普通車床數控化改造中機械結構設計問題的研究

吳承康，高剛毅

（荊楚理工學院機械工程學院，湖北 荊門 448000）

作為機械加工的重要工具，車床能夠用于各種工件加工。在機械加工技術取得不斷發展的背景下，傳統車床逐漸被數控車床所替代。面對這一發展趨勢，各加工企業陸續開始進行機械加工工藝更改。為實現原本普通機床的充分利用，需要對機床進行數控化改造。而在實踐工作中，想要保證改造機床的數控加工效果，還要實現機床機械結構的合理設計。因此，需要對普通車床數控化改造中機械結構的設計問題展開研究，繼而有效推動數控機床的普及應用。

1 普通車床數控化改造意義

相較于普通車床，數控車床具有較高的生產效率，能夠迎合機械加工生產規模不斷擴大的發展趨勢。但數控車床成本較高，所以需要實現普通車床數控化改造，以便通過挖掘舊設備潛在價值提高車床生產效率，為機械加工生產帶來更多效益。通過對車床機械結構進行數控化改造，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化的方向發展。經過改造后，車床控制電機相對獨立，能夠借助不同電機實現車床聯動控制，完成造型復雜零件生產，促使車床實現大范圍生產。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自動完成，人員可以節省更多精力，甚至能夠同時進行多臺車床控制，在提高機械加工效率的同時，減輕人員勞動強度，因此有助于機械加工技術水平的提升。

2 普通車床數控化改造中機械結構設計方法

實際對普通車床進行數控化改造，需要遵循相應的流程。作為技術性較強的工作，車床機械結構數控化改造需要根據車床規格和技術性能指標進行，在提出車床整體改造方案后實現任務分解，提出詳細的實施方案，依次完成各部分結構設計。首先，需要對車床加工對象進行分析，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、盤類等回轉類零件，也用于實現螺紋零件的加工，不同零件形狀存在一定差異，需要采用不同加工方法，達到不同加工技術要求。在結構改造時，需要結合工藝生產要求進行切削功率和切削力的計算，以便實現車床主軸和進給系統的合理設計。車床數控化改造需要對部分機構進行拆換，所以需要加強原始數據把握，明確各部分機械結構的連接方式和尺寸參數。針對車床存在的缺陷，如端面車削平面度超差等問題，需要在數控化改造中進行解決。為保證改造后的車床達到較高性能要求，需要對車床實際載荷進行分析，通過合理的機械結構設計保證車床整體及各部分結構的剛度。明確車床規格參數，根據機械結構設計需要的硬件型號和數量，可以進行元器件采購，然后將舊機床拆除，分別完成新機構的安裝。針對改造得到的新機床，需要完成整機調試，然后進行工件試切，確保車床的機械加工水平能夠達到設計要求。

3 普通車床數控化改造中機械結構設計實踐

3.1 車床改造要求

針對普通臥式車床進行數控化改造，車床型號為CA6150，原本采用三角導軌，與溜板件摩擦阻力較大，導致導軌產生過大損耗。車床主傳動運動和進給運動均受到主軸電機控制，無法實現獨立控制操作。此外，車床刀架轉位進給件需要實現手動控制，導致車床加工效率較低。因此在數控化改造方面，要求實現車床傳動控制機構的合理設計，提高車床直線插補能力、暫停作業能力等各種能力，使車床各部分結構性能可以達到日常作業需求。

3.2 車床改造方案

在完成車床現狀分析后，對車床主要技術參數進行查閱，可以實現拆換部件的合理選用，得到相應車床改造方案。針對車床主傳動系統，需要加裝主軸脈沖編碼器，利用尼龍齒輪實現與主軸的聯結，達到控制伺服電動機的目的。針對進給箱、手工控制刀架轉位進給部件、光杠、絲杠等部件，需要進行拆除，完成滾珠絲杠螺母副和刀架自動轉位部件的更換，并進行潤滑系統和行程開關的安裝。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，采用雙螺母進行預緊。在軸向定位上，可以采用走刀箱端軸承座。針對絲杠右端，需要在托架上進行軸套式滑動軸承的設置，并采用減速箱左端面實現軸向定位，利用圓柱銷實現輸出軸與絲杠連接。采用雙螺母，可以實現減速箱的固定。在床鞍后進行伺服電動機的安裝，靠近操作一側完成支撐短軸布置，利用連軸套連接絲杠，采用進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，能夠將遠離操作一端的絲杠與減速箱連接在一起，利用中滑板實現絲母座固定。在刀架結構改造時，拆除原本刀架和車床小滑板后，在中滑板上進行方鐵加裝，實現主軸與刀架間的高度調節。刀架位于方鐵上，通過轉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，憑借內孔螺紋將絲杠緊密包住，在螺母槽孔內安裝。針對外露絲杠，需要利用防護罩進行保護。

3.3 車床結構設計

實際在數控化改造時，設計車床機械結構需要做好參數計算，從而實現各部分合理設計。在X、Y、Z 3個方向對總切削力進行分解，可以得到相互垂直的分力Fc、Ff、Fp，分別滿足，F=(0.1～ 0.6)F，F=(0.15～fcp0.7)Fc。是車床最大加工直徑，在進行端面橫切時，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。針對機床主運動機構和刀具，需要根據主切削力Fc實現強度分析，從而實現切削用量合理選擇。根據進給力Ff，能夠對進給結構強度和功率進行確認。根據背向力Fp，能夠完成工藝系統剛度的分析。

通過查閱《機床設計手冊》，可以得知機床切削功率為5.76kW。按照最大切削力進行分析，在車床達到最大切削速度200m/min的情況下，主切削力Fz能夠達到1728kN。采用標準滾珠絲杠螺母副，能夠使旋轉運動變為直線運動，完成需要零件的加工。根據切削分力和部件重力，可以確定進給抗力，從而完成滾珠絲杠牽引力Fm的計算。針對三角導軌，Fmax=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，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，在負載與轉速呈現出正比關系的情況下，各轉速擁有均等使用機會，因此Fm=（2Fmax+Fmin）/3=974N。伺服電動機最高能夠達到2000r/min的轉速，傳動比為2，工作臺最高移動速度能夠達到4m/min，滾珠絲杠導程Ph為6mm，對絲杠預期額定動載荷Cam進行計算，。nm為電機最高轉速，Lh為預期工作時間，為20000h，fa為精度系數，fc為可靠性系數，fw為負荷系數，分別可取0.8、1、1.2，可以得到Cam=13.7kN。按照要求，絲杠動負荷需要達到一定傳動比要求。根據各項參數，可以進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速得到降低，并且實現較高扭矩輸出。考慮到電動機將保持較高轉速，工作臺維持較低轉速，需要利用齒輪傳動對工作臺進行帶動。因此傳動比i需要滿足轉速和工作扭矩要求，利用步距角θb、脈沖當量δp和絲杠導程Ph進行計算，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。通過驗算可以發現，在規定最大軸向載荷作用下，絲杠保持33r/min速度轉動，在運轉時間達到500h后不會出現點蝕問題。

4 普通車床數控化改造中機械結構設計要點

4.1 主傳動結構設計

對普通車床進行數控化改造，需要做好主傳動結構的設計。實際設計時，應當確保改造后的車床能夠自動變速，并且變速范圍較寬。采用多速電機進行傳統結構改造，能夠滿足這一要求。為了保證電機能夠正常運行，需要加裝1套電機變速系統，拆除原本主軸傳動鏈等結構，利用變頻調速裝置進行主電機替換。在電機主軸位置上，可以利用脈沖編碼器進行主軸位置確認，將信息反饋給控制中心，結合機床運轉情況實現零件加工控制。在電機選擇上，普通車床通常采用步進電機，需要對不同工況下電機等效力矩進行分析，確保選擇的電機能夠達到系統加工精度和速度要求。根據負載力矩，可以確定電機啟動頻率，確保電機能夠直接帶動負載。在可調速范圍內，主軸電機應當維持穩定轉速，以免數控加工過程中出現速度不均問題。在持續負載的情況下，主軸電機也需維持穩定轉速，應當確保電機轉速波動較小。此外，選取的電機應當具有較好散熱性能，以免因長時間工作出現高分貝噪聲或較大振動。

4.2 進給傳動結構設計

在進給傳動結構設計時，還應將原本傳動裝置和操縱結構拆除。在此基礎上，需要在各傳動方向上進行電機安裝，通過實現電機自動控制提高車床生產效率。在機床操縱上，應實現微機控制。在Z軸縱向上，可以在原本絲杠安裝位置進行齒輪箱體的安裝，然后進行滾珠絲杠固定。在X軸方向上，需要完成拖板改造，加強結構精度控制。針對拖板和關鍵傳動齒輪，需要加強二者的間隙控制。通常情況下，可以采用柔性調整方法或剛度調整方法縮小間隙，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 其他結構設計

在普通車床數控化改造中，還應做好刀架、溜板箱等機械結構的改造設計。刀架需要為復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，還應結合數控車床生產需求進行LD4自動回轉數控刀架安裝，確保刀架能夠自動進行重復定位，從而使零件加工準確性得到提高。針對溜板箱結構，還應拆除原本結構，然后在滾珠絲杠上進行新結構安裝。在加工作業階段，結構能夠起到停止主軸轉動的作用，確保刀具能夠正常交換。完成結構改造后，需要對整體機械結構進行檢測，具體需要對車床傳動性能、運行噪聲和主軸進給性能等進行檢測，確保車床運行性能可以達到數控加工要求。

5 結語

通過研究普通車床數控化改造問題可以發現，在車床機械結構設計方面，需要結合車床現狀和工藝參數實現結構的合理設計，提出總體設計方案，然后通過計算驗證完成細部設計，確保設計出的機械結構能夠滿足數控加工生產要求，使車床加工效率和精度得到提高。