軸承套圈專用倒立式數控車床設計

章泳健，潘 毅，毛仲武，董 強，包軒庭

(1.常熟理工學院 機械工程系，江蘇 常熟 215500；2.常熟長城軸承有限公司，江蘇 常熟 215500)

在軸承行業，為了提高軸承套圈的加工精度和效率，以數控車加工代替普通車削甚至磨削加工已成為套圈加工的一種趨勢。但由于軸承材料的特殊性，車削加工往往要求數控車床的整體結構剛性好、主軸低轉速大扭矩，同時還要求機床要有良好的經濟性，而這也正是通用數控機床所不能完全滿足的。而對于車削外徑在200 mm以上的大型軸承外圈，由于受臥式數控車床本身結構的限制，在機床回轉半徑、結構剛度及裝夾精度等方面已很難滿足要求，因此必須采用特殊的機床結構來解決上述問題。

1 設計目標

根據中、大規格軸承套圈精密車削的要求，在軸承套圈專用臥式數控車床的設計經驗基礎上，制訂了具體的設計目標：采用主軸倒立式結構，以實現工件的自動抓取和裝夾；刀架采用固定式多工位轉塔結構，最多可實現12把刀具在加工過程中的自動切換，實現端面、外圓車削及鏜孔等一體化加工；機床的主運動具備低速大扭矩的特征，要求主軸轉速在50～200 r/min時的轉矩滿足300～600 N·m的輸出要求；機床x/z向的移動速度可達到20 m/min，以達到快速高效的目的。機床總體性能指標如表1所示。

表1 機床總體性能指標

2 設計方案

2.1 總體結構

機床總體結構設計是機床先進性的基礎[1]。根據倒立式數控車床的設計目標，確定了如圖1所示的機床總體結構方案。機床主體部分主要由床身與立柱兩大部分組成，按主軸移動、刀架固定的結構配置方式，主軸通過拖板豎直倒置安裝在立柱導軌上，通過z軸滾珠絲杠機構和電動機驅動，使主軸沿立柱作上下移動而形成z軸運動；刀架固定安裝在床身的左前側，刀具在刀架盤上沿徑向裝夾，立柱設計為可移動式，由安裝在床身上的x軸滾珠絲杠機構和電動機驅動，沿床身導軌作水平移動，進而形成機床的x軸運動。

1—刀架；2—床身；3—導軌；4—z軸傳動；5—立柱；6—x軸傳動；7—主軸；8—上下料及輸送平臺圖1 倒立式車床主體結構

主軸端部安裝有彈性液壓卡盤，當工件輸送到裝夾位置后，主軸可移至該工件上方并繼續通過z軸運動將工件壓緊，再利用液壓卡爪實現工件的定位夾緊。通過程序控制，主軸可順利地對工件進行自動抓取和裝夾。為了實現低速大扭矩特征，主軸采用獨立的傳動裝置，考慮到空間布置問題，立柱采用開放式箱體結構。而由此帶來的立柱結構剛度下降問題，通過對結構的合理設計與布筋來解決。

總體結構設計充分考慮了軸承套圈的加工特點及床身上工件上、下料和輸送平臺的設計。在床身右側開設輸送孔，雖然對床身的剛度不利增加了設計難度，但極大地方便了在多臺機床間的多工序自動連接的實現。通過對機床設定合理的時間節拍，經由輸送孔及工件輸送機構，兩條或多臺獨立的數控車床組成一個可自動完成整個軸承套圈的柔性制造單元。

2.2 關鍵部件設計與選用

導軌是影響機床運行精度及動態響應性能的重要零部件。在對機床進行動力學計算的基礎上，選用了運動精度高、承載能力大的裝配式直線滾動導軌，使機床在具備較大承載能力的同時，也具有運動輕便靈活、精度保持性好、低速運動平穩性好、移動及定位精度高等一系列優點。

目前數控機床普遍采用的伺服主軸或電主軸無法直接滿足主軸低轉速大扭矩的要求。根據中、大型軸承套圈的車削工藝特點，在主軸與電動機之間加入了一個二擋變速裝置，選用高精度高剛性主軸與大功率交流伺服電動機組合，結合ZF變速箱的自動變速，有效地解決了這一問題。滿足了主軸轉速在50～200 r/min時的轉矩達到300～600 N·m的要求。兩擋變速后主軸的功率及轉矩特征曲線如圖2所示。

圖2 主軸兩擋變速的M(n)，P(n)曲線

主軸倒立式布置后，z軸滾珠絲杠及電動機不僅要承受z軸方向的切削載荷，還要承受來自主軸、變速箱、電動機、拖板等零件的自重。因此，z軸傳動系統的平衡方案對于機床運動精度及高速運動穩定性至關重要。但在立柱后布置配重塊，通過拖鏈與拖板相連，與主軸系統自重平衡的方法會增加立柱自重，降低其動態響應能力，同時對立柱快速移動過程中的穩定性及可靠性帶來負面影響。因此，采用了如圖3所示的液壓平衡油缸配合囊式儲能器的平衡方式，實踐證明，采用這種平衡系統，不僅可減小z軸伺服電動機的載荷，延長z軸滾珠絲杠的使用壽命，同時也可確保立柱x向的快速移動。

圖3 儲能式液壓平衡油缸

3 數字化設計中的關鍵技術

3.1 TOP-DOWN設計方法[2-4]

首先，在總體功能需求確定后對機床進行概念設計，完成如圖4所示的機床主體結構布局及如圖5所示的包含裝配結構的骨架模型。在機床概念化設計模型基礎上，再將設計分解為床身裝配、立柱裝配、xz軸防護及外防護裝配等相對獨立的子系統，并在各級子系統的裝配體中再細分為零件及子裝配體等。最后，在各相對獨立的設計子系統中采取逐步細化設計的方法來完成整個設計。

圖4 機床主體結構的布局圖

圖5 機床的裝配結構與骨架模型

3.2 三維數字化幾何建模技術

機床的三維數字化幾何建模，可以建立機床的完整幾何模型。由于實體模型具有幾何唯一性，因此，可以精確地獲得模型的一些物理特性，如重心、質量、慣性矩等，避免了傳統設計中對這些量的復雜近似估算，同時，還可以進行零部件間的干涉檢查，以保證裝配模型的正確性。所以，即使由于建模的復雜性等原因，在建模過程中采取了曲面造型方法構造了一些非封閉的面體，最終的機床各部分模型仍可轉化為封閉的實體。例如在床身排屑槽的構建時，各斜面相交處的結構必須通過面的裁剪、拼合來實現，所以先采用曲面造型方法單獨構建各面，再通過裁剪、合并等操作將其轉化為實體(圖6)。

圖6 排屑槽的造型設計

由于采用TOP-DOWN設計方法，各設計子系統在總裝配中的位置是由骨架模型確定，所對應的子裝配間不需要再定義裝配約束。但在建模中需注意：由骨架確定的結構，其特征尺寸應由總體布局中確定的參數來驅動，在特征建立時必須與骨架模型相關聯。具體可在定義特征時，通過參考骨架幾何中的點、線、面或在截面草繪中復制骨架輪廓等方法來實現。在骨架模型中沒有確定的尺寸，則可處理為零件的內部參數，由設計者根據各種設計約束條件來確定。如床身基礎特征中的長度、高度、寬度尺寸均與骨架中反映的床身的總長、總高、總寬的線條相關聯，而床身在各處的壁厚則根據具體的設計要求及規范來確定。在特征設計過程時，必須遵循先整體后局部的原則。先定義具有整體性的特征，然后再定義各局部的細節特征，以方便后續的修改與設計變更。相關或相同的特征盡量通過復制、鏡像、陣列的方法來定義，以提高設計效率，同時也提高了模型的可修改性。

3.3 三維數字化仿真技術

機床的精度和動態特征與床身、立柱的設計有很大關系。借鑒以往機床設計的經驗，將床身和立柱均設計為穩定性較好的箱體類結構，并使用HT250灰鑄鐵整體鑄造成形。使其不僅具有足夠的強度與靜剛度，還具有良好的阻尼特性，提高結構的抗振性能。

圖7 床身與立柱的一階模態圖

4 結束語

(1)該數控車床采用高精度高剛度主軸與大功率交流伺服電動機的組合，結合ZF變速箱的自動變速功能，滿足了主軸轉速在50～200 r/min時轉矩達到300～600 N·m的要求。

(2)新設計的主軸倒立式數控車床由于采用豎直裝夾方式，不僅可以實現工件自動裝夾，而且可保證零件的加工精度，非常適合用于中、大型軸承套圈的車削。

(3)設計時考慮了多工序、多機床的連接，能方便地組成數控車削柔性單元，提升軸承套圈制造的專業化水平。