張金軍，王天宇，楊迪

（沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，遼寧沈陽(yáng)110142）

一種數(shù)控車床的開(kāi)發(fā)

張金軍，王天宇，楊迪

（沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，遼寧沈陽(yáng)110142）

本文介紹了一款智能數(shù)控機(jī)床，平床身結(jié)構(gòu)，采用直線導(dǎo)軌，Z軸與尾臺(tái)共軌設(shè)計(jì)，配備C軸、動(dòng)力刀架和立式伺服刀架，采用改進(jìn)的尾臺(tái)設(shè)計(jì)，并介紹了其開(kāi)發(fā)過(guò)程。

智能車床；共用導(dǎo)軌；伺服刀架

在上個(gè)世紀(jì)，普車CA6140可謂是一代經(jīng)典車床，任何機(jī)械廠都有它的身影，是機(jī)械零件主要的修配工具。隨著數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，普車已經(jīng)逐漸淡出市場(chǎng)[1]，數(shù)控車床的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大并不斷發(fā)展以適應(yīng)生產(chǎn)加工的需要[2]。數(shù)控車床種類繁多，本文將介紹一款智能數(shù)控車床，它基于市場(chǎng)和用戶的需求，專為各類機(jī)械企業(yè)修配零件量身打造。

1 機(jī)床定位

本機(jī)床定位為通用數(shù)控車床，適合各類中小零件的車削、銑削、鉆削、內(nèi)外螺紋加工，加工范圍廣、適應(yīng)能力強(qiáng)，既可實(shí)現(xiàn)單一零件批量高效加工，也可實(shí)現(xiàn)各類零件的修配加工，操作簡(jiǎn)單，方便維護(hù)，適應(yīng)各類工廠、車間的加工和修配作業(yè)。

本機(jī)床的定義源于用戶需求，機(jī)械零件加工和裝配企業(yè)都有設(shè)備維修維護(hù)部門(mén)，因此需要一種操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、能夠?qū)崿F(xiàn)多種加工工藝的機(jī)床，機(jī)床應(yīng)具備以下條件：

（1）操作簡(jiǎn)單，易上手，操作工只需簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可使用。

（2）加工范圍廣，可實(shí)現(xiàn)車削、銑削、鉆削、內(nèi)外螺紋加工等多種加工工藝。

（3）精度、穩(wěn)定性和可靠性好[3]，易維護(hù)。

（4）價(jià)格低。

2 機(jī)床結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

（1）本車床由電氣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成，采用平床身機(jī)構(gòu)，如圖1所示。Z軸伺服電機(jī)通過(guò)絲杠驅(qū)動(dòng)床鞍在床身上左右移動(dòng)做Z向運(yùn)動(dòng)，X軸伺服電機(jī)通過(guò)絲杠驅(qū)動(dòng)滑板在床鞍上前后移動(dòng)做X向運(yùn)動(dòng)，立式伺服刀架和動(dòng)力頭通過(guò)螺栓固定在滑板上，主軸箱固定在床身上，主伺服電機(jī)嵌入到床身中，通過(guò)V型皮帶驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，尾臺(tái)與床鞍共用Z軸直線導(dǎo)軌，通過(guò)滑塊與床身連接。

圖1 數(shù)控車床結(jié)構(gòu)圖（去掉外防護(hù)）

（2）如圖2所示，床身采用先進(jìn)的工藝方法進(jìn)行精鑄，大大提高了剛性和穩(wěn)定性，整體尺寸誤差為1 ~3 mm，最大程度保證鑄造與設(shè)計(jì)尺寸一致性；采用極簡(jiǎn)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，便于加工和裝配，床身底部呈漏斗狀，方便排水排屑。床身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，優(yōu)化了主軸箱安裝面、電機(jī)座安裝面、Z軸導(dǎo)軌安裝面等主要加工面，大大降低了加工難度，并更容易保證加工精度。

圖2 床身外觀圖

（3）經(jīng)濟(jì)型平床身數(shù)控車床X、Z軸通常采用滑動(dòng)導(dǎo)軌，易磨損劃傷，修復(fù)困難。本機(jī)床做了重大改進(jìn)，X、Z軸采用進(jìn)口直線導(dǎo)軌，保證整機(jī)定位精度及重復(fù)定位精度，響應(yīng)速度快，易維護(hù)。

（4）本機(jī)床的另一項(xiàng)重大改進(jìn)是床鞍與尾臺(tái)共用Z軸直線導(dǎo)軌，如圖1所示，定制8滑塊雙導(dǎo)軌，從根本上解決了Z軸與尾臺(tái)的平行度問(wèn)題，大大降低了加工成本和裝配難度，提高了機(jī)床的穩(wěn)定性。

（5）尾臺(tái)與床鞍共用線軌帶來(lái)的一個(gè)難題就是尾臺(tái)的鎖緊問(wèn)題，本機(jī)床在尾臺(tái)滑塊之間安裝改進(jìn)的手動(dòng)鉗制器，通過(guò)夾持Z軸導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)尾臺(tái)的鎖緊，鎖緊力達(dá)40 000 N.

圖3 尾臺(tái)

（6）滑板上集成立式四工位伺服刀架、動(dòng)力頭，如圖1所示，可實(shí)現(xiàn)車削、銑削、鉆削、內(nèi)外螺紋加工等多種加工工藝；動(dòng)力頭可快速拆卸，選配排刀板，如圖4所示，針對(duì)小型零件，最多可實(shí)現(xiàn)7把刀加工，適應(yīng)性強(qiáng)。

圖4 刀架布局圖

（7）主軸帶C軸功能，配合動(dòng)力頭實(shí)現(xiàn)法蘭鉆孔、剛性攻絲、鍵槽等多種加工工藝，進(jìn)口主軸單元，可實(shí)現(xiàn)4 000轉(zhuǎn)高速高精加工。

（8）改進(jìn)的尾臺(tái)設(shè)計(jì)[4]，尾臺(tái)整體鑄造，前置手輪，如圖1所示，具有高剛性和穩(wěn)定性，操作更加便捷等優(yōu)點(diǎn)。

（9）采用模塊化設(shè)計(jì)[5]，實(shí)現(xiàn)C軸功能、尾臺(tái)、液壓站、動(dòng)力刀架、排刀板、全防護(hù)和半防護(hù)的選配。

（10）采用智能數(shù)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)智能編程、智能故障診斷，大大降低操作難度，與互聯(lián)網(wǎng)無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、基于云平臺(tái)的互聯(lián)網(wǎng)制造等功能，實(shí)現(xiàn)加工的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

3 主要參數(shù)

本機(jī)床的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)床主要設(shè)計(jì)參數(shù)

4 樣機(jī)測(cè)試

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了多項(xiàng)測(cè)試，由于篇幅所限，在此摘取部分?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)行說(shuō)明。

（1）動(dòng)剛度測(cè)試

采用相對(duì)激振的方法，首先使用力錘對(duì)機(jī)床主軸單個(gè)方向依次進(jìn)行激勵(lì)，同時(shí)使用加速度傳感器在激勵(lì)點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)測(cè)量，測(cè)得頻率響應(yīng)函數(shù)。機(jī)床刀架、尾臺(tái)使用同樣方法測(cè)試。機(jī)床動(dòng)柔度測(cè)試如圖5所示。

圖4機(jī)床動(dòng)柔度測(cè)試

主軸的測(cè)試是使卡盤(pán)夾緊一段工件，在工件遠(yuǎn)離卡盤(pán)端部按機(jī)床X、Y、Z三方向分別激勵(lì)，同時(shí)在激勵(lì)點(diǎn)激勵(lì)方向測(cè)量響應(yīng)。

刀架的測(cè)試是在刀架上無(wú)刀的狀態(tài)下激勵(lì)刀架夾刀塊的三方向；響應(yīng)尾臺(tái)的測(cè)試是在激勵(lì)尾臺(tái)頂尖固定處的三方向，表2為機(jī)床動(dòng)柔度測(cè)試結(jié)果，表中數(shù)據(jù)可以看出三軸各方向的動(dòng)柔度都比較小，也就是說(shuō)動(dòng)剛度都比較大沒(méi)有明顯的薄弱環(huán)節(jié)。

表2 機(jī)床動(dòng)柔度測(cè)試結(jié)果

（2）切削振動(dòng)測(cè)試

本次測(cè)量?jī)膳_(tái)車床主軸、刀架及床身在切削外圓時(shí)的振動(dòng)情況，主要考察機(jī)床振動(dòng)性能。

測(cè)試時(shí)采用主軸轉(zhuǎn)速分別為500 rpm、1 000 rpm、1 200 rpm以及1 500 rpm，同時(shí)切深由1 mm逐步增加到4 mm，進(jìn)給量為0.3 mm/n.

通過(guò)表3測(cè)試數(shù)據(jù)分析，無(wú)論主軸轉(zhuǎn)速如何，當(dāng)切深達(dá)到2.5 mm時(shí)刀架的振動(dòng)數(shù)值急劇上升，而在大切深時(shí)主軸和床身的振動(dòng)數(shù)值卻沒(méi)有明顯增加，這說(shuō)明刀架的剛度是制約車床進(jìn)行大切深工作的瓶頸，與之相比，主軸和床身的剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于刀架。

表3 車床外圓切削振動(dòng)速度

（3）其它測(cè)試

樣機(jī)還進(jìn)行了細(xì)長(zhǎng)軸切削測(cè)試、重切功率測(cè)試、鉆孔功率測(cè)試等多項(xiàng)測(cè)試，由于篇幅所限，在此不一一例舉，通過(guò)以上各項(xiàng)測(cè)試，各項(xiàng)性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明機(jī)床結(jié)構(gòu)合理，床鞍和尾臺(tái)共用導(dǎo)軌、尾臺(tái)使用鉗制器鎖緊穩(wěn)定可靠。刀架是整個(gè)機(jī)床剛性的薄弱環(huán)節(jié)，是后期機(jī)床改進(jìn)的重要環(huán)節(jié)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)用戶的需求，介紹了一種數(shù)控車床的開(kāi)發(fā)，并通過(guò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，有效地控制了成本，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，通過(guò)樣機(jī)的試制和測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的效果，現(xiàn)已開(kāi)始批量生產(chǎn)，已產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]唐銳.普通機(jī)床數(shù)控化改造研究[J].煤礦機(jī)械，2008，29（2）：147-149.

[2]王福印.我國(guó)數(shù)控車床技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與思考[J].西部大開(kāi)發(fā)（中旬刊），2011（2）：37-43.

[3]趙仲琪．關(guān)于高檔數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件可靠性技術(shù)研究的探討[J]．?dāng)?shù)控機(jī)床市場(chǎng)，2009（10）：22-25.

[4]耿華，王亮，張金軍，等.一種直線導(dǎo)軌用車床尾座的設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2016，44（10）：6-8.

[5]崔江紅，裴有珍，陳衛(wèi)星，等.數(shù)控重型臥式車床的模塊化設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)床與液壓，2011，39（18）：9-11.

The Definition and Desin of NC Lathe

ZHANG Jin-jun，WANG Tian-yu，YANG Di
（Shenyang Machine Tool Co.，Ltd.，Shenyang Liaoning 110142，China）

This paper introduces an intelligent CNC machine，flat bed structure，adopts the linear guide rail，Z axis and end rail design，equipped with the C axis，and the vertical power tool servo turret，with improved tail design.And its development process is introduced.

intelligent lathe；share guide；servo turret

TG659TG502

A

1672-545X（2017）06-0152-03

2017-03-25

張金軍（1980-），男，河北張家口人，碩士研究生，工程師，主要從事機(jī)床設(shè)計(jì)工作。