數控專用立式曲拐車床設計

李立強 姜 輝

(齊重數控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

曲拐零件是應用于船舶、能源等行業中的大型柴油機上的關鍵零件。其材料為鑄鍛鋼，需要進行開檔、外圓柱面、曲拐銷徑、卸荷凹槽、倒角、空刀、及曲面等工序的加工。為了提高曲拐零件的生產效率、降低制造成本和保證交貨期，用戶需要高效率、高精度的機床來批量化生產曲拐零件，而目前，國內極缺加工曲拐零件的數控高效專用車床。

曲拐零件為回轉類零件，相對于其他機床，曲拐零件更適合在立式車床上加工;但傳統的數控立式車床均為功能比較通用化的產品，且主要以垂直刀架滑枕的車削加工為主、側刀架加工為輔。其使用側刀架雖然可以完成曲拐零件的上述加工工序，但由于曲拐零件的加工特點是重載荷和斷續切削，因此要求加工曲拐零件的機床剛度和抗振性必須非常好;同時，由于曲拐零件內檔的寬度尺寸小，限制了側刀架滑枕的截面不能足夠大，在對曲拐零件進行內檔和銷徑加工時，又同時要求滑枕的懸伸和行程非常長，而懸伸長、小截面的滑枕靜動剛度非常低，在重載荷、斷續切削曲拐零件的內檔時，滑枕的變形將非常大，經常由于滑枕的振動過大而引起機床的整體共振。使得使用側刀架滑枕加工曲拐零件的傳統立式車床的加工效率和曲拐零件的加工精度非常低。

為解決上述難題，筆者公司研制了數控專用立式曲拐車床(如圖1 所示)加工曲拐零件。根據曲拐零件加工的特點，該車床在傳統數控立式車床的基礎上，進行了針對性的改進設計。

根據曲拐零件加工中，要求機床側刀架的垂向行程相對短的特點，將機床的總體布局改進為立臥相結合式的結構。該結構保留了傳統數控立式車床的橫梁和工作臺結構，取消了龍門架。橫梁直接固定在地基上，與地基的聯結結構類似于臥式車床的床身結構;但橫梁導軌仍保留立式車床垂直導軌的特點;而橫梁底面的四周均使用地腳墊鐵支撐，地腳墊鐵的數量非常多，故橫梁與地基的聯接剛度非常高。

根據曲拐零件加工中，要求滑枕的懸伸長和滑枕水平行程長的特點，取消了側刀架，并將垂直刀架的橫梁滑座、滑枕結構改進為大滑板、垂直滑板和刀板組合式結構。該結構中，大滑板作水平運動，垂直滑板作垂向進給運動。

根據曲拐零件內檔截面為矩形的特點，將刀板體的懸伸部分設計成長方體結構，其截面也為矩形，并且截面制作的足夠大，刀板的材料為球墨鑄鐵，使刀板的剛度和抗振性能非常高。

機床基本參數及主要性能指標如下:

大車削直徑/mm 5 500

最小車削直徑/mm 650

最大工件高度/mm 1 600

最大工件重量/t 60

工作臺直徑/mm 5 000

主軸轉速(無級兩檔)/(r/min) 0.3～40

刀架最大切削力/kN 80

工作臺最大扭矩/(kN·m)200

刀架進給速度/(mm/min)0.05～1 000

刀架快速移動速度/(mm/min) 2 500

大滑板水平行程/mm 2 800

垂直滑板垂直行程/mm 1 300

刀板厚度/mm 140

刀具至臺面距離/mm ≥280

主電動機功率/kW 125

伺服電動機扭矩/(N·m)65

數控系統 西門子840DSL

機床總重(約)/t 160

1 機床的總體結構

該車床的橫梁直接座落在地基上，大滑板側掛在橫梁前部，沿橫梁導軌作水平運動，垂直滑板側掛在大滑板的前部，沿大滑板的前導軌作垂向運動，刀板后部與垂直滑板的前端面固定聯接，刀板的主體部分為整體的長方體結構，該結構與曲拐零件的內檔相適應。立式工作臺置于橫梁的左前部，橫梁與工作臺之間使用分體式結構，即工作臺與橫梁之間不聯接，工作臺底座直接與地基聯接，在工作臺的左側安裝有主傳動箱。曲拐零件座落在工作臺面上，曲拐零件與工作臺面之間使用等高墊塊支撐，在曲拐零件四周使用重載荷卡爪卡緊。

機床大滑板與垂直滑板之間使用雙T 形導軌結構，大滑板和垂直滑板均使用閉式靜壓導軌結構，垂直滑板帶有雙油缸平衡裝置，雙油缸安裝在雙T 形導軌之間，雙油缸將垂直滑板的重量卸荷在大滑板上。刀板帶有龍門式重錘平衡裝置，該裝置安裝在橫梁上部，重錘安裝在橫梁的右后部，重錘將垂直滑板、刀板的重量卸荷在橫梁大件體上。垂直滑板升降使用雙伺服電動機、雙滾珠絲杠傳動結構，該結構具有驅動扭矩大，大滑板兩端同步精度高，垂直滑板、刀板整體傾斜度小的特點。

2 機床部件結構

2.1 工作臺

工作臺使用短主軸結構，定心軸承使用雙列圓柱滾子軸承，工作臺使用恒流靜壓導軌。主軸設有推力滾子軸承對靜壓導軌油膜進行預緊，提高工作臺的油膜剛度，使工作臺具有很高的端徑跳精度和精度保持性。工作臺靜壓導軌與主傳動潤滑均由單獨的液壓站供油，由多頭恒流齒輪分油器保證靜壓導軌的剛度，在靜壓系統中還具有流量與油膜監控報警及斷電保護功能。工作臺靜壓油的溫度由油溫控制箱進行調節，因此工作臺具有溫升小、熱變形小、達到熱穩態時間短的特點。工作臺裝有主軸回轉編碼器，以便實現每轉進給量及恒速切削。整機配置有環形自動排屑裝置，自動化程度較高，外型美觀、宜人。

工作臺設置有機械配重裝置，該裝置主要用于平衡曲拐零件(工件)的偏心載荷。該平衡裝置可以大大提高工作臺主軸軸承的使用壽命和精度保持性。配重裝置由固定配重塊和可調整配重塊兩部分組成:固定配重塊由若干塊鉛塊組成，鉛塊安裝在工作臺內部空腔內，根據本機床所能加工的最小型號曲拐零件的規格，經計算后確定鉛塊的體積、數量和位置，在加工不同型號的曲拐零件時，配重鉛塊均不作調整;可調整配重塊安裝在工作臺面上，在加工不同型號的曲拐零件時，工作臺的整體靜動不平衡量主要通過調整可調整配重塊的重量、數量和位置來消除。根據機床加工的曲拐零件的實際型號，可先粗調工作臺面上配重塊的數量和位置，再對裝卡曲拐零件的工作臺整體作靜、動平衡檢測，根據檢測的具體數值，再精確調整工作臺上可調配重塊的重量和位置。

2.2 大滑板和垂直滑板

大滑板沿橫梁導軌水平移動為機床的X 軸，X 軸由交流伺服電動機驅動，經一對高精度齒輪降速后驅動滾珠絲杠轉動，滾珠絲杠螺母帶動大滑板作水平運動。由于刀板的加工行程長，刀板的長向尺寸相對較大，使得與刀板聯接的垂直滑板的跨距大，為了保證垂直滑板的升降運動平穩，提高大滑板的承載能力，大滑板與垂直滑板之間使用了雙T 形導軌結構，由于雙T形導軌的4 個導軌面同時承載，并且雙T 形導軌位于大滑板前端面的兩側，形成了一定的跨距，因此，雙T形導軌結構在提高大滑板承載能力的同時，也提高了大滑板的抗顛覆能力。

垂直滑板沿大滑板前部垂向導軌的垂向運動為Z軸，由于垂直滑板和刀板的跨距大、總重量大，為了提高Z 軸的驅動能力，提高大跨距垂直滑板兩端的水平度，Z 軸使用雙伺服電動機、雙滾珠絲杠傳動結構。雙伺服電機通過雙減速箱降速后驅動雙滾珠絲杠轉動，相應帶動滾珠絲杠螺母、垂直滑板作垂向運動，雙滾珠絲杠分別位于雙T 形導軌的中間位置，雙減速箱安裝在大滑板的上端面上。

為了提高X 軸、Z 軸的傳動剛度，避免大滑板和垂直滑板在斷續切削曲拐零件時的振動，X 軸、Z 軸均使用閉式靜壓導軌結構。為了平衡垂直滑板和刀板的重力和顛覆力矩，降低Z 軸驅動伺服電動機的規格，垂直滑板使用了液壓平衡裝置，該裝置由雙平衡油缸組成，油缸體固定在大滑板的前端面上，活塞桿通過支架與垂直滑板聯接。該平衡裝置將垂直滑板70%以上的重量卸荷在大滑板上，雙平衡油缸結構具有空間尺寸小、承載大的特點，雙油缸在平衡垂直滑板重量的同時，也平衡了垂直滑板水平方向的顛覆力矩。

2.3 刀板平衡裝置

刀板使用龍門式重錘平衡裝置，該裝置的主要作用是平衡垂直滑板和刀板的重量及顛覆力矩。該裝置的龍門支架安裝在橫梁上部，在龍門支架上部安裝有兩套動滑輪組，在大滑板作水平移動時，兩套動滑輪組沿龍門支架上的軌道水平滾動，此時重錘不作升降運動。在刀板上部固定聯接有一套動滑輪組，該動滑輪隨刀板一起作垂向運動，在刀板作升降運動時，重錘相應的作升降隨動。刀板使用一根鋼絲繩提升重錘，鋼絲繩的左端與龍門支架的左上端固定聯接，鋼絲繩的右端與重錘聯接，鋼絲繩中間穿過水平運動的兩套動滑輪組和一套垂直運動的動滑輪組。由于該裝置中使用了一套動滑輪組提升刀板，因此，龍門式重錘平衡裝置平衡刀板的重量是重錘重量的兩倍。該裝置可以平衡刀板80%以上的重量。

龍門式重錘平衡裝置與垂直滑板的雙油缸平衡裝置不同，雙平衡油缸是將垂直滑板的重量卸荷在橫梁的水平導軌上，而橫梁水平導軌所受的合力沒有改變。而該平衡裝置是將垂直滑板、刀板的重量通過龍門支架卸荷在橫梁大件體上，再通過與橫梁底面聯結的地腳墊鐵直接作用到地基上，通過將重錘布置在橫梁后部的巧妙結構設計，使刀板、垂直滑板、大滑板和橫梁的綜合重心向后移到了橫梁導軌的后部，使橫梁的水平導軌承受大滑板、垂直滑板和刀板的總重力降至最低。由于該裝置在平衡刀板重量的同時，也平衡了懸伸刀板的顛覆力矩，因而使橫梁導軌的整體受力狀態得到了最大限度的改善。

3 機床研制過程中的技術難點介紹

3.1 刀板的振動問題

根據曲拐零件開檔寬度，本機床刀板的厚度確定為140 mm。為了提高機床的加工效率，確定機床最大切削力為80 kN。由于機床長時間處于斷續切削加工狀態，并且，由于工作臺中心至橫梁導軌水平距離大，達到了3 m 以上，所以刀板的靜動剛度和抗振性是本機床能否研制成功的技術難點之一。為了解決這個難題，筆者公司對曲拐零件加工過程進行了動態仿真，對刀板大件進行大量的有限元分析和計算，并通過對刀板的整體受力狀態進行了深入研究后，對刀板結構進行了針對性的改進設計。如，對刀板進行了減振處理，在刀板上增加了幾個減振孔，在減振孔中填裝了減振材料，刀板材料改進為球黑鑄鐵，大滑板、垂直滑板使用具有吸振作用的閉式靜壓導軌結構，刀板增加了用于平衡刀板重量和顛覆力矩的龍門式重錘平衡裝置，通過使用了上述結構，大大提高了刀板的抗振性，徹底解決了刀板在曲拐零件加工過程中的振動問題。

3.2 垂直滑板的驅動裝置

由于曲拐車床垂直滑板和刀板的重量大、跨距大，使用傳統的單伺服電動機、單滾珠絲杠傳動，使用單光柵尺進行位置檢測的結構，無法保證大跨距垂直滑板的剛度和數控精度。為此，筆者公司研制了垂直滑板的新型驅動裝置，該裝置使用雙伺服電動機、雙滾珠絲杠傳動，使用雙光柵尺檢測元件對垂直滑板兩端的實際位置進行檢測的結構。該結構具有驅動扭矩大、空間尺寸小、垂直滑板兩端同步精度高的特點。雙光柵尺分別安裝在大滑板的兩側，在垂直滑板垂向運動的全行程內，將3 100 mm 寬的刀板水平度控制在0.02 mm 以內，保證了曲拐零件的加工精度滿足要求。

3.3 曲拐零件的裝卡和平衡問題

為了盡可能地縮短裝卡找正曲拐零件(工件)的輔助時間，提高工件的加工效率，筆者公司設計了專用卡具卡緊曲拐零件。首先，使用等高墊塊將曲拐零件墊起一定的高度，該高度值由刀板至工作臺面的最小距離決定。然后，使用六套專用卡爪將曲拐零件卡緊，其中有四套卡爪卡緊曲拐零件的兩個側面和前部的兩個斜面，為了適應工作臺的T 形槽和曲拐零件的斜面，專用卡爪上部的回轉體可360°旋轉，另兩套卡爪分別位于曲拐零件的內孔中和銷頸處，并且相對卡緊曲拐零件，該六套專用卡爪將曲拐零件牢固地卡緊在工作臺上。考慮到曲拐零件加工的特點是偏載大，工作臺在裝卡曲拐零件后作靜、動平衡檢測，通過調整工作臺上配重塊的重量和位置，來消除已裝卡曲拐零件的工作臺整體的不平衡量，控制該不平衡量值在曲拐零件加工精度允許的范圍內，經實踐檢驗，工作臺配重塊調整簡單、方便，完全滿足用戶的使用要求。

3.4 懸伸刀板的平衡

由于曲拐零件的加工特點已經決定刀板的懸伸大、重量大，如果刀板不帶有重量平衡裝置，垂直滑板與大滑板之間的靜壓導軌將需要承受非常大的顛覆力矩，該力矩將使大滑板垂向導軌的上下兩端承受非常大的作用力和局部比壓，遠遠超出靜壓導軌正常工作的比壓范圍，使靜壓導軌的油膜間隙不能正常建立，靜壓導軌將變成滑動導軌，靜壓摩擦將變成滑動摩擦，大滑板垂向導軌的摩擦阻尼力和摩擦力矩將大大增加，將嚴重干擾機床的數控精度，導軌的磨損速度也將急劇上升。另一方面，在加工曲拐零件過程中，懸伸非常大的刀板彎曲變形嚴重，刀板振動大，易引起機床的整體共振，使機床無法正常工作。為了解決這個難題，筆者公司研制了刀板的龍門式重錘平衡結構，該結構平衡了刀板80%以上的重量和顛覆力矩，減小了懸伸刀板零件的彎曲變形，降低了大滑板垂向導軌兩端的局部比壓值，使大滑板與垂直滑板之間的靜壓導軌得以正常工作，龍門式重錘平衡裝置是大懸伸刀板結構得以正常工作的重要保證，是該機床的關鍵結構之一。

4 結語

經用戶使用該數控專用立式曲拐車床大批量地生產曲拐零件后驗證，該車床的數控精度和生產效率非常高，零件的加工精度完全滿足技術要求。該車床的成功研制，解決了國內缺少用于曲拐零件的專用、高效率加工設備的難題。該車床現已形成系列化生產，該系列車床最大車削直徑為5 500 mm，可以覆蓋丹麥B＆W 公司、瑞士WARSLA 公司所有型號曲拐零件的加工。