，當(dāng)主軸加工產(chǎn)品為規(guī)則軸類(lèi)形狀時(shí)，背軸夾頭使用普通夾頭或加長(zhǎng)夾頭，槽形有三瓣式、四瓣式以及S槽等。棒料選擇公制材料時(shí)，公差為下公差。選擇英制材料時(shí)，公差為上下公差，在選擇主軸導(dǎo)套時(shí)需要注意。

原材料在使用時(shí)需要確保表面光潔無(wú)附著物。材料兩端進(jìn)行倒角，用于換料時(shí)導(dǎo)向無(wú)干涉。設(shè)備換型更換原材料規(guī)格時(shí)，確認(rèn)原材料的直徑與送料機(jī)導(dǎo)軌、防震套、伸縮管直徑規(guī)格匹配，防止產(chǎn)品加工時(shí)備件與原材料間隙過(guò)大。高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生異響或碰傷材料表面，會(huì)導(dǎo)致原材料彎曲、損傷而造成工件報(bào)廢、加工中止等問(wèn)題。

浮動(dòng)導(dǎo)套與材料間隙直接影響產(chǎn)品加工尺寸精度與形位公差，所以原材料需要精磨，提高了原材料的單位成本。走心機(jī)因設(shè)備結(jié)構(gòu)與數(shù)控車(chē)不同，原材料尾料長(zhǎng)度的表達(dá)式為：

原材料尾料長(zhǎng)度=導(dǎo)套本體的扶持距離+主軸夾頭夾持長(zhǎng)度+最后一段小于工件的長(zhǎng)度 （1）

可見(jiàn)，當(dāng)批量生產(chǎn)時(shí)尾料的累積成本較高。

7 結(jié)語(yǔ)

在“工業(yè)4.0”趨勢(shì)和“中國(guó)制造2025”發(fā)展規(guī)劃的影響下，在中國(guó)制造業(yè)加速轉(zhuǎn)型的浪潮下，走心機(jī)設(shè)備以高效化、精密化、規(guī)范化、智能化生產(chǎn)以及高度自動(dòng)化成為制造業(yè)的中堅(jiān)力量。此外，市場(chǎng)各個(gè)行業(yè)對(duì)精密零件的加工要求越來(lái)越高，為走心機(jī)的發(fā)展帶來(lái)了更多機(jī)會(huì)。