C1563立式車床進給傳動系統改造設計

王立春，李佳，劉明陽

哈爾濱電動機廠有限責任公司 黑龍江哈爾濱 150040

1 序言

C1563立式車床于1959年引進，已使用60余年，機床在使用過程中只進行過常規大修，機床主體結構件性能穩定，但X軸（滑座橫向移動）和Z軸（滑枕縱向移動）傳動系統老化，齒輪磨損嚴重，精度差，噪聲大，備件無法采購。為恢復機床的正常使用性能，決定對其傳動系統進行改造，重新設計X軸及Z軸傳動系統。

2 原傳動系統簡述

C1563立式車床原傳動系統較為復雜，如圖1所示。

圖1 C1563立式車床傳動系統示意

從圖1中可以看出，在原傳動系統中刀架滑座橫向運動（X軸）和刀架滑枕縱向運動（Z軸）由于都是通過共同的快速電動機（7kW，1335r/min）和進給電動機（6.6kW，27～2700r/min）經由共同的齒輪箱，實現直線進給運動，所以X軸和Z軸直線運動的進給速度范圍和最大速度參數相同。具體如下：X/Z軸進給傳動速度為0.0282～275mm/min，X/Z軸快速傳動最大速度為2400mm/min。

根據機床說明書描述和實際測繪，現X軸傳動系統參數如下：右刀架質量m1=6100kg，右滑板質量m2=3700kg，X軸絲杠長度LB=4982mm，X軸絲杠直徑DB=100mm，X軸絲杠導程PB=10mm，X軸絲杠質量MB=168kg，絲杠材質密度ρ=7.9×103kg/m3。

現Z軸傳動系統相關參數如下：滑枕質量m3≈2000kg，Z軸絲杠長度LB1=3720mm，Z軸絲杠直徑DB=100mm，Z軸絲杠導程PB=10mm，Z軸絲杠質量MB1=126kg，絲杠材質密度ρ=7.9×103kg/m3。

3 X軸傳動系統改造設計

X軸傳動系統擬改造為伺服電動機通過減速箱直接驅動傳動絲杠，通過電動機轉速變化實現進給運動和快速運動。

X軸絲杠擬選用原參數，則相關設計參數如下：X軸快速進給速度V=2400mm/min，切削力FA=50000N，X軸絲杠傾斜角θ=0°，梯形絲杠效率η=0.3，加減速時間t=0.2s，螺母摩擦因數μ=0.3。則減速箱輸出軸速度N=V/PB=2400/10=240r/min。

X軸改造擬選用電動機轉速n為2000r/min，則轉速比為

根據計算結果，考慮到適當放大轉矩，故選擇減速比i=10，將X軸快速進給速度V由2400mm/min修正為2000mm/min。

式中，NM是輸出軸轉速，NM=n/i；J0為選定電動機轉子轉動慣量，計算中忽略。

式中，Sf是安全系數，取值為2。

式中，ηG是損耗系數。

4 X軸改造方案確定

根據計算，電動機額定轉矩已超過100N?m，電動機選型過大，減速箱傳動比為10不能滿足設計要求。原設計傳動比為25，按照此數值重新計算，所需電動機轉矩為45N?m，選用轉矩50N?m電動機即可實現。

若將原絲杠更換為導程為20mm的滾珠絲杠，與傳動比為25的行星減速器配合使用，可以滿足轉矩要求。絲杠導程增加雖然增大了轉矩，但是滾珠絲杠工作效率η=0.9，比原梯形絲杠高出3倍，實際上電動機通過減速箱后所需轉矩會大大降低，滿足使用要求。既然X軸傳動系統選用滾珠絲杠，那么決定對機床進行數控改造，雖然增加改造成本，但會極大地提高機床的精度和效率。

根據以上分析和計算，確定了X軸傳動系統改造方式，即通過伺服電動機驅動行星減速器帶動絲杠旋轉，實現刀架滑座橫向直線運動，通過參照圖樣及實際空間測繪，最后確定的主要部件選型見表1。

表1 C1563立式車床X軸傳動系統改造主要部件選型

5 Z軸傳動系統改造設計及方案確定

Z軸（滑枕縱向移動）傳動系統與X軸是通過共同的快速電動機和進給電動機，并經由共同的齒輪箱實現直線傳動的，由于Z軸絲杠與X軸絲杠直徑和導程參數完全一致，所以Z軸傳動系統設計可以參考X軸，將此傳動系統擬改造為伺服電動機通過減速箱（電動機與減速箱放置在刀架上部）直接驅動滾珠絲杠，通過電動機的轉速變化實現進給運動和快速運動。

Z軸絲杠選用參數同樣參照X軸，根據X軸計算結果，將Z軸絲杠選用滾珠絲杠進行計算，軸擬選用參數如下：Z軸快速進給速度V=2000mm/min，外力（切削力）FA=50000N，Z軸絲杠導程PB=20mm，Z軸絲杠直徑DB=100mm，Z軸絲杠傾斜角θ=90°，滾珠絲杠效率η=0.9，減速箱減速比i=25，加減速時間t=0.2s，螺母摩擦因數μ=0.01。

通過計算，Z軸電動機需要轉矩為TM=55.99N?m。

根據計算結果，Z軸（滑枕縱向移動）傳動系統數控化改造后主要部件主要參數基本可以確定，即伺服電動機額定轉矩需大于55N?m；減速箱減速比為25；滾珠絲杠直徑100mm，導程為20mm。通過參照圖樣及實際空間位置測繪，最后確定具體選型見表2。

表2 C1563立式車床Z軸傳動系統改造主要部件選型

6 結束語

實踐證明，C1563立式車床采用此方案改造后，X軸和Z軸傳動系統恢復正常使用功能，運行平穩可靠，加工精度和加工效率都得到大幅提升，60年的老舊機床通過再制造變成了全新的設備，此次改造獲得了成功。