CKS7815型雙主軸數控車床的設計制造

馬維新 王 麗

（寧夏新瑞長城機床有限公司，寧夏銀川 750021）

CKS7815型雙主軸數控車床的設計制造

馬維新 王 麗

（寧夏新瑞長城機床有限公司，寧夏銀川 750021）

介紹在設計雙主軸數控車床過程中應注意且必須解決的一些關鍵技術。

雙主軸數控車床 電主軸 雙面刀盤

多軸化、復合化、高速化已成為當今國內外數控車床發展的重要趨勢。它不僅能夠擴大機床的使用范圍，提高機床的使用效率，還能滿足一機多用，一機多能的工藝加工要求。雙主軸數控車床就是其中最具代表性的產品之一。國外知名機床企業在雙主軸數控機床的設計制造上技術已成熟，其產品在我國國內市場占有很大的份額。近年來，我國加大了雙主軸數控車床的研發力度，寧夏新瑞長城機床有限公司為上海汽車齒輪總廠設計制造的CKS7815型雙主軸數控車床是一個很成功的范例。

1 機床總體布局

本機床為機、電、液一體化設計。機床采用了臥式60°傾斜床身導軌形式，具有結構緊湊、布局先進合理、排屑性能好、操作方便等優點。而且便于配置工業機器人，為全自動和無人化生產提供了方便。機床內外防護采用了全封閉框架式結構，很好地解決了三防問題（防冷卻液、油及鐵屑），同時也給機床的維修提供了較大的空間及靈活性。主機部分主要由床身、左主軸箱、右主軸箱、床鞍、縱向進給系統、刀盤、馬達及卡盤油缸裝置等部分組成，機床整體布局見圖1。

2 機床性能特點

本機床為臥式雙主軸數控車床，采用三軸控制。左主軸完成加工后，右主軸可自動完成對已加工部位的夾持，滿足機床對零件未加工部位的車削加工，從而實現零件的完全車削加工。適用于汽車、化工、機電、航天航空等行業零件的加工。機床可對盤類工件和軸類工件進行各種曲面、端面及螺紋的車削加工。實現了工件一次裝夾多工序加工，即實現一機功能集成化，使機床成為真正意義上的高速高效的數控機床。

本機床選用德國SIEMENS810D數控系統，左主軸由11/15 kW的1PH7型交流主軸伺服電動機通過皮帶將動力傳遞到主軸上。右主軸由10.1/13 kW的1PH2型內置式交流電主軸直接驅動主軸。右主軸通過絲杠螺母副在縱向作可編程運動，從而可實現更多可能的加工方案。X、Z1、Z2軸進給系統采用先進的1FK型交流伺服電動機控制。機床縱橫向導軌均采用日本THK生產的2級精度的直線滾動導軌。刀盤裝置由意大利DUPLOMATIC公司的SM型動力刀塔加自行設計的12位雙面刀盤組成，以實現回轉類工件的完全加工。使機床具備動態性能好、無爬行、定位精度高以及性能穩定可靠等特點。

3 機床的關鍵技術

本機床各功能部件布局緊湊合理，外觀造型宜人，功能齊全，排屑方便，三防效果好。機床操縱臺采用旋轉式結構，操作簡單、安全。機床在設計制造中攻克了以下幾個關鍵技術。

（1）主軸。當機床需要配置電主軸時，一般有兩種途徑：一是直接購買成品的電主軸單元。這種方式不但成本較高，而且還可能因規格有限，外形和安裝尺寸難以滿足機床要求，而對機床的整體布局和性能產生不利影響。二是由數控系統供應商提供電主軸關鍵零件，如轉子、定子及冷卻套。其它零件由機床廠自行設計、制造。這樣不僅大幅度降低了成本，同時還能滿足機床的整體布局。本機床電主軸（右主軸箱）就是自行開發設計的，具體結構見圖2。采用德國西門子1PH2型定子、轉子和冷卻套，將其與主軸箱、主軸等零件組裝在一起，通過轉子與主軸的過盈配合，使動力直接作用在主軸上。在設計和制造中需解決兩個技術難點，即電主軸的發熱問題和電主軸的動平衡問題。

電主軸最突出的問題之一是內藏式高速主電動機的發熱。由于主軸軸承離主電動機較近，電動機的發熱會直接降低軸承的工作精度，如果主電動機的散熱問題解決不好，將直接影響機床工作的可靠性。圖3所示為我公司為解決這一難題所設計的高速電主軸的外循環水冷卻系統。在主電動機定子的外面設計了帶螺旋槽的冷卻套（圖2），機床工作時，冷卻水在該螺旋槽中連續流動，將主電動機運轉中產生的熱量及時、迅速地帶走。冷卻水的流量可按主電動機的發熱量進行計算，本機床選用制冷量為3 kW的制冷機。主軸軸承的發熱也是電主軸發熱的另一個主要熱源。由于本機床電主軸的運轉速度最高設為3 500 r/min，主軸軸承發熱不突出，經設計校核沒必要采取油霧潤滑的冷卻措施，采用脂潤滑方式即能滿足使用要求。

電主軸運轉部分微小的不平衡量，都會引起較大的離心力，造成機床的振動，影響加工精度和表面質量。因此必須對電主軸進行嚴格的動平衡。主軸及主軸上的零件都要經過十分精密的加工、裝配和調校，使主軸組件動平衡精度達到0.4級以上的水平。在設計電主軸時，一是必須嚴格遵守結構對稱性原則，鍵連接和螺紋聯接在電主軸上被禁止使用。如圖2所示，電動機轉子與機床主軸之間用過盈配合來實現轉矩的傳遞。過盈量應按所傳遞的轉矩來計算，其值有時高達0.08～0.10 mm。另一個保證主軸動平衡的措施是在主軸上設計一個平衡環，如圖2所示。在平衡環上對稱地加工出16～24個直徑略有不同的螺紋孔（M4或M6）。當電主軸組裝完畢后，根據動平衡機的測試結果，在一定的方位上，旋入相應的平衡螺絲并調節其旋入深度，直到完全達到動平衡精度后，用環氧樹脂將這些平衡螺絲固化。

（2）左右主軸同軸度。為實現盤、套類工件的完全加工，本機床的左右主軸同軸對置，并且右主軸可在軸向移動中進行工件的交換。由于工件的交換是在主軸運轉的情況下進行，這就對左右主軸的同軸度及轉速的同步提出了很高的要求，同軸度允差≤0.01 mm（半徑值）。為解決這個問題，設計時，在右主軸箱體的A、B面上增加鑲條結構，裝配過程以左主軸為基準，分別通過調整右主軸上的鑲條1、鑲條2來調整A、B面，從而達到左右主軸的同軸要求，具體結構見圖4。轉速要100%同步。為解決轉速同步問題，設計時分別在左右主軸上安裝了分辨率為1 024線的增量式編碼器，用于速度反饋。同時還開發了同步主軸功能，設計了同步控制程序，具體程序如下：

經過現場驗證，機床轉速在2 300 r/min以下可完全實現同步。

（3）12位雙面刀盤裝置。由于該機床采用了雙主軸同軸對置和單刀架布局，因此設計刀盤時，必須使該裝置既能加工左主軸上的工件，亦能加工右主軸上的工件。解決方案有兩種：一是直接購買徑向VDI刀盤;另一種是自行設計雙面刀盤。由于直接購買的VDI產品刀盤費用較貴，同時其標準產品的徑向尺寸很難完全符合設計要求，所以決定自行設計雙面刀盤裝置。設計時有以下幾點需注意：①如圖5所示，刀塔必須選用“伸脖式”刀塔，同時還需注意“X”尺寸，以滿足用于加工右主軸上的工件時，刀盤在回轉時刀具不與其干涉;②雙面刀盤上的刀槽應對稱錯位設計，雙面刀槽應一次裝夾同時加工出來，刀槽對刀盤中心孔的對稱度允差≤0.02 mm。

4 結語

該產品經生產現場考驗證明，性能可靠穩定，完全滿足用戶要求，得到用戶好評。本機床減少了零件周轉環節，加工一個成品零件的效率約為單軸數控車床的1.5倍，而機床的占地面積還不到兩臺單軸數控車床的1/2，經濟效益顯著。目前用戶又追加訂購了3臺。該機床的成功開發，不僅為國內重點用戶行業提供了新型高效加工設備，也提升了我公司產品的市場競爭力。

（編輯 呂伯誠）

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Design and Manufacture of Double Spindle CNC Lathe CKS7815

MA Weixin，WANG Li
（Ningxia Xinrui Great Wall Machine Tool Co.，Ltd.，Yinchuan 750021，CHN）

2009－09－02）

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