試論機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化

朱江

摘要：在數(shù)控技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，結(jié)合數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、控制方式、生產(chǎn)率、加工精度和壽命等方面的要求，對(duì)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)和性能作進(jìn)一步的優(yōu)化。分析了機(jī)床機(jī)械的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化措施進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)床；機(jī)械結(jié)構(gòu)；性能優(yōu)化；加工精度

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095－6835（2014）09－0062－02

數(shù)控機(jī)床與機(jī)床相比，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上并沒有很大的區(qū)別，只是對(duì)刀架、自動(dòng)變速等幾個(gè)部分作出了改變。隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)機(jī)床的工作效率、加工精度和使用壽命等有了更高的要求，這就必須要在原有的基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)機(jī)床進(jìn)行更深層次的研究。

1數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1生產(chǎn)自動(dòng)化

在數(shù)控機(jī)床中，采用了性能更好的伺服傳統(tǒng)系統(tǒng)和無機(jī)變速主軸，在應(yīng)用過程中有效地提升了機(jī)床的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)性。數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行主要是由數(shù)據(jù)系統(tǒng)發(fā)出指令，對(duì)機(jī)床運(yùn)行速度、刀具運(yùn)動(dòng)、主軸轉(zhuǎn)速和其他輔助機(jī)能進(jìn)行優(yōu)化控制。伺服系統(tǒng)在機(jī)床上的應(yīng)用是以主軸的調(diào)速結(jié)構(gòu)來支持主軸的自動(dòng)變速運(yùn)行，基本上取代了普通機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。從數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，因?yàn)橄到y(tǒng)的更換使得部分零件減少，比如電動(dòng)機(jī)與主軸與滾珠絲杠等之間進(jìn)行連接，減少了軸承、齒輪等零部件的應(yīng)用，使整個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)更簡單。

1.2高新技術(shù)化

為了更好地提升機(jī)床的運(yùn)行精度和穩(wěn)定性，數(shù)控機(jī)床運(yùn)用了更多的高新技術(shù)，例如通過強(qiáng)化靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)剛度等技術(shù)來提升機(jī)床自動(dòng)化的運(yùn)行水平，并且還可以保障設(shè)備的耐磨性能。越來越多的無間隙傳動(dòng)裝置和元件被應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床中，比如靜壓導(dǎo)軌、滾珠絲杠副等。這些不但可以降低進(jìn)給系統(tǒng)阻力，提升運(yùn)行效率，同時(shí)還可以提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高設(shè)備的生產(chǎn)精度。

1.3無人操作發(fā)展

數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用逐漸實(shí)現(xiàn)了無人化加工。要想達(dá)到此目標(biāo)，功能集成、工藝復(fù)合是基本要求，同時(shí)，它也是數(shù)控機(jī)床的重要特征之一。在進(jìn)行產(chǎn)品加工時(shí)，通過一次性裝料來實(shí)現(xiàn)銑、銼和鉆等多道加工工序，對(duì)產(chǎn)品加工工序進(jìn)行了有效的調(diào)整。而機(jī)床內(nèi)含有的自動(dòng)潤滑裝置、動(dòng)力刀架和自動(dòng)排屑裝置是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的基礎(chǔ)，它們的存在實(shí)現(xiàn)了設(shè)備生產(chǎn)的柔性化和無人化。另外，將車、磨、銑、鉆等工藝融合其中，可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行更深層次的加工，同時(shí)，還可以增強(qiáng)機(jī)床的附加值，將越來越多全新的機(jī)械設(shè)備部件投入到使用中。

2機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

2.1提高機(jī)械設(shè)備靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛度

數(shù)控機(jī)車運(yùn)行主要是以數(shù)據(jù)系統(tǒng)輸入的指令為生產(chǎn)依據(jù)，在機(jī)械加工的過程中，不能對(duì)產(chǎn)品的幾何精度和變形產(chǎn)生的誤差進(jìn)行人為調(diào)整，因此，必須要將機(jī)械結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生的彈性變形控制在最小響度內(nèi)，以保證加工表面的質(zhì)量和精度滿足要求。機(jī)械結(jié)構(gòu)剛度的提升主要可以分為主軸剛度、接觸剛度、動(dòng)態(tài)剛度和機(jī)床大件的剛度，通過提升機(jī)床的剛度使設(shè)備發(fā)揮出更高效的加工能力。對(duì)主軸剛度的提升，可以采用三支撐結(jié)構(gòu)，或選擇剛性比較好的雙列短圓柱滾子軸承和角接觸向心推力軸承，以此來降低主軸徑向和軸向發(fā)生的變形。而對(duì)于動(dòng)態(tài)剛度的提升，最常見的措施就是提高機(jī)械系統(tǒng)的剛度、調(diào)整構(gòu)建自振頻率、增加阻尼等。另外，鋼板的焊接結(jié)構(gòu)不但可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度的提升和結(jié)構(gòu)重量的減輕，同時(shí)，還可以增加構(gòu)件本身的阻尼，這些方法現(xiàn)在多用于機(jī)床鋼板焊接結(jié)構(gòu)中。

2.2降低機(jī)床熱變形

在機(jī)床運(yùn)行過程中，內(nèi)部因產(chǎn)生大量的熱而發(fā)生熱變形，為了提升機(jī)床運(yùn)行效率，必須要將熱源從主機(jī)內(nèi)分離出去。對(duì)機(jī)床熱源的控制可以通過散熱和冷卻的方式來控制溫度的上升，以降低熱源對(duì)設(shè)備運(yùn)行造成的影響。在所有降低熱源的手段中，以冷卻機(jī)床發(fā)熱部位最為有效，通過冷卻使機(jī)床各個(gè)部位的溫度保持一致，減少受溫差影響而形成的翹曲變形。通過改變機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，也可以有效降低熱源，例如盡量減小主軸中心與主軸向地面的距離，減少熱變形的總量，將主軸箱前、后升溫程度控制在同一范圍內(nèi)，避免主軸受熱變形出現(xiàn)傾斜的現(xiàn)象。

3數(shù)控機(jī)床性能優(yōu)化措施

3.1主軸部件優(yōu)化

要對(duì)主軸部件進(jìn)行優(yōu)化，要做到以下三點(diǎn)：①機(jī)械前、后支撐應(yīng)選用不同的軸承，這樣可以有效地提升機(jī)床主軸的綜合剛度，滿足產(chǎn)品強(qiáng)力切削的施工要求。其中，前支撐可以選擇雙列短圓柱滾子軸承與60°角接觸雙列向心推力球軸承的組合；后支撐選擇成對(duì)向心力推力球軸承。②選有單、雙列圓錐滾子軸承，因?yàn)槠渚哂袆偠雀?，承重?qiáng)和安裝、調(diào)試方便等特點(diǎn)，所以，它也成為了優(yōu)化機(jī)床性能的方式之一。但是，這種軸承在一定程度上會(huì)對(duì)主軸的最高轉(zhuǎn)速和精度產(chǎn)生影響，主要適用于中度精度、低速等數(shù)控機(jī)床。如果選擇這種方式對(duì)機(jī)床機(jī)械性能進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)在主軸的機(jī)構(gòu)上處理好卡盤、刀架裝夾、軸承定位、主軸卸荷等問題。③前軸承選擇高精度雙列向心推力球軸承，因?yàn)槠渚哂辛己玫倪\(yùn)行速度，主軸最大轉(zhuǎn)速可以達(dá)到4 000 r/min。但是，這種方式承載力比較小，只適用于高運(yùn)行速度、輕荷載和緊密的數(shù)控機(jī)床。

3.2主傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)變速系統(tǒng)

在主傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)變速系統(tǒng)中，要注意以下三點(diǎn)：①可以選擇大型機(jī)床比較常用的變速齒輪主傳動(dòng)方式。在運(yùn)行過程中，主要是通過少數(shù)的齒輪減速來擴(kuò)大輸出扭矩，以此來滿足主軸對(duì)輸出扭矩特性的要求。將這種傳動(dòng)方式運(yùn)用到小型機(jī)床上，可以獲得強(qiáng)力切屑所需扭矩。②以皮帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)。這種方式適用于小型數(shù)控機(jī)床上，它能夠有效改善設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)。③以調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)。這種方式在原有基礎(chǔ)上對(duì)主軸箱體和主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，有效地提高了主軸部件的剛度。這種主傳運(yùn)動(dòng)方式雖然受主軸輸出扭矩的影響較小，但是，電機(jī)發(fā)熱會(huì)對(duì)機(jī)床的精度造成一定影響。

4結(jié)束語

數(shù)控機(jī)床都是通過向數(shù)據(jù)系統(tǒng)內(nèi)輸入指令來進(jìn)行產(chǎn)品加工的，在加工過程中，不需要操作者參與，這就對(duì)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的精度和性能有了更高的要求。為了保證機(jī)床設(shè)備能夠滿足生產(chǎn)要求，應(yīng)做好對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行優(yōu)化的工作，以保證設(shè)備能夠持續(xù)、穩(wěn)定的工作，滿足持續(xù)、重復(fù)的加工需求。

參考文獻(xiàn)

［1］趙軍華，李小強(qiáng)，曹和平.淺析對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求［J］.黑龍江科技信息，2011（22）.

〔編輯：白潔〕

On the Mechanical Structure and Performance Optimization Tools

Zhu Jiang

Abstract: In the context of CNC technology development, combined with the structural characteristics of CNC machine tools, control, productivity, precision and service life requirements, structure and mechanical properties of the machine for further optimization. Analyses of the structural characteristics of machine tools, and analyze its structure and performance optimization measures.

Key words: machine tools; mechanical structure; performance optimization; machining accuracy