CKS7815型雙主軸數(shù)控車床的設(shè)計(jì)制造

馬維新 王 麗

（寧夏新瑞長(zhǎng)城機(jī)床有限公司，寧夏銀川 750021）

CKS7815型雙主軸數(shù)控車床的設(shè)計(jì)制造

馬維新 王 麗

（寧夏新瑞長(zhǎng)城機(jī)床有限公司，寧夏銀川 750021）

介紹在設(shè)計(jì)雙主軸數(shù)控車床過(guò)程中應(yīng)注意且必須解決的一些關(guān)鍵技術(shù)。

雙主軸數(shù)控車床 電主軸 雙面刀盤(pán)

多軸化、復(fù)合化、高速化已成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外數(shù)控車床發(fā)展的重要趨勢(shì)。它不僅能夠擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍，提高機(jī)床的使用效率，還能滿足一機(jī)多用，一機(jī)多能的工藝加工要求。雙主軸數(shù)控車床就是其中最具代表性的產(chǎn)品之一。國(guó)外知名機(jī)床企業(yè)在雙主軸數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)制造上技術(shù)已成熟，其產(chǎn)品在我國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有很大的份額。近年來(lái)，我國(guó)加大了雙主軸數(shù)控車床的研發(fā)力度，寧夏新瑞長(zhǎng)城機(jī)床有限公司為上海汽車齒輪總廠設(shè)計(jì)制造的CKS7815型雙主軸數(shù)控車床是一個(gè)很成功的范例。

1 機(jī)床總體布局

本機(jī)床為機(jī)、電、液一體化設(shè)計(jì)。機(jī)床采用了臥式60°傾斜床身導(dǎo)軌形式，具有結(jié)構(gòu)緊湊、布局先進(jìn)合理、排屑性能好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。而且便于配置工業(yè)機(jī)器人，為全自動(dòng)和無(wú)人化生產(chǎn)提供了方便。機(jī)床內(nèi)外防護(hù)采用了全封閉框架式結(jié)構(gòu)，很好地解決了三防問(wèn)題（防冷卻液、油及鐵屑），同時(shí)也給機(jī)床的維修提供了較大的空間及靈活性。主機(jī)部分主要由床身、左主軸箱、右主軸箱、床鞍、縱向進(jìn)給系統(tǒng)、刀盤(pán)、馬達(dá)及卡盤(pán)油缸裝置等部分組成，機(jī)床整體布局見(jiàn)圖1。

2 機(jī)床性能特點(diǎn)

本機(jī)床為臥式雙主軸數(shù)控車床，采用三軸控制。左主軸完成加工后，右主軸可自動(dòng)完成對(duì)已加工部位的夾持，滿足機(jī)床對(duì)零件未加工部位的車削加工，從而實(shí)現(xiàn)零件的完全車削加工。適用于汽車、化工、機(jī)電、航天航空等行業(yè)零件的加工。機(jī)床可對(duì)盤(pán)類工件和軸類工件進(jìn)行各種曲面、端面及螺紋的車削加工。實(shí)現(xiàn)了工件一次裝夾多工序加工，即實(shí)現(xiàn)一機(jī)功能集成化，使機(jī)床成為真正意義上的高速高效的數(shù)控機(jī)床。

本機(jī)床選用德國(guó)SIEMENS810D數(shù)控系統(tǒng)，左主軸由11/15 kW的1PH7型交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶將動(dòng)力傳遞到主軸上。右主軸由10.1/13 kW的1PH2型內(nèi)置式交流電主軸直接驅(qū)動(dòng)主軸。右主軸通過(guò)絲杠螺母副在縱向作可編程運(yùn)動(dòng)，從而可實(shí)現(xiàn)更多可能的加工方案。X、Z1、Z2軸進(jìn)給系統(tǒng)采用先進(jìn)的1FK型交流伺服電動(dòng)機(jī)控制。機(jī)床縱橫向?qū)к壘捎萌毡綯HK生產(chǎn)的2級(jí)精度的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌。刀盤(pán)裝置由意大利DUPLOMATIC公司的SM型動(dòng)力刀塔加自行設(shè)計(jì)的12位雙面刀盤(pán)組成，以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)類工件的完全加工。使機(jī)床具備動(dòng)態(tài)性能好、無(wú)爬行、定位精度高以及性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

3 機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)

本機(jī)床各功能部件布局緊湊合理，外觀造型宜人，功能齊全，排屑方便，三防效果好。機(jī)床操縱臺(tái)采用旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，操作簡(jiǎn)單、安全。機(jī)床在設(shè)計(jì)制造中攻克了以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

（1）主軸。當(dāng)機(jī)床需要配置電主軸時(shí)，一般有兩種途徑：一是直接購(gòu)買(mǎi)成品的電主軸單元。這種方式不但成本較高，而且還可能因規(guī)格有限，外形和安裝尺寸難以滿足機(jī)床要求，而對(duì)機(jī)床的整體布局和性能產(chǎn)生不利影響。二是由數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商提供電主軸關(guān)鍵零件，如轉(zhuǎn)子、定子及冷卻套。其它零件由機(jī)床廠自行設(shè)計(jì)、制造。這樣不僅大幅度降低了成本，同時(shí)還能滿足機(jī)床的整體布局。本機(jī)床電主軸（右主軸箱）就是自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。采用德國(guó)西門(mén)子1PH2型定子、轉(zhuǎn)子和冷卻套，將其與主軸箱、主軸等零件組裝在一起，通過(guò)轉(zhuǎn)子與主軸的過(guò)盈配合，使動(dòng)力直接作用在主軸上。在設(shè)計(jì)和制造中需解決兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，即電主軸的發(fā)熱問(wèn)題和電主軸的動(dòng)平衡問(wèn)題。

電主軸最突出的問(wèn)題之一是內(nèi)藏式高速主電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱。由于主軸軸承離主電動(dòng)機(jī)較近，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱會(huì)直接降低軸承的工作精度，如果主電動(dòng)機(jī)的散熱問(wèn)題解決不好，將直接影響機(jī)床工作的可靠性。圖3所示為我公司為解決這一難題所設(shè)計(jì)的高速電主軸的外循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。在主電動(dòng)機(jī)定子的外面設(shè)計(jì)了帶螺旋槽的冷卻套（圖2），機(jī)床工作時(shí)，冷卻水在該螺旋槽中連續(xù)流動(dòng)，將主電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的熱量及時(shí)、迅速地帶走。冷卻水的流量可按主電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱量進(jìn)行計(jì)算，本機(jī)床選用制冷量為3 kW的制冷機(jī)。主軸軸承的發(fā)熱也是電主軸發(fā)熱的另一個(gè)主要熱源。由于本機(jī)床電主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)速度最高設(shè)為3 500 r/min，主軸軸承發(fā)熱不突出，經(jīng)設(shè)計(jì)校核沒(méi)必要采取油霧潤(rùn)滑的冷卻措施，采用脂潤(rùn)滑方式即能滿足使用要求。

電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)部分微小的不平衡量，都會(huì)引起較大的離心力，造成機(jī)床的振動(dòng)，影響加工精度和表面質(zhì)量。因此必須對(duì)電主軸進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)平衡。主軸及主軸上的零件都要經(jīng)過(guò)十分精密的加工、裝配和調(diào)校，使主軸組件動(dòng)平衡精度達(dá)到0.4級(jí)以上的水平。在設(shè)計(jì)電主軸時(shí)，一是必須嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)對(duì)稱性原則，鍵連接和螺紋聯(lián)接在電主軸上被禁止使用。如圖2所示，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與機(jī)床主軸之間用過(guò)盈配合來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞。過(guò)盈量應(yīng)按所傳遞的轉(zhuǎn)矩來(lái)計(jì)算，其值有時(shí)高達(dá)0.08～0.10 mm。另一個(gè)保證主軸動(dòng)平衡的措施是在主軸上設(shè)計(jì)一個(gè)平衡環(huán)，如圖2所示。在平衡環(huán)上對(duì)稱地加工出16～24個(gè)直徑略有不同的螺紋孔（M4或M6）。當(dāng)電主軸組裝完畢后，根據(jù)動(dòng)平衡機(jī)的測(cè)試結(jié)果，在一定的方位上，旋入相應(yīng)的平衡螺絲并調(diào)節(jié)其旋入深度，直到完全達(dá)到動(dòng)平衡精度后，用環(huán)氧樹(shù)脂將這些平衡螺絲固化。

（2）左右主軸同軸度。為實(shí)現(xiàn)盤(pán)、套類工件的完全加工，本機(jī)床的左右主軸同軸對(duì)置，并且右主軸可在軸向移動(dòng)中進(jìn)行工件的交換。由于工件的交換是在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下進(jìn)行，這就對(duì)左右主軸的同軸度及轉(zhuǎn)速的同步提出了很高的要求，同軸度允差≤0.01 mm（半徑值）。為解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)，在右主軸箱體的A、B面上增加鑲條結(jié)構(gòu)，裝配過(guò)程以左主軸為基準(zhǔn)，分別通過(guò)調(diào)整右主軸上的鑲條1、鑲條2來(lái)調(diào)整A、B面，從而達(dá)到左右主軸的同軸要求，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。轉(zhuǎn)速要100%同步。為解決轉(zhuǎn)速同步問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)分別在左右主軸上安裝了分辨率為1 024線的增量式編碼器，用于速度反饋。同時(shí)還開(kāi)發(fā)了同步主軸功能，設(shè)計(jì)了同步控制程序，具體程序如下：

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，機(jī)床轉(zhuǎn)速在2 300 r/min以下可完全實(shí)現(xiàn)同步。

（3）12位雙面刀盤(pán)裝置。由于該機(jī)床采用了雙主軸同軸對(duì)置和單刀架布局，因此設(shè)計(jì)刀盤(pán)時(shí)，必須使該裝置既能加工左主軸上的工件，亦能加工右主軸上的工件。解決方案有兩種：一是直接購(gòu)買(mǎi)徑向VDI刀盤(pán);另一種是自行設(shè)計(jì)雙面刀盤(pán)。由于直接購(gòu)買(mǎi)的VDI產(chǎn)品刀盤(pán)費(fèi)用較貴，同時(shí)其標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的徑向尺寸很難完全符合設(shè)計(jì)要求，所以決定自行設(shè)計(jì)雙面刀盤(pán)裝置。設(shè)計(jì)時(shí)有以下幾點(diǎn)需注意：①如圖5所示，刀塔必須選用“伸脖式”刀塔，同時(shí)還需注意“X”尺寸，以滿足用于加工右主軸上的工件時(shí)，刀盤(pán)在回轉(zhuǎn)時(shí)刀具不與其干涉;②雙面刀盤(pán)上的刀槽應(yīng)對(duì)稱錯(cuò)位設(shè)計(jì)，雙面刀槽應(yīng)一次裝夾同時(shí)加工出來(lái)，刀槽對(duì)刀盤(pán)中心孔的對(duì)稱度允差≤0.02 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

該產(chǎn)品經(jīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)考驗(yàn)證明，性能可靠穩(wěn)定，完全滿足用戶要求，得到用戶好評(píng)。本機(jī)床減少了零件周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，加工一個(gè)成品零件的效率約為單軸數(shù)控車床的1.5倍，而機(jī)床的占地面積還不到兩臺(tái)單軸數(shù)控車床的1/2，經(jīng)濟(jì)效益顯著。目前用戶又追加訂購(gòu)了3臺(tái)。該機(jī)床的成功開(kāi)發(fā)，不僅為國(guó)內(nèi)重點(diǎn)用戶行業(yè)提供了新型高效加工設(shè)備，也提升了我公司產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

（編輯 呂伯誠(chéng)）

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Design and Manufacture of Double Spindle CNC Lathe CKS7815

MA Weixin，WANG Li
（Ningxia Xinrui Great Wall Machine Tool Co.，Ltd.，Yinchuan 750021，CHN）

2009－09－02）

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