某型兩座標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控車床改造及測(cè)試系統(tǒng)*

李 剛 孫江宏 潘尚峰 許 飛 張玉杰

(①北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100192;②清華大學(xué)機(jī)械電子工程研究所，北京100084;③東方電氣集團(tuán)－東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽610800)

車床是機(jī)械制造生產(chǎn)中使用最廣的一類機(jī)床。目前，由于機(jī)械行業(yè)發(fā)展日益加快，對(duì)機(jī)床使用頻繁，時(shí)間較長(zhǎng)，且加工對(duì)象的改變，某些零件加工精度已經(jīng)無法滿足使用要求。由于購買新型數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，而閑置普通機(jī)床又會(huì)造成浪費(fèi)，所以數(shù)控化改造趨勢(shì)日益明顯［1］。

某廠300 MW、600 MW機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子一直以來都在作高速動(dòng)平衡試驗(yàn)，由于沒有車削低壓轉(zhuǎn)子圍帶外圓等部位所需設(shè)備，所有的低壓轉(zhuǎn)子均需運(yùn)往總部車削圍帶后再運(yùn)返分部作動(dòng)平衡試驗(yàn)，造成往返運(yùn)輸費(fèi)用增加，運(yùn)輸中安全風(fēng)險(xiǎn)加大，轉(zhuǎn)子生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，加工中出現(xiàn)問題得不到及時(shí)解決。由于現(xiàn)有項(xiàng)目需要磨削燃機(jī)葉頂而原有設(shè)備不能加工，而廠內(nèi)車床改造后剩有床頭箱、中心架、尾座等主要零部件，因此工廠決定制作一臺(tái)兩座標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨削裝置的車床，該車床必須滿足燃機(jī)葉頂磨削、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子圍帶車削，改造結(jié)果如圖1所示。

同時(shí)滿足以下參數(shù):

刀架加工行程:X向11 000 mm，Z向1 800 mm;

刀架最大切削力:200 kN;

上刀架刀板最大行程:800 mm;

床頭箱轉(zhuǎn)速:0.61～90 r/min;

機(jī)床加工直徑:600～4 000 mm;

花盤夾持直徑范圍:600～2 030 mm;

花盤扭矩:80 kN·m

主電機(jī)功率:100 kW。

1 設(shè)計(jì)方案改造

1.1 整體設(shè)計(jì)方案改造

改造后的車床為臥式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。為提高轉(zhuǎn)子定位的穩(wěn)定性和剛度，將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子放在兩靜壓托架9上，以便于調(diào)整支撐軸頸大小，同時(shí)方便各種軸頸尺寸轉(zhuǎn)子的支撐。動(dòng)力從主動(dòng)電動(dòng)機(jī)1發(fā)出，經(jīng)床頭箱2變速傳至花盤，花盤夾持工件3，帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，同時(shí)靜壓托架供油將工件支撐浮起定位，用刀架或磨頭進(jìn)行加工。

1.2 靜壓托架

靜壓托架機(jī)構(gòu)如圖3所示，工件的支撐由一個(gè)中間支撐3和兩個(gè)側(cè)支撐1、2來完成，套筒4的鎖緊、放松由油馬達(dá)6旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)一對(duì)嚙合錐齒輪完成，再經(jīng)一對(duì)齒輪、絲桿絲母實(shí)現(xiàn)套筒4的鎖緊，松開這一鎖緊時(shí)，必須先把手動(dòng)鎖緊放開，將套筒4升起一點(diǎn)，靠油馬達(dá)6反向旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)套筒放松。

1.3 靜壓托架導(dǎo)軌和刀架導(dǎo)軌

靜壓托架導(dǎo)軌主要承擔(dān)工件重量，要求導(dǎo)軌局部和整體剛性好，故導(dǎo)軌采用焊接結(jié)構(gòu)件經(jīng)二次熱處理精銑而成，并在拖板上安裝刮板式防護(hù)裝置，這樣既能保證導(dǎo)軌剛度及承載能力，又能保證導(dǎo)軌精度及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，如圖4(左)所示。考慮到生產(chǎn)的困難性，將刀架導(dǎo)軌制作為兩段拼裝而成。且為保證拼裝后導(dǎo)軌精度及維修，在兩段導(dǎo)軌接頭處安裝了十字銷，如圖4(右)所示。

1.4 兩座標(biāo)數(shù)控磨削裝置

由于需要磨削燃機(jī)轉(zhuǎn)子錐度，須采用兩座標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨頭。選用上海機(jī)床廠M120W雙磨頭分別磨削左右錐度，形式如圖5所示。

2 車床參數(shù)測(cè)試

車床參數(shù)主要包括精度參數(shù)和技術(shù)參數(shù)，由于是改造后的車床，通過對(duì)其進(jìn)行大量測(cè)試，并搭建相應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)。機(jī)床精度參數(shù)共有4類［2］，分別為編程精度、運(yùn)動(dòng)精度、幾何精度和加工精度，本測(cè)試系統(tǒng)主要針對(duì)幾何精度進(jìn)行測(cè)試。

2.1 車床幾何精度檢測(cè)

車床幾何精度反映車床關(guān)鍵機(jī)械零部件(如床身、溜板、立柱、主軸等)的幾何形狀誤差及組裝后的幾何形狀誤差［3－6］。以 JB/T 366303－1999(重型臥式車床_精度檢驗(yàn))為檢驗(yàn)依據(jù)，對(duì)車床各項(xiàng)幾何精度進(jìn)行檢驗(yàn)，以導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度為例，如圖6所示，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，根據(jù)數(shù)據(jù)所繪曲線如圖7和8所示。

表1 導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度測(cè)量

根據(jù)直線度計(jì)算公式:式中:n為計(jì)算的格數(shù)，i為水平儀的測(cè)量精度，水平儀1格讀數(shù)相當(dāng)于1 000 mm長(zhǎng)度上誤差為0.02 mm，L為測(cè)量段的長(zhǎng)度。從圖7和圖8中可看出，改造前和改造后的直線度最大誤差值分別在4 000 mm和2 000 mm處，故:

改造前的直線度為:Δ=7.25×0.02/1 000×500=0.072 5(mm)

改造后的直線度為:Δ=3×0.02/1 000×500=0.03(mm)

通過改造前后比較，改造后的直線度明顯提高，并符合國標(biāo)要求，檢驗(yàn)結(jié)果如表2(G4項(xiàng))，其余各項(xiàng)幾何精度較改造前也有明顯提高，且符合國標(biāo)要求，如表2所示。

表2 各項(xiàng)幾何精度檢測(cè)結(jié)果匯總表

2.2 主要技術(shù)參數(shù)測(cè)試

改造后的重型臥式車床通過對(duì)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)如表3所示，結(jié)果表明，改造前后各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)基本一致，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表3 主要技術(shù)參數(shù)

3 車床噪音及溫度測(cè)試

3.1 車床噪音測(cè)試

車床噪音主要包括床頭箱齒輪嚙合產(chǎn)生的噪音［7］，主軸箱絲杠螺母振動(dòng)產(chǎn)生的噪音［8］以及主電機(jī)產(chǎn)生的噪音等。車床噪音過大能反映出車床工作狀態(tài)異常，不僅影響車床的性能和精度，更影響車床的使用壽命［9］，所以需要對(duì)運(yùn)行過程中的車床噪音進(jìn)行測(cè)量。檢測(cè)儀器為GM1356型噪音檢測(cè)儀(測(cè)量范圍:30～130 dB，精度可達(dá)±1.5 dB)，如圖9所示，測(cè)量數(shù)據(jù)如表4所示，根據(jù)GB 9061－88要求，車床運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪音不得超過85 dB，實(shí)際測(cè)量滿足使用要求。

3.2 主軸溫度測(cè)試

文獻(xiàn)［10］表明，通過對(duì)坐標(biāo)鏜床進(jìn)行測(cè)量分析，機(jī)床熱變形是影響機(jī)床定位精度的主要因素，機(jī)床在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受到內(nèi)外熱源的作用，各零部件的溫度不斷升高使零部件尺寸及相互位置發(fā)生變化導(dǎo)致熱誤差。而熱誤差對(duì)機(jī)床精度的影響最為顯著，通常占到機(jī)床總誤差的40% ～70%［11－13］，造成工件加工精度的變化。

可見，溫度對(duì)機(jī)床加工零件的影響，而機(jī)床溫度顯著部位為主軸，此測(cè)試采用臺(tái)灣泰菱(TECPEL)510LB手持式紅外線溫度計(jì)，如圖10所示。主軸溫度測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示，溫度低于30℃，滿足使用要求。

表4 車床噪音及溫度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語

改造后的重型臥式車床是集機(jī)械、電氣、液壓綜合自動(dòng)化的一臺(tái)大型設(shè)備，在實(shí)際加工300 MW、600 MW機(jī)組轉(zhuǎn)子時(shí)，加工部位及綜合性能都能滿足零件的設(shè)計(jì)要求，為工廠降本增效提供了又一臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備，具體體現(xiàn)為車床改造后主要技術(shù)參數(shù)無明顯變化，幾何精度較改造前有明顯提升，車床工作穩(wěn)定，可用度高，加工時(shí)間縮短，成本降低。