CAK0830數(shù)控排刀車床設(shè)計

侯玉新

（上海優(yōu)尼斯工業(yè)設(shè)備銷售有限公司沈陽分公司 沈陽）

摘要： 收集分析了國內(nèi)外數(shù)控車床的發(fā)展現(xiàn)狀，分析整理了各類車床的結(jié)構(gòu)、配置等參數(shù)，最終確定了采用平床身、斜床鞍、排刀刀架的基本結(jié)構(gòu)，并確定了機(jī)床設(shè)計參數(shù)。完成了CAK0830機(jī)床的整體三維模型設(shè)計，結(jié)合機(jī)床設(shè)計理論知識，對機(jī)床的主軸扭矩、伺服系統(tǒng)等進(jìn)行分析計算確定了機(jī)床傳動結(jié)構(gòu)，使用有限元分析工具優(yōu)化部件模型，并最終確定各部件結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控排刀車床；車床結(jié)構(gòu)；滑塊固定；產(chǎn)品化；有限元分析

1 前言

目前數(shù)控車床在國內(nèi)已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用，具有結(jié)構(gòu)簡潔、性能穩(wěn)定可靠、性價比高等優(yōu)點，已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)的普通車床，成為國內(nèi)機(jī)械加工業(yè)車床工具的主力設(shè)備。作為通用類設(shè)備，目前數(shù)控車床在結(jié)構(gòu)設(shè)計上大而全，但用戶在實際使用時往往僅用到其某幾項加工能力，造成機(jī)床在加工能力、占地面積、耗能上的浪費，針對短軸類工件需要有針對性的機(jī)床。本文對CAK0830數(shù)控排刀車床進(jìn)行了設(shè)計研究，從機(jī)床結(jié)構(gòu)、機(jī)床性能、機(jī)床配置等方面入手，為平床身、斜床鞍機(jī)床配置排刀刀架，特別是為X軸采用的滑塊固定、導(dǎo)軌移動結(jié)構(gòu)應(yīng)用積累了許多經(jīng)驗，并批量制造機(jī)床投入生產(chǎn)，實際使用效果良好。

2 數(shù)控排刀車床總體方案設(shè)計

2.1 數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)特點

數(shù)控車床總體是在原普通類機(jī)床基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計而來，相比普通設(shè)備，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)簡化了變速機(jī)構(gòu)，并使用兩軸伺服電機(jī)替代了普車使用的動力傳遞系統(tǒng)，使進(jìn)給機(jī)構(gòu)變得簡潔。機(jī)床配套零件總數(shù)減少40%以上，相比于普通車床更適合大批量生產(chǎn)制造。兩軸數(shù)控車床按其加工精度、結(jié)構(gòu)類型、導(dǎo)軌形式又可以分為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床和普及型數(shù)控車床。

2.1.1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床結(jié)構(gòu)與模塊

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床是在普通車床基礎(chǔ)上升級改造而來的，加工精度等級IT7級，它主體以普通車床為基礎(chǔ)，去除不必要的變速齒輪及控制機(jī)構(gòu)，使用變頻電機(jī)或主伺服電機(jī)實現(xiàn)工件的無極變速，從而制造出經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。此類車床Z軸采用整體鑄件磨削加工的山形導(dǎo)軌，X軸采用鑄件磨削加工的燕尾型導(dǎo)軌，配合P4級滾珠絲杠實現(xiàn)進(jìn)給部件的控制，搭載經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)IT7級精度工件的批量、自動化加工[1]。

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床模塊主要分為床身、床頭箱、尾座、刀架、床鞍、卡盤、中心架、防護(hù)、操作系統(tǒng)、包裝等幾大類。

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床因其精度穩(wěn)定、適應(yīng)范圍廣、成本低等特點深受用戶喜愛，在我國的現(xiàn)有數(shù)控車床中占比仍然很高。但隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，山形導(dǎo)軌的加工、維修因其需要專用設(shè)備已經(jīng)成為制造難點，鑄件導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)大也導(dǎo)致了機(jī)床控制精度無法提高，無法保證高精度工件加工質(zhì)量[2]。滾動導(dǎo)軌的發(fā)展和成本的下降，將逐步促進(jìn)鑄件導(dǎo)軌的更新?lián)Q代。

2.1.2 普及型數(shù)控車床結(jié)構(gòu)與模塊

普及型數(shù)控車床加工精度等級為IT6級，較經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床高一個等級，是精密型加工設(shè)備，為保證加工精度，其結(jié)構(gòu)設(shè)計有別于經(jīng)濟(jì)型機(jī)床 其采用了兩軸線軌傳動，高精密滾珠絲杠拖動進(jìn)給部件運(yùn)動，運(yùn)動時是滾動摩擦，極大地降低了運(yùn)動部件間的摩擦系數(shù)，從而提高了運(yùn)動部件的定位精度和重復(fù)定位精度，進(jìn)而提高了整機(jī)的加工精度。如圖2.2所示，普及型數(shù)控車床模塊主要分為床身、床頭箱、尾座、刀架、床鞍、卡盤、防護(hù)、操作系統(tǒng)、包裝等幾大類[3]。

2.2 排刀型數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)特點

工件的分類有大有小，有長有短，針對一些短軸類工件，如通訊領(lǐng)域的各類接線端子、電子領(lǐng)域的各類小軸、醫(yī)療領(lǐng)域的各類仿形器件都需要高轉(zhuǎn)速、高效率、自動化加工，排刀機(jī)床就是針對這類工件專業(yè)設(shè)計的一類數(shù)控車床，配置專用的排刀，優(yōu)化刀具配置，實現(xiàn)一次裝卡，全序加工，提高了機(jī)床利用率，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要充分考慮機(jī)床占地、能耗、環(huán)保等要求，綜合的提高機(jī)床性能。

2.2.1 數(shù)控排刀機(jī)床的結(jié)構(gòu)對比分析

本課題研究的數(shù)控排刀車床是在普及型數(shù)控車床基礎(chǔ)上，取消刀架結(jié)構(gòu)，采用排刀滑板，使用刀夾將多把刀具同時安裝在滑板上，靠滑板的X軸快速移動實現(xiàn)換刀等功能。

通過結(jié)構(gòu)對比可以發(fā)現(xiàn)，為降低批量制造難度可以采用平床身斜床鞍配兩軸滾動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)；為提高機(jī)床加工效率可以采用主伺服電機(jī)、排刀結(jié)構(gòu)；為減小機(jī)床占地面和自重可以取消不必要的尾座模塊，整機(jī)在保證機(jī)床剛性前提下，盡量縮小體積，減少重量，圖2.3示機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊，較標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床更易于批量生產(chǎn)，加工效率預(yù)期提高25%，體積縮小30%，重量減少30%。

2.2.2 數(shù)控排刀機(jī)床的性能對比分析

排刀車床在加工上，具有其獨特性質(zhì)，在縮短輔助時間，提高加工穩(wěn)定性上，都有突出表現(xiàn)[4]。

工件的加工效率體現(xiàn)在實際切削時間和輔助時間上，在加工參數(shù)一致情況下，我們需要盡量的縮短換刀、工件調(diào)整、測量等輔助時間，從而最大化的提高生產(chǎn)效率，相比配置刀架的車床，排刀車床在性能參數(shù)上有如下改進(jìn)：

小結(jié)：通過數(shù)控車床結(jié)構(gòu)及性能對比分析，數(shù)控排刀車床在主軸轉(zhuǎn)速、快移速度、換刀時間上優(yōu)于其他機(jī)床，并且自重合理、占地面積更小，適合批量使用。

2.3 CAK0830數(shù)控排刀車床方案設(shè)計

機(jī)床方案是機(jī)床設(shè)計的總體依據(jù)，目前普遍采用三維設(shè)計軟件繪制整機(jī)模型，將機(jī)床部件按模塊化分類，有利于設(shè)計改動和管理。新款機(jī)床設(shè)計首先要確定機(jī)床的主要參數(shù)如：主軸頭形式、主軸通孔直徑、主軸最高轉(zhuǎn)速、主軸最大扭矩、X/Z軸行程、床身最大回轉(zhuǎn)直徑、滑板最大回轉(zhuǎn)直徑等。

一般針對某幾個行業(yè)進(jìn)行分析可以總結(jié)出其加工零件的總體類別，加工范圍，精度需求，效率需求等基本信息，結(jié)合我們常用的按加工直徑大小分類，可以初步的確定機(jī)床針對性的參數(shù)。

2.3.1 數(shù)控排刀車床方案設(shè)計

數(shù)控排刀車床在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計上初選了三個方案：平床身滑動導(dǎo)軌方案1、平床身斜床鞍線軌方案2及平床身斜床鞍線軌固定滑塊移動方案3，其結(jié)構(gòu)簡圖如下：endprint

方案1：采用平床身、平床鞍結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌采用Z軸山形滑動導(dǎo)軌、X軸滾動線軌

方案2：采用平床身斜床鞍結(jié)構(gòu)，兩軸均采用滾動線軌，X軸導(dǎo)軌固定、滑塊移動

方案3：采用平床身斜床鞍結(jié)構(gòu)，兩軸均采用滾動線軌，X軸導(dǎo)軌移動、滑塊固定

2.3.2 數(shù)控排刀車床方案對比分析

數(shù)控車床的設(shè)計在滿足用戶高速、高效車削前提下，也要充分考慮實際使用時，能耗、占地、制造經(jīng)濟(jì)性、維修便捷性等因素。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，方案3在加工精度、制造經(jīng)濟(jì)性、占地面積、自重及市場認(rèn)可度等方面均具有優(yōu)勢，數(shù)控排刀車床方案最終確定為方案3。

2.4 本章小結(jié)

本章從精度、結(jié)構(gòu)、配置等方面對現(xiàn)有的機(jī)床進(jìn)行了對比分析，設(shè)計了多個車床方案，結(jié)合多種因素確定了采用平床身、斜床鞍結(jié)構(gòu)作為最終方案，確定機(jī)床加工精度等級IT6級，主軸最高轉(zhuǎn)速5000r/min，配置排刀刀架。

3 數(shù)控排刀車床的部件設(shè)計及有限元分析

機(jī)床部件設(shè)計是整個工作中重要的部分，而將整機(jī)劃分為不同模塊可以有效的提高設(shè)計效率和準(zhǔn)確性。有限元分析可以尋找各個環(huán)節(jié)中的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行針對性的改進(jìn)，提高整個模型的性能。

3.1 數(shù)控排刀車床的床身設(shè)計

3.1.1 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計

床身是機(jī)床的基礎(chǔ)支撐部件，對機(jī)床剛性、自重、防護(hù)性、占地面積等具有重要影響。此系列機(jī)床采用平床身斜床鞍結(jié)構(gòu)，床身導(dǎo)軌為水平布置形式，優(yōu)化內(nèi)腔及筋形結(jié)構(gòu)減輕自重、減少占地面積。

3.1.2 床身結(jié)構(gòu)的有限元分析

在進(jìn)行有限元分析時，通過不同位移和應(yīng)力結(jié)果，我們可以調(diào)整零件結(jié)構(gòu)及筋形布局，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計使部件性能達(dá)到最佳結(jié)果[5]。床身約束為地腳支撐固定約束，載荷分為重力載荷和加工切削時的切削載荷，在設(shè)定的約束和載荷下，床身變形及應(yīng)力情況如圖3.1所示：

通過模型分析可以發(fā)現(xiàn)，床身部件的最大變形在床身中間部位，最大變形量為0.008445mm，符合床身中間部分剛性較弱的原理，是床身部件的較弱環(huán)節(jié)，通過調(diào)整鑄件壁厚及增加加強(qiáng)筋，控制此處的變形量最小。應(yīng)力最大位置為地腳固定位置，此處合理加強(qiáng)薄厚，提高安全系數(shù)。

3.2 數(shù)控排刀車床的主軸設(shè)計

車床主軸是車床最主要的部件，其回轉(zhuǎn)精度、剛性直接決定整機(jī)的加工精度、剛性。本機(jī)床設(shè)計希望能提高最高轉(zhuǎn)速、提高加工效率，在主軸設(shè)計上就需要選擇適合高轉(zhuǎn)速的軸承配置形式，結(jié)合同類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，選用了前3后2的角接觸球軸承配置形式，保證主軸最高轉(zhuǎn)速5000r/min并通過合適的預(yù)緊力保持足夠的主軸剛性[6]。

3.2.1 主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

為降低機(jī)床制造難度，降低裝配難度，機(jī)床采用整體套筒式主軸單元結(jié)構(gòu)，裝配時將配套的主軸單元直接安裝到主軸箱孔內(nèi)，主軸預(yù)緊及剛性在套件裝配時保證，極大地降低了制造難度。

主軸部件參數(shù)要求，最高轉(zhuǎn)速6000r/min，溫升小于20攝氏度，主軸動平衡達(dá)G1級[7]。

3.2.2 主軸箱結(jié)構(gòu)的有限元分析

主軸箱體是主軸的支撐部件，其性能對主軸切削精度有決定作用。本機(jī)床采用套筒式主軸單元，極大地降低了主軸箱的制造難度，但其支撐剛性需要詳細(xì)設(shè)計核算。在有限元分析中，主軸箱受力主要來源于重力、切削力及主電機(jī)皮帶的拉力[8]。

圖3.2所示為主軸箱體在承受重力、切削力、皮帶拉力下的應(yīng)力和應(yīng)變情況，在鑄件設(shè)計上要盡量避免鑄件應(yīng)力集中在主軸孔壁上，避免最大變形發(fā)生在主軸孔壁上，要通過調(diào)整床頭箱體壁厚和結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)應(yīng)力分散，并控制變形遠(yuǎn)離主軸軸線，以保證支撐剛度和精度。

根據(jù)位移云圖發(fā)現(xiàn)主軸箱在受力下其最大變形位置在箱體上部的凸臺處，最大變形量0.004555mm，變形位置及數(shù)值符合設(shè)計要求。應(yīng)力集中在螺釘固定位置，符合設(shè)計要求。

3.3 數(shù)控排刀車床的進(jìn)給部件設(shè)計

機(jī)床進(jìn)給部件是控制刀具運(yùn)動的移動部件，對刀具的控制精度和剛性強(qiáng)弱是衡量進(jìn)給部件好壞的主要因素[9]。

3.3.1 X軸結(jié)構(gòu)設(shè)計與布局

X軸排刀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了X軸線軌移動，滑塊固定的功能，在刀具切削過程中，刀尖距滑塊支撐點位置始終沒有變化，有效的防止了刀具震動，提高切削穩(wěn)定性[10]。在后期防護(hù)設(shè)計時，因?qū)к夒[藏在滑板下面，簡化了防護(hù)設(shè)計，機(jī)床防水性能相比刀架防護(hù)也有了很大提高。

在滿足理論計算基礎(chǔ)上，首先確定X軸滑板相對主軸中心的分布結(jié)構(gòu)，排刀機(jī)床刀具可以分布在主軸中心線兩側(cè)，可將預(yù)期的X軸行程相對主軸中心對稱分布，機(jī)床為保證每把排刀在車削時刀具受力點穩(wěn)定，使用了將X軸滑動導(dǎo)軌隨滑板移動，滑塊固定在床鞍上的結(jié)構(gòu)，簡化了X軸滑板的設(shè)計。

根據(jù)主參數(shù)確定X軸行程，進(jìn)而確定X軸絲杠及其支承結(jié)構(gòu)的具體尺寸，如圖3.3，圖3.4所示，為X軸進(jìn)給部件剖視圖。

3.3.2 進(jìn)給部件結(jié)構(gòu)的有限元分析

進(jìn)給部件中涉及兩個主要鑄件，床鞍及滑板，床鞍是進(jìn)給部件的支撐部件，滑板是排刀夾的支撐部件，兩者對刀具的切削剛性有直接影響，在設(shè)計時要充分考慮剛性、自重及自身變形等對刀具的影響，圖3.5為床鞍滑板切削仿真的位移和應(yīng)力云圖。

通過有限元分析，我們可以發(fā)現(xiàn)床鞍位移最大位置發(fā)生在上部絲杠托架支撐臺邊緣，最大位移0.009436mm，應(yīng)力最大位置為底端固定滑塊位置，滑板最大位移發(fā)生在滑板中部靠近主軸端邊緣，最大位移0.001178mm，應(yīng)力最大位置為前滑塊固定孔。床鞍及滑板位移最大位置均為理論設(shè)計位置，其數(shù)值通過優(yōu)化鑄件結(jié)構(gòu)盡量減小，保證良好的剛性和穩(wěn)定性。

3.4 數(shù)控排刀車床的防護(hù)設(shè)計

機(jī)床防護(hù)起到兩方面的作用，一方面保護(hù)機(jī)床的各個部件，特別是移動部件防止刮傷、不正常磨損，這類防護(hù)統(tǒng)稱為內(nèi)防護(hù)，如導(dǎo)軌罩、刮屑板、電纜拖鏈等；另一方面是保護(hù)操作者安全和現(xiàn)場環(huán)境整潔，這類防護(hù)統(tǒng)稱為外防護(hù)，如防護(hù)罩門、前后防護(hù)罩、排屑器等[9]。

防護(hù)主要改進(jìn)為：X軸滑板使用一個整體的防護(hù)罩，避免了多層拉罩易損壞、易干涉等問題；床身鑄件上，直接鑄造出雙層防水沿，確保切削區(qū)冷卻液、切屑等完全導(dǎo)入排屑器；內(nèi)拉罩左端為一個整體件，保證了最大快移速度時安全性；整體外觀美觀，更新穎實用。

3.5 本章小結(jié)

數(shù)控車床的模塊設(shè)計可以有效的提高設(shè)計效率和準(zhǔn)確性。本章就是將數(shù)控車床進(jìn)行了部件分解，并通過理論計算、模型模擬、有限元分析等手段完成部件性能校核工作，逐步的修改和完善整機(jī)模型，最終確保理論模型符合設(shè)計要求。

機(jī)床其他部件如電機(jī)部件、卡套部件、冷卻部件、標(biāo)牌部件等多為外購件，裝配時按要求組裝調(diào)試即可，在此不一一詳細(xì)說明。

4 結(jié)論

本文結(jié)合現(xiàn)有數(shù)控車床結(jié)構(gòu)，面向通訊產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、接插件產(chǎn)業(yè)，針對小軸類工件大批量、多刀具、高效率等要求，設(shè)計了CAK0830數(shù)控排刀機(jī)床。使用有限元分析軟件優(yōu)化整機(jī)動靜態(tài)性能，改進(jìn)各部件結(jié)構(gòu)。機(jī)床為平床身、斜床鞍結(jié)構(gòu)，配置排刀刀架，使用套筒式主軸單元結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、高效率加工。X軸滑板采用滑塊固定，導(dǎo)軌移動的結(jié)構(gòu)，在增大X軸行程下，保證了刀具加工時受力點始終處于滑塊中心，提高機(jī)床穩(wěn)定性。通過此次設(shè)計研究，為平床身、斜床鞍機(jī)床配置排刀刀架，特別是為X軸采用的滑塊固定、導(dǎo)軌移動結(jié)構(gòu)應(yīng)用積累了許多經(jīng)驗，為同類機(jī)床改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)，機(jī)床進(jìn)行了批量生產(chǎn)，產(chǎn)品在客戶實際加工過程中表現(xiàn)良好。

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