一種精密數(shù)控絲杠車床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與技術(shù)性能

李林， 劉來(lái)章， 路世強(qiáng)， 武利坡

（德州德隆（集團(tuán)）機(jī)床有限責(zé)任公司，山東 德州253003）

1 引 言

目前，傳統(tǒng)絲杠加工工藝是單一工序加工，在專用設(shè)備上加工出絲杠螺紋部分，然后再用另一臺(tái)機(jī)床加工絲杠兩端部分，二次裝夾產(chǎn)生的累積誤差大小完全取決于工人的裝夾水平，造成了絲杠螺紋部分與兩端的不同心。國(guó)內(nèi)的絲杠車床母絲杠移動(dòng)方式都是絲杠旋轉(zhuǎn)螺母移動(dòng)，這樣由于母絲杠受到扭轉(zhuǎn)力在母絲杠長(zhǎng)度方向上任意位置的扭矩變形也不盡相同，造成被加工絲杠的幾何精度下降，螺距誤差很大，且很難控制，完全依賴機(jī)床本身的精度，所以傳統(tǒng)絲杠加工設(shè)備及工藝制約了我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中高新、精密產(chǎn)品的發(fā)展。

隨著各種精密、大型、特種機(jī)械設(shè)備的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)大直徑、長(zhǎng)規(guī)格精密絲杠數(shù)控加工設(shè)備十分緊缺，且以普通設(shè)備、小型設(shè)備為主，精密設(shè)備及特種設(shè)備主要以進(jìn)口為主，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)規(guī)格及超長(zhǎng)規(guī)格絲杠加工設(shè)備更是少之又少，我公司針對(duì)國(guó)內(nèi)絲杠加工設(shè)備存在的不足，經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證、測(cè)試，研制出了CSK2280 數(shù)控絲杠車床。

2 機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)布局

圖1 機(jī)床外觀圖

CSK2280 數(shù)控絲杠車床是為粗、精加工各種長(zhǎng)規(guī)格及超長(zhǎng)規(guī)格絲杠類零件而設(shè)計(jì)的專用機(jī)床。該機(jī)床采用臥式床身，配置了4 擋變速、擋內(nèi)可無(wú)級(jí)調(diào)速的床頭箱，既能保證車削螺紋時(shí)所需要的低速大扭矩，又能實(shí)現(xiàn)車削絲杠支撐位時(shí)的高速精加工。機(jī)床母絲杠在床體中間，采用絲杠固定螺母旋轉(zhuǎn)式傳動(dòng)，大幅度減少了由于母絲杠過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)引起的誤差，減少了被加工絲杠的螺距誤差，由于螺母旋轉(zhuǎn)力臂較大，使得刀具Z 向進(jìn)給力成倍增加，大大提高了機(jī)床的動(dòng)力特性。螺母旋轉(zhuǎn)采用交流伺服電機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)，并配有光柵尺進(jìn)行位置反饋，進(jìn)一步提高了被加工零件的尺寸精度，滿足了精密絲杠的加工要求，是大直徑、長(zhǎng)規(guī)格絲杠理想的加工設(shè)備。

3 機(jī)床的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

3.1 床身

該機(jī)床總體采用臥式布局形式，床身采用整體落地平床身結(jié)構(gòu)，分前后兩節(jié)，每節(jié)5m，由高強(qiáng)度鑄鐵精密樹脂砂鑄造，經(jīng)過(guò)三次燜火處理，有效地消除了加工過(guò)程中的殘余內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)部筋形布局合理，大大提高了床身整體剛性和穩(wěn)定性。床身導(dǎo)軌采用“一山一矩”式，導(dǎo)軌跨距大，導(dǎo)軌接觸面寬，機(jī)床母絲杠在床體中間安裝，避免了傳統(tǒng)的絲杠在機(jī)床床身一側(cè)時(shí)產(chǎn)生的拖板受力不均和低速爬坡現(xiàn)象。

3.2 主軸箱

該機(jī)床主軸傳動(dòng)系統(tǒng)為寬調(diào)速交流伺服主電機(jī)通過(guò)同步帶傳到床頭箱，床頭箱采用手動(dòng)換擋4 擋變速，擋內(nèi)可無(wú)級(jí)調(diào)速，最大傳動(dòng)比3/128，在6r/min 時(shí)主軸扭矩達(dá)到5000N·m，可滿足低速大扭矩切削螺紋的要求，最小傳動(dòng)比76/225，可實(shí)現(xiàn)高速切削絲杠兩端支撐位置，確保工件一次裝夾就完成絲杠螺紋和絲杠支撐軸徑加工，減少了工序轉(zhuǎn)換輔助時(shí)間，提高了加工效率。機(jī)床主軸軸承采用日本NSK 高精密主軸軸承，定向熱裝配，確保機(jī)床主軸具有較高的回轉(zhuǎn)精度。機(jī)床主軸還具有C 軸功能（配有高精度編碼器閉環(huán)控制），可實(shí)現(xiàn)主軸的任意角度定位、分度、旋轉(zhuǎn)，且機(jī)床Z 軸配有光柵尺進(jìn)行位置反饋，主軸與Z 軸精確插補(bǔ)可實(shí)現(xiàn)低速對(duì)刀高速切削，兩軸的全閉環(huán)控制，也進(jìn)一步提高了被加工零件的尺寸精度，滿足了精密絲杠的加工要求。

3.3 拖板進(jìn)給

圖2 拖板結(jié)構(gòu)圖

拖板部分位于床頭箱與尾座之間，拖板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于拖板的上部，通過(guò)伺服電機(jī)和同步帶帶動(dòng)母絲杠螺母旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)整個(gè)拖板部分沿Z向移動(dòng)，滑板部分位于拖板之上和拖板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)并列，滑板部分的X 向移動(dòng)是由伺服電機(jī)通過(guò)同步帶來(lái)實(shí)現(xiàn)的，滑板上部的刀架沿Z 向的微動(dòng)由手輪旋轉(zhuǎn)控制。

機(jī)床母絲杠采用絲杠固定螺母旋轉(zhuǎn)式傳動(dòng)，大幅度降低了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中因母絲杠過(guò)長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角度誤差，所帶來(lái)的螺距前后差異。為了提高傳動(dòng)精度，母絲杠采用德國(guó)進(jìn)口高精度滾珠絲杠（直徑100mm，有效長(zhǎng)度9.5m），絲杠螺母旋轉(zhuǎn)采用交流伺服電機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)，螺母及伺服電機(jī)安裝在拖板上，與拖板一起保持隨動(dòng)，由于是螺母旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)半徑要比絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)大很多，受力半徑增大，使得刀具Z 向進(jìn)給力矩成倍增加，大大提高了機(jī)床的動(dòng)力特性。

3.4 托架

機(jī)床具有兩套托架，一套是母絲杠托架，由六個(gè)托架均布在床身的全長(zhǎng)上，以減少母絲杠的自重?fù)隙茸冃?，保證了母絲杠的直線度。第二套托架為絲杠工件托架，由雙跟刀架和中心架組成，雙跟刀架為整體式結(jié)構(gòu)，跟刀架位于托板之上，橫跨滑板，兩端分別有一對(duì)半瓦式保持架，刀具在兩個(gè)保持架中間進(jìn)行切削，有效減少了切削抗力導(dǎo)致的讓刀，大大降低了由于工件過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生彎曲變形造成的尺寸誤差。兩個(gè)中心架分別位于床頭箱與拖板之間和拖板與尾座之間，進(jìn)一步降低了被加工零件的撓度變形。

3.5 尾座、潤(rùn)滑

圖3 Z 軸進(jìn)給結(jié)構(gòu)圖

尾座采用手動(dòng)頂緊式回轉(zhuǎn)尾座，剛性好且操作方便，通過(guò)調(diào)整尾座上體和下體的X 向相對(duì)位置可靈活調(diào)整尾座和主軸的側(cè)母線，確保工件外圓車削圓柱度。潤(rùn)滑部分分別采用油潤(rùn)滑和集中潤(rùn)滑方式，將床頭箱潤(rùn)滑與其他部分潤(rùn)滑分離開來(lái)，床頭箱潤(rùn)滑單獨(dú)配有潤(rùn)滑泵組、風(fēng)冷機(jī)、液位計(jì)等，對(duì)床頭箱內(nèi)部的齒輪和軸承進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，機(jī)床其他部位的潤(rùn)滑則靠自動(dòng)間歇式潤(rùn)滑泵進(jìn)行潤(rùn)滑。

4 機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)

經(jīng)過(guò)廣泛深入的市場(chǎng)調(diào)研，細(xì)致研究各用戶單位提出的設(shè)備使用要求，深入分析了用戶典型工件的加工工藝，制定了機(jī)床的各項(xiàng)主要技術(shù)參數(shù)，如表1 所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著軍工、工程機(jī)械、大型重載機(jī)床工具、試驗(yàn)機(jī)械等行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)精密、大型、長(zhǎng)規(guī)格絲杠的需求也日益增多，因此，我們于2011 年初開發(fā)了高速、高效、高精度的數(shù)控絲杠車床，該機(jī)床的各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到或接近國(guó)外先進(jìn)水平，但該設(shè)備的產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)較低，因此具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和廣闊的市場(chǎng)前景。現(xiàn)在，該設(shè)備已在濟(jì)南時(shí)代試金集團(tuán)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)了1.5年，我們將進(jìn)一步完善該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能，以此為機(jī)型，陸續(xù)系列化、模塊化該產(chǎn)品，真正實(shí)現(xiàn)了用中國(guó)裝備來(lái)裝備中國(guó)。該機(jī)床的成功研制將取代進(jìn)口機(jī)床，給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖4 機(jī)床截面圖

表1 CSK2280 數(shù)控絲杠車床參數(shù)表

［1］ 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

［2］ 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.