工程陶瓷材料異形工件切削加工專用車床研制

龔肖新 張衛國 李 明

(①蘇州工業職業技術學院，江蘇蘇州215104;②湖北工業大學，湖北武漢432200;③蘇州維捷自動化系統有限公司，江蘇蘇州215128)

鋼包水口工程陶瓷制品屬于管套類工件，其外形由多種復合型面組成，尺寸各異;為了滿足上下水口及快換機構等關鍵部位的連接、配合、密封等要求，此類工件經壓制成型和燒結后，還需采用車削加工。由于待加工工件采用耐高溫的工程陶瓷材料，其強度高、硬度大、耐磨性好，對切削加工提出了較高要求，尤其在選用加工設備時遇到一些問題。如果采用普通數控車床，雖然可以自動完成各種復合型面的輪廓車削加工，但工程陶瓷材料的粉末狀切屑導致機床運動副磨損加劇，難清洗、保養，機床維護困難，且機床導軌磨損后修復費時費力，嚴重影響生產進度。為了保證加工質量，提高生產率和經濟效益，可以研制數控化專用車床，使其既具有自動化程度較高的數控車削功能，又具有良好的防塵保護功能，保證生產能正常進行，而且設備能維持較長的使用壽命。

1 總體方案確定

以普通車床的床身和主軸箱為基體，配置必要的機械和電氣部件。

(1)機械部分:采用滾珠絲杠和精密直線導軌取代滑動絲杠和普通導軌，既可以提高傳動精度和工作平穩性，又便于安裝切屑防護罩起到良好的運動副保護功能;刀架傾斜安裝，有利于排屑;尾座采用氣缸驅動，便于工件裝拆與夾緊。

(2)電氣部分:采用變頻器控制主軸轉速，實現無級調速;采用可靠性較強的數控系統、進給伺服系統對機床進行電氣控制。機床總體結構如圖1所示。

2 機械關鍵部件設計

2.1 進給機構和導軌的選用

普通車床進給機構采用的傳統螺紋絲杠副，絲杠與螺母間直接作用，摩擦阻力大、易磨損、效率低。本機床進給系統選用臺灣HIWIN公司生產的滾珠絲杠副DFUR5010-4-D-FC7-L2434.5-P2和DFUR3205-4-D-FC7-L740-P2分別驅動刀架縱、橫向進給，由于以摩擦阻力極小的滾動摩擦代替了傳統絲杠的滑動摩擦，使滾珠絲杠副傳動效率達到90%以上，發熱率大幅降低，而且傳動精度高，使用壽命長。

機床導軌采用臺灣HIWIN公司生產的BRH型滾動直線導軌。此導軌具有高精度、高負載能力、高剛性、高可靠度、全密封防塵、運動平順、低噪聲、安裝容易等優點。為了提高刀架縱向進給支承導軌剛性，本機床設計并安裝了上、下兩個平行直線導軌，而且為了減少切屑粉塵的堆積，將導軌垂直布置于機床后側，如圖1所示。

2.2 切屑防護罩的訂制

為了防止陶瓷粉末切屑落入運動副和導軌表面，造成加劇摩擦磨損等不良后果，在縱、橫向導軌，絲杠和尾座外部，訂制了柔性風琴式防護罩。圖2所示為縱向進給裝置防護罩的主要尺寸與安裝情況。此防護罩具有行程長和壓縮小的優點，另外還具有硬物沖撞不變形、壽命長、密封好和運行輕便等特點。

2.3 刀架的布置與安裝

車床刀架采用后置式，床身傾斜30°，橫向導軌和刀架傾斜，使得機床的操作和排屑都很方便，并且占地面積小，有很好的宜人性。

2.4 尾座驅動裝置的設計

由于工件依靠長芯棒定位和尾座頂端成型端面夾緊，依據工件裝卸的需要，本車床尾座除了完成縱向夾緊與松開動作之外，還需要實現橫向進、退運動，而且加工過程中還需保證尾座與床身之間的相對固定，為此設計了尾座氣動驅動裝置，其布置情況如圖3所示。采用氣動裝置驅動尾座運動和定位，具有構造簡單、便于維護、價格低廉等優點。

3 電氣部分配置

重新設計電控柜，配置數控裝置、伺服系統、變頻器以及配套輔助電器等，使電氣系統結構簡單、運行穩定、維修方便。

3.1 數控裝置

采用NUM公司的POWER1020數控系統，配置彩色9英寸W0800液晶顯示器、操作鍵盤、機床控制面板和手搖脈沖發生器，實現數控編程、自動化加工，性能穩定，操作方便。

3.2 主軸控制系統

主軸驅動電動機采用11 kW三相異步交流電動機，加配三菱FR-F740-11kW變頻器控制主軸實現無級變速。

3.3 進給伺服系統

車床X、Z軸分別選用SGMD-15ADA和SGMD-30ADA伺服系統，配置SGMGH-13ACA61和SGMGH-30ACA61伺服電動機，以確保各進給坐標軸在整個調速范圍內穩定運行。

車床電控柜內部電氣系統布置如圖4所示，專用車床實物如圖5所示。

4 結語

經技術改造與創新研制而成的數控化專用車床，解決了工程陶瓷材料在加工過程中的切屑干擾問題，實現了復合成形曲面的自動化高效加工。此設備用精密直線導軌取代普通滑動導軌，一方面便于在滾珠絲杠和直線導軌外側安裝切屑防護罩，另一方面更換導軌方便迅速，可以節約生產輔助時間。刀架斜置方式不但可以便于排屑而且使機床結構緊湊。夾緊裝置采用氣缸驅動，節省功耗，便于自動化操作。數控裝置和伺服系統的配制，很大程度上保證了異型工件數控加工的基本要求。該專用車床投入生產后，解決了企業工程陶瓷制件車削加工的難點問題，既提高了生產效率，又降低了制造成本。此方法對類似陶瓷、石墨等粉末狀切屑材料的自動化切削加工具有很大的借鑒作用。

［1］何偉.數控機床原理及應用［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［2］王炳實.機床電氣控制［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［3］王凡.實用機械制造工藝設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［4］賈志新，艾冬梅，等.工程陶瓷材料加工技術現狀［J］.機械工程材料，2000(1):2-4.