普通車床數(shù)控化改造中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的研究

吳承康，高剛毅

（荊楚理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊門 448000）

作為機(jī)械加工的重要工具，車床能夠用于各種工件加工。在機(jī)械加工技術(shù)取得不斷發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)車床逐漸被數(shù)控車床所替代。面對這一發(fā)展趨勢，各加工企業(yè)陸續(xù)開始進(jìn)行機(jī)械加工工藝更改。為實現(xiàn)原本普通機(jī)床的充分利用，需要對機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造。而在實踐工作中，想要保證改造機(jī)床的數(shù)控加工效果，還要實現(xiàn)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計。因此，需要對普通車床數(shù)控化改造中機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題展開研究，繼而有效推動數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用。

1 普通車床數(shù)控化改造意義

相較于普通車床，數(shù)控車床具有較高的生產(chǎn)效率，能夠迎合機(jī)械加工生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大的發(fā)展趨勢。但數(shù)控車床成本較高，所以需要實現(xiàn)普通車床數(shù)控化改造，以便通過挖掘舊設(shè)備潛在價值提高車床生產(chǎn)效率，為機(jī)械加工生產(chǎn)帶來更多效益。通過對車床機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)控化改造，首先能夠使車床加工精度得到提高，促使車床加工向著精細(xì)化的方向發(fā)展。經(jīng)過改造后，車床控制電機(jī)相對獨立，能夠借助不同電機(jī)實現(xiàn)車床聯(lián)動控制，完成造型復(fù)雜零件生產(chǎn)，促使車床實現(xiàn)大范圍生產(chǎn)。改造后的車床具有自動換刀功能，能夠保持較高的工件加工速率。車床操作也將變得智能化，部分固定操作可以由系統(tǒng)自動完成，人員可以節(jié)省更多精力，甚至能夠同時進(jìn)行多臺車床控制，在提高機(jī)械加工效率的同時，減輕人員勞動強(qiáng)度，因此有助于機(jī)械加工技術(shù)水平的提升。

2 普通車床數(shù)控化改造中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

實際對普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，需要遵循相應(yīng)的流程。作為技術(shù)性較強(qiáng)的工作，車床機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)控化改造需要根據(jù)車床規(guī)格和技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行，在提出車床整體改造方案后實現(xiàn)任務(wù)分解，提出詳細(xì)的實施方案，依次完成各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計。首先，需要對車床加工對象進(jìn)行分析，確定車床采用的加工工藝。通常情況下，普通車床用于加工軸類、盤類等回轉(zhuǎn)類零件，也用于實現(xiàn)螺紋零件的加工，不同零件形狀存在一定差異，需要采用不同加工方法，達(dá)到不同加工技術(shù)要求。在結(jié)構(gòu)改造時，需要結(jié)合工藝生產(chǎn)要求進(jìn)行切削功率和切削力的計算，以便實現(xiàn)車床主軸和進(jìn)給系統(tǒng)的合理設(shè)計。車床數(shù)控化改造需要對部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行拆換，所以需要加強(qiáng)原始數(shù)據(jù)把握，明確各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的連接方式和尺寸參數(shù)。針對車床存在的缺陷，如端面車削平面度超差等問題，需要在數(shù)控化改造中進(jìn)行解決。為保證改造后的車床達(dá)到較高性能要求，需要對車床實際載荷進(jìn)行分析，通過合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計保證車床整體及各部分結(jié)構(gòu)的剛度。明確車床規(guī)格參數(shù)，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計需要的硬件型號和數(shù)量，可以進(jìn)行元器件采購，然后將舊機(jī)床拆除，分別完成新機(jī)構(gòu)的安裝。針對改造得到的新機(jī)床，需要完成整機(jī)調(diào)試，然后進(jìn)行工件試切，確保車床的機(jī)械加工水平能夠達(dá)到設(shè)計要求。

3 普通車床數(shù)控化改造中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐

3.1 車床改造要求

針對普通臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造，車床型號為CA6150，原本采用三角導(dǎo)軌，與溜板件摩擦阻力較大，導(dǎo)致導(dǎo)軌產(chǎn)生過大損耗。車床主傳動運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動均受到主軸電機(jī)控制，無法實現(xiàn)獨立控制操作。此外，車床刀架轉(zhuǎn)位進(jìn)給件需要實現(xiàn)手動控制，導(dǎo)致車床加工效率較低。因此在數(shù)控化改造方面，要求實現(xiàn)車床傳動控制機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計，提高車床直線插補(bǔ)能力、暫停作業(yè)能力等各種能力，使車床各部分結(jié)構(gòu)性能可以達(dá)到日常作業(yè)需求。

3.2 車床改造方案

在完成車床現(xiàn)狀分析后，對車床主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行查閱，可以實現(xiàn)拆換部件的合理選用，得到相應(yīng)車床改造方案。針對車床主傳動系統(tǒng)，需要加裝主軸脈沖編碼器，利用尼龍齒輪實現(xiàn)與主軸的聯(lián)結(jié)，達(dá)到控制伺服電動機(jī)的目的。針對進(jìn)給箱、手工控制刀架轉(zhuǎn)位進(jìn)給部件、光杠、絲杠等部件，需要進(jìn)行拆除，完成滾珠絲杠螺母副和刀架自動轉(zhuǎn)位部件的更換，并進(jìn)行潤滑系統(tǒng)和行程開關(guān)的安裝。利用原本絲杠軸承及軸承座，可以為滾珠絲杠提供左端支撐，采用雙螺母進(jìn)行預(yù)緊。在軸向定位上，可以采用走刀箱端軸承座。針對絲杠右端，需要在托架上進(jìn)行軸套式滑動軸承的設(shè)置，并采用減速箱左端面實現(xiàn)軸向定位，利用圓柱銷實現(xiàn)輸出軸與絲杠連接。采用雙螺母，可以實現(xiàn)減速箱的固定。在床鞍后進(jìn)行伺服電動機(jī)的安裝，靠近操作一側(cè)完成支撐短軸布置，利用連軸套連接絲杠，采用進(jìn)給絲杠滑動軸套提供支撐，同時完成推力球軸承布置。采用連軸套和短軸，能夠?qū)⑦h(yuǎn)離操作一端的絲杠與減速箱連接在一起，利用中滑板實現(xiàn)絲母座固定。在刀架結(jié)構(gòu)改造時，拆除原本刀架和車床小滑板后，在中滑板上進(jìn)行方鐵加裝，實現(xiàn)主軸與刀架間的高度調(diào)節(jié)。刀架位于方鐵上，通過轉(zhuǎn)動定位后利用螺釘固定。針對滾珠絲杠副，需要利用毛氈圈密封螺母，憑借內(nèi)孔螺紋將絲杠緊密包住，在螺母槽孔內(nèi)安裝。針對外露絲杠，需要利用防護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)。

3.3 車床結(jié)構(gòu)設(shè)計

實際在數(shù)控化改造時，設(shè)計車床機(jī)械結(jié)構(gòu)需要做好參數(shù)計算，從而實現(xiàn)各部分合理設(shè)計。在X、Y、Z 3個方向?qū)偳邢髁M(jìn)行分解，可以得到相互垂直的分力Fc、Ff、Fp，分別滿足，F(xiàn)=(0.1～ 0.6)F，F(xiàn)=(0.15～fcp0.7)Fc。是車床最大加工直徑，在進(jìn)行端面橫切時，車床主切削力為縱切時的1/2，因此可以得到Fc：Ff：Fp=1：0.25：0.4。針對機(jī)床主運(yùn)動機(jī)構(gòu)和刀具，需要根據(jù)主切削力Fc實現(xiàn)強(qiáng)度分析，從而實現(xiàn)切削用量合理選擇。根據(jù)進(jìn)給力Ff，能夠?qū)M(jìn)給結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和功率進(jìn)行確認(rèn)。根據(jù)背向力Fp，能夠完成工藝系統(tǒng)剛度的分析。

通過查閱《機(jī)床設(shè)計手冊》，可以得知機(jī)床切削功率為5.76kW。按照最大切削力進(jìn)行分析，在車床達(dá)到最大切削速度200m/min的情況下，主切削力Fz能夠達(dá)到1728kN。采用標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠螺母副，能夠使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動，完成需要零件的加工。根據(jù)切削分力和部件重力，可以確定進(jìn)給抗力，從而完成滾珠絲杠牽引力Fm的計算。針對三角導(dǎo)軌，F(xiàn)max=kFf+f′(Fc+G），f′指的是摩擦因素，在0.15～0.18間取值，G為部件重量，k為試驗系數(shù)，可取1.15。在實際分析時，摩擦因素可取1.6，因此能夠得到絲杠牽引力為1398N。在機(jī)床空載情況下，滾珠絲杠副傳動力Fmin為最小載荷，滿足Fmin=W·f′=128N,W為車床自重，為800N。針對絲杠副，在負(fù)載與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出正比關(guān)系的情況下，各轉(zhuǎn)速擁有均等使用機(jī)會，因此Fm=（2Fmax+Fmin）/3=974N。伺服電動機(jī)最高能夠達(dá)到2000r/min的轉(zhuǎn)速，傳動比為2，工作臺最高移動速度能夠達(dá)到4m/min，滾珠絲杠導(dǎo)程Ph為6mm，對絲杠預(yù)期額定動載荷Cam進(jìn)行計算，。nm為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，Lh為預(yù)期工作時間，為20000h，fa為精度系數(shù)，fc為可靠性系數(shù)，fw為負(fù)荷系數(shù)，分別可取0.8、1、1.2，可以得到Cam=13.7kN。按照要求，絲杠動負(fù)荷需要達(dá)到一定傳動比要求。根據(jù)各項參數(shù)，可以進(jìn)行滾珠絲杠副的合理選型，最終選擇型號為FFZL4006—3滾珠絲杠。

在選擇齒輪減速箱時，需要完成傳動比計算，確定其能夠使傳輸軸的轉(zhuǎn)速得到降低，并且實現(xiàn)較高扭矩輸出。考慮到電動機(jī)將保持較高轉(zhuǎn)速，工作臺維持較低轉(zhuǎn)速，需要利用齒輪傳動對工作臺進(jìn)行帶動。因此傳動比i需要滿足轉(zhuǎn)速和工作扭矩要求，利用步距角θb、脈沖當(dāng)量δp和絲杠導(dǎo)程Ph進(jìn)行計算，得到i=360δp/(θb·Ph)=1∶2。在絲杠與連軸套連接時，需要采用直徑6mm，錐度1∶5的圓柱銷。通過驗算可以發(fā)現(xiàn)，在規(guī)定最大軸向載荷作用下，絲杠保持33r/min速度轉(zhuǎn)動，在運(yùn)轉(zhuǎn)時間達(dá)到500h后不會出現(xiàn)點蝕問題。

4 普通車床數(shù)控化改造中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

4.1 主傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

對普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，需要做好主傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計。實際設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)確保改造后的車床能夠自動變速，并且變速范圍較寬。采用多速電機(jī)進(jìn)行傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造，能夠滿足這一要求。為了保證電機(jī)能夠正常運(yùn)行，需要加裝1套電機(jī)變速系統(tǒng)，拆除原本主軸傳動鏈等結(jié)構(gòu)，利用變頻調(diào)速裝置進(jìn)行主電機(jī)替換。在電機(jī)主軸位置上，可以利用脈沖編碼器進(jìn)行主軸位置確認(rèn)，將信息反饋給控制中心，結(jié)合機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)情況實現(xiàn)零件加工控制。在電機(jī)選擇上，普通車床通常采用步進(jìn)電機(jī)，需要對不同工況下電機(jī)等效力矩進(jìn)行分析，確保選擇的電機(jī)能夠達(dá)到系統(tǒng)加工精度和速度要求。根據(jù)負(fù)載力矩，可以確定電機(jī)啟動頻率，確保電機(jī)能夠直接帶動負(fù)載。在可調(diào)速范圍內(nèi)，主軸電機(jī)應(yīng)當(dāng)維持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，以免數(shù)控加工過程中出現(xiàn)速度不均問題。在持續(xù)負(fù)載的情況下，主軸電機(jī)也需維持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，應(yīng)當(dāng)確保電機(jī)轉(zhuǎn)速波動較小。此外，選取的電機(jī)應(yīng)當(dāng)具有較好散熱性能，以免因長時間工作出現(xiàn)高分貝噪聲或較大振動。

4.2 進(jìn)給傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進(jìn)給傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還應(yīng)將原本傳動裝置和操縱結(jié)構(gòu)拆除。在此基礎(chǔ)上，需要在各傳動方向上進(jìn)行電機(jī)安裝，通過實現(xiàn)電機(jī)自動控制提高車床生產(chǎn)效率。在機(jī)床操縱上，應(yīng)實現(xiàn)微機(jī)控制。在Z軸縱向上，可以在原本絲杠安裝位置進(jìn)行齒輪箱體的安裝，然后進(jìn)行滾珠絲杠固定。在X軸方向上，需要完成拖板改造，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)精度控制。針對拖板和關(guān)鍵傳動齒輪，需要加強(qiáng)二者的間隙控制。通常情況下，可以采用柔性調(diào)整方法或剛度調(diào)整方法縮小間隙，提高齒輪傳動精度和靈敏度。針對原本的導(dǎo)軌，可以通過刮研、修磨等操作減少摩擦阻力，繼而使齒輪磨損得到減少。

4.3 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計

在普通車床數(shù)控化改造中，還應(yīng)做好刀架、溜板箱等機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計。刀架需要為復(fù)雜元件加工提供支持，所以需要完成多種不同類型刀具安裝。在拆除手動刀架后，還應(yīng)結(jié)合數(shù)控車床生產(chǎn)需求進(jìn)行LD4自動回轉(zhuǎn)數(shù)控刀架安裝，確保刀架能夠自動進(jìn)行重復(fù)定位，從而使零件加工準(zhǔn)確性得到提高。針對溜板箱結(jié)構(gòu)，還應(yīng)拆除原本結(jié)構(gòu)，然后在滾珠絲杠上進(jìn)行新結(jié)構(gòu)安裝。在加工作業(yè)階段，結(jié)構(gòu)能夠起到停止主軸轉(zhuǎn)動的作用，確保刀具能夠正常交換。完成結(jié)構(gòu)改造后，需要對整體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，具體需要對車床傳動性能、運(yùn)行噪聲和主軸進(jìn)給性能等進(jìn)行檢測，確保車床運(yùn)行性能可以達(dá)到數(shù)控加工要求。

5 結(jié)語

通過研究普通車床數(shù)控化改造問題可以發(fā)現(xiàn)，在車床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，需要結(jié)合車床現(xiàn)狀和工藝參數(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，提出總體設(shè)計方案，然后通過計算驗證完成細(xì)部設(shè)計，確保設(shè)計出的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠滿足數(shù)控加工生產(chǎn)要求，使車床加工效率和精度得到提高。