CK6163數(shù)控車床主軸特性分析及設計改進*

趙成剛 郭章信

(①安陽工學院，河南安陽455000；①安陽鑫盛機床股份有限公司，河南安陽 455000)

用戶在使用CK6163數(shù)控車床中發(fā)現(xiàn)，其主軸輸出轉矩、功率特性尚有所不足，與同規(guī)格普通車床CW6163B及經(jīng)濟型數(shù)控車床CKA6163相比較，其主軸加工時在某些轉速下主軸輸出轉矩不高，車削力量不大，影響了加工效率。本文對其進行理論分析，試圖對其特性改進作一些有益的探索實踐。

1 三種車床主軸轉速特性表

CK6163普及型數(shù)控車床標準配置主電動機為變頻電動機YVP160M-4-B3，CKA6163經(jīng)濟型數(shù)控車床、CW6163B普通車床標準配置主電動機為普通三相異步電動機Y160M-4-B3。本類車床加工直徑參數(shù)相同，配置的主軸電動機功率同為11 kW，額定轉速同為1460 r/min。三者的主軸轉速特性見表1，2，3。

2 主軸轉速特性分析

從表1，2，3車床的主軸轉速表中可以看到，對于CKA6163及CW6163B兩種車床，主軸轉速在32 r/min及以下時主軸輸出轉矩是恒定的，分別為2495 N·m和2626.25 N·m。因兩者結構及傳動效率略有不同，低速時最大轉矩略有差異，可視為基本相同。同時，主軸轉速在32 r/min以上時，兩者主軸輸出轉矩隨轉速上升而下降，但相同轉速時基本相同，此時主軸輸出的功率近似是恒定的。

對于CK6163車床，在每一檔變速段內(nèi)，主軸輸出的轉矩都是恒定的，輸出的功率卻是線性變化的。在低速段時，CK6163車床主軸輸出轉矩明顯比CKA6163及CW6163B車床要低，因此切削加工性能不如后兩者。另外仔細觀察不同主軸轉速下輸出矩扭的大小，可以發(fā)現(xiàn)在車床整個調(diào)速范圍內(nèi)，只有在1000、400、160、64 r/min 四個轉速時，三種車床主軸輸出轉矩近似相等，而在其它轉速時，CK6163數(shù)控車床主軸輸出轉矩都不如其它兩種車床輸出轉矩高。通常，在加工工件時，轉速高時，切削力矩會小些，轉速低時，切削力矩會大些。CK6163數(shù)控車床在同一檔內(nèi)主軸各個轉速下輸出轉矩的恒定，使得在同一檔內(nèi)低速下轉矩顯得極不夠用，就有可能造成悶車現(xiàn)象。

表1 CK6163車床主軸轉速特性表

表2 CW6163B車床主軸轉速特性表

表3 CKA6163車床主軸轉速特性表

如圖1所示，T為轉速-轉矩曲線，P為轉速-功率曲線。一般來說，車床主軸從最低轉速nmin到計算轉速nj之間應傳遞最大轉矩，屬恒轉矩范圍。從計算轉速nj到最高轉速 nmax之間，主軸應傳遞動力源的全部功率，屬恒功率范圍。通常恒功率范圍約占主運動總變速范圍的2/3～3/4。對于CK6163數(shù)控車床來說，之所以出現(xiàn)其主軸轉速特性不足，原因在于設計時對主軸電動機特性的不合理應用，導致主軸轉速特性曲線不太合理。如圖2所示為CK6163數(shù)控車床主軸轉速特性圖，其中，四段水平粗實線從左至右，依次為 M41、M42、M43、M44四檔變速段下的轉速～轉矩曲線，因其平行于轉速軸線，故在每一檔速度段內(nèi)轉矩恒定。四段粗斜線從左至右，依次為M41、M42、M43、M44四檔變速段下的轉速-功率曲線。因其為正斜線，故在每一檔速度段內(nèi)，功率與轉速成正比關系。由圖可見，CK6163顯然是只應用了主軸電動機的恒轉矩段，沒有應用其恒功率段，其主軸轉速特性曲線也就沒有恒功率段。

3 主軸轉速特性改進設計

CK6163數(shù)控車床主軸調(diào)速采用的方式是利用變頻電動機分四檔檔內(nèi)無級調(diào)速，其合理的主軸轉速特性應與CW6163B及CKA6163數(shù)控車床基本一致。這樣，主軸轉速范圍中應存在1/3或1/4低速段內(nèi)主軸輸出轉矩恒定，其余轉速段內(nèi)主軸輸出功率恒定或近似恒定。因此，為改善主軸輸出特性，應合理分配主軸恒轉矩輸出與恒功率輸出的范圍，應盡可能選取電動機的恒功率工作段作為對應的主軸恒功率輸出變速工作范圍，只在最后一段的低速檔可適當保留一段恒轉矩輸出變速段。有時由于電動機可用的調(diào)速范圍不夠?qū)?，也可適當采用一小段恒轉矩變速段以增加調(diào)速范圍，但應保證對主軸輸出特性影響不大。如果采用電動機恒轉矩調(diào)速段太大，則應加大電動機功率以對其應達到的設計性能進行補償。

由于機械部分變速公比ΨF已確定，ΨF=1000/400=2.5，因此應取變頻電動機工作變速范圍至少為2.5。為避免高速出現(xiàn)噪聲以及符合原機床設計主軸變速范圍，最高轉速盡可能與原電動機所取最高轉速一致，即1500 r/min。原配置變頻電動機為YVP160M-4-B3，額定轉速為1500 r/min，所應用的電動機最高轉速為1500 r/min，沒有應用恒功率調(diào)速段。考慮到高速時易出現(xiàn)噪聲問題也不宜應用1500 r/min以上的恒功率調(diào)速段。因此，應重新選用額定轉速較低的電動機作為主軸電動機。如選用以下電動機：YVP160L-6-B3，額定轉速為1000 r/min，最高轉速為4000 r/min；YVP180L-8-B3，額定轉速為750 r/min，最高轉速為 3000 r/min；FANUC α22/6000iP 主軸伺服電動機，額定轉速為750 r/min，最高轉速為6000 r/min等。這里，以選用α22/6000iP主軸伺服電動機為例進行分析。電動機額定功率為11 kW，在變速時選用其工作范圍為：600～1500 r/min。

表4 CK6163采用主軸伺服電動機α22/6000iP時主軸特性表

表4為改裝后CK6163采用α22/6000iP主軸伺服電動機時主軸特性表。

圖3為改裝后CK6163采用α22/6000iP主軸伺服電動機時主軸特性圖。圖中從左至右，依次為M41、M42、M43、M44四檔變速段，轉速 ～轉矩曲線 T41、T42、T43、T44 和轉速 -功率曲線 P41、P42、P43、P44。

從圖3中可以看到，雖然采用主軸伺服電動機后，主軸特性曲線仍不是最理想曲線，但較原配置車床主軸特性，其各檔內(nèi)低速轉矩明顯提升，基本上接近CKA6163數(shù)控車床。如果對皮帶傳動進行更大一些的減速設計，選擇電動機工作的調(diào)速范圍時還可以向更高速度段上靠近，可以得到更為理想的主軸特性曲線。值得注意的是，在對主軸電動機進行重新選配時，其額定轉速降低，但其額定轉矩提高，輸入主軸箱的轉矩也增大，故應對主軸箱傳動部件進行校核。另外，還應注意安裝電動機的空間位置是否能夠安裝下新的電動機。經(jīng)計算，只需對主軸箱Ⅲ軸略微加粗即可滿足要求，電動機安裝空間也足夠容下所選伺服電動機。

表5 CK6163數(shù)控車床設計改進前后最大轉矩切削試驗數(shù)據(jù)

在經(jīng)過上述改進后，對CK6163數(shù)控車床進行最大轉矩切削試驗。試驗數(shù)據(jù)見表5。

從表5可以看出，顯然經(jīng)過改進后，轉矩為改進前的1.7倍，主軸特性得到了很大改善，從而驗證了以上的改進與分析結論是完全正確的。

以上所探討的是不改變原傳動結構的情況下對CK6163數(shù)控車床進行的改進設計方案。增大主軸電動機功率雖可提高主軸輸出轉矩但浪費能源并不可取。重新設計主軸箱也可以對主軸輸出特性進行更好的改善，這里不再贅述。

4 結語

數(shù)控車床主軸特性是機床的主要性能指標之一，是機床的內(nèi)在品質(zhì)。主軸特性不理想，不是簡單增大電動機功率那么簡單的事，正確選擇主軸電動機是保證主軸特性的重要環(huán)節(jié)。合理分配主軸恒轉矩輸出與恒功率輸出的范圍，應盡可能選取電動機的恒功率工作段作為對應的主軸恒功率輸出變速工作范圍，只在最后一段的低速檔可適當保留一段恒轉矩輸出變速段，是較好的選擇方案。

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