CK6163數(shù)控車床主軸特性分析及設(shè)計改進*

趙成剛 郭章信

(①安陽工學(xué)院，河南安陽455000；①安陽鑫盛機床股份有限公司，河南安陽 455000)

用戶在使用CK6163數(shù)控車床中發(fā)現(xiàn)，其主軸輸出轉(zhuǎn)矩、功率特性尚有所不足，與同規(guī)格普通車床CW6163B及經(jīng)濟型數(shù)控車床CKA6163相比較，其主軸加工時在某些轉(zhuǎn)速下主軸輸出轉(zhuǎn)矩不高，車削力量不大，影響了加工效率。本文對其進行理論分析，試圖對其特性改進作一些有益的探索實踐。

1 三種車床主軸轉(zhuǎn)速特性表

CK6163普及型數(shù)控車床標(biāo)準(zhǔn)配置主電動機為變頻電動機YVP160M-4-B3，CKA6163經(jīng)濟型數(shù)控車床、CW6163B普通車床標(biāo)準(zhǔn)配置主電動機為普通三相異步電動機Y160M-4-B3。本類車床加工直徑參數(shù)相同，配置的主軸電動機功率同為11 kW，額定轉(zhuǎn)速同為1460 r/min。三者的主軸轉(zhuǎn)速特性見表1，2，3。

2 主軸轉(zhuǎn)速特性分析

從表1，2，3車床的主軸轉(zhuǎn)速表中可以看到，對于CKA6163及CW6163B兩種車床，主軸轉(zhuǎn)速在32 r/min及以下時主軸輸出轉(zhuǎn)矩是恒定的，分別為2495 N·m和2626.25 N·m。因兩者結(jié)構(gòu)及傳動效率略有不同，低速時最大轉(zhuǎn)矩略有差異，可視為基本相同。同時，主軸轉(zhuǎn)速在32 r/min以上時，兩者主軸輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速上升而下降，但相同轉(zhuǎn)速時基本相同，此時主軸輸出的功率近似是恒定的。

對于CK6163車床，在每一檔變速段內(nèi)，主軸輸出的轉(zhuǎn)矩都是恒定的，輸出的功率卻是線性變化的。在低速段時，CK6163車床主軸輸出轉(zhuǎn)矩明顯比CKA6163及CW6163B車床要低，因此切削加工性能不如后兩者。另外仔細觀察不同主軸轉(zhuǎn)速下輸出矩扭的大小，可以發(fā)現(xiàn)在車床整個調(diào)速范圍內(nèi)，只有在1000、400、160、64 r/min 四個轉(zhuǎn)速時，三種車床主軸輸出轉(zhuǎn)矩近似相等，而在其它轉(zhuǎn)速時，CK6163數(shù)控車床主軸輸出轉(zhuǎn)矩都不如其它兩種車床輸出轉(zhuǎn)矩高。通常，在加工工件時，轉(zhuǎn)速高時，切削力矩會小些，轉(zhuǎn)速低時，切削力矩會大些。CK6163數(shù)控車床在同一檔內(nèi)主軸各個轉(zhuǎn)速下輸出轉(zhuǎn)矩的恒定，使得在同一檔內(nèi)低速下轉(zhuǎn)矩顯得極不夠用，就有可能造成悶車現(xiàn)象。

表1 CK6163車床主軸轉(zhuǎn)速特性表

表2 CW6163B車床主軸轉(zhuǎn)速特性表

表3 CKA6163車床主軸轉(zhuǎn)速特性表

如圖1所示，T為轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線，P為轉(zhuǎn)速-功率曲線。一般來說，車床主軸從最低轉(zhuǎn)速nmin到計算轉(zhuǎn)速nj之間應(yīng)傳遞最大轉(zhuǎn)矩，屬恒轉(zhuǎn)矩范圍。從計算轉(zhuǎn)速nj到最高轉(zhuǎn)速 nmax之間，主軸應(yīng)傳遞動力源的全部功率，屬恒功率范圍。通常恒功率范圍約占主運動總變速范圍的2/3～3/4。對于CK6163數(shù)控車床來說，之所以出現(xiàn)其主軸轉(zhuǎn)速特性不足，原因在于設(shè)計時對主軸電動機特性的不合理應(yīng)用，導(dǎo)致主軸轉(zhuǎn)速特性曲線不太合理。如圖2所示為CK6163數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速特性圖，其中，四段水平粗實線從左至右，依次為 M41、M42、M43、M44四檔變速段下的轉(zhuǎn)速～轉(zhuǎn)矩曲線，因其平行于轉(zhuǎn)速軸線，故在每一檔速度段內(nèi)轉(zhuǎn)矩恒定。四段粗斜線從左至右，依次為M41、M42、M43、M44四檔變速段下的轉(zhuǎn)速-功率曲線。因其為正斜線，故在每一檔速度段內(nèi)，功率與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。由圖可見，CK6163顯然是只應(yīng)用了主軸電動機的恒轉(zhuǎn)矩段，沒有應(yīng)用其恒功率段，其主軸轉(zhuǎn)速特性曲線也就沒有恒功率段。

3 主軸轉(zhuǎn)速特性改進設(shè)計

CK6163數(shù)控車床主軸調(diào)速采用的方式是利用變頻電動機分四檔檔內(nèi)無級調(diào)速，其合理的主軸轉(zhuǎn)速特性應(yīng)與CW6163B及CKA6163數(shù)控車床基本一致。這樣，主軸轉(zhuǎn)速范圍中應(yīng)存在1/3或1/4低速段內(nèi)主軸輸出轉(zhuǎn)矩恒定，其余轉(zhuǎn)速段內(nèi)主軸輸出功率恒定或近似恒定。因此，為改善主軸輸出特性，應(yīng)合理分配主軸恒轉(zhuǎn)矩輸出與恒功率輸出的范圍，應(yīng)盡可能選取電動機的恒功率工作段作為對應(yīng)的主軸恒功率輸出變速工作范圍，只在最后一段的低速檔可適當(dāng)保留一段恒轉(zhuǎn)矩輸出變速段。有時由于電動機可用的調(diào)速范圍不夠?qū)挘部蛇m當(dāng)采用一小段恒轉(zhuǎn)矩變速段以增加調(diào)速范圍，但應(yīng)保證對主軸輸出特性影響不大。如果采用電動機恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速段太大，則應(yīng)加大電動機功率以對其應(yīng)達到的設(shè)計性能進行補償。

由于機械部分變速公比ΨF已確定，ΨF=1000/400=2.5，因此應(yīng)取變頻電動機工作變速范圍至少為2.5。為避免高速出現(xiàn)噪聲以及符合原機床設(shè)計主軸變速范圍，最高轉(zhuǎn)速盡可能與原電動機所取最高轉(zhuǎn)速一致，即1500 r/min。原配置變頻電動機為YVP160M-4-B3，額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，所應(yīng)用的電動機最高轉(zhuǎn)速為1500 r/min，沒有應(yīng)用恒功率調(diào)速段。考慮到高速時易出現(xiàn)噪聲問題也不宜應(yīng)用1500 r/min以上的恒功率調(diào)速段。因此，應(yīng)重新選用額定轉(zhuǎn)速較低的電動機作為主軸電動機。如選用以下電動機：YVP160L-6-B3，額定轉(zhuǎn)速為1000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為4000 r/min；YVP180L-8-B3，額定轉(zhuǎn)速為750 r/min，最高轉(zhuǎn)速為 3000 r/min；FANUC α22/6000iP 主軸伺服電動機，額定轉(zhuǎn)速為750 r/min，最高轉(zhuǎn)速為6000 r/min等。這里，以選用α22/6000iP主軸伺服電動機為例進行分析。電動機額定功率為11 kW，在變速時選用其工作范圍為：600～1500 r/min。

表4 CK6163采用主軸伺服電動機α22/6000iP時主軸特性表

表4為改裝后CK6163采用α22/6000iP主軸伺服電動機時主軸特性表。

圖3為改裝后CK6163采用α22/6000iP主軸伺服電動機時主軸特性圖。圖中從左至右，依次為M41、M42、M43、M44四檔變速段，轉(zhuǎn)速 ～轉(zhuǎn)矩曲線 T41、T42、T43、T44 和轉(zhuǎn)速 -功率曲線 P41、P42、P43、P44。

從圖3中可以看到，雖然采用主軸伺服電動機后，主軸特性曲線仍不是最理想曲線，但較原配置車床主軸特性，其各檔內(nèi)低速轉(zhuǎn)矩明顯提升，基本上接近CKA6163數(shù)控車床。如果對皮帶傳動進行更大一些的減速設(shè)計，選擇電動機工作的調(diào)速范圍時還可以向更高速度段上靠近，可以得到更為理想的主軸特性曲線。值得注意的是，在對主軸電動機進行重新選配時，其額定轉(zhuǎn)速降低，但其額定轉(zhuǎn)矩提高，輸入主軸箱的轉(zhuǎn)矩也增大，故應(yīng)對主軸箱傳動部件進行校核。另外，還應(yīng)注意安裝電動機的空間位置是否能夠安裝下新的電動機。經(jīng)計算，只需對主軸箱Ⅲ軸略微加粗即可滿足要求，電動機安裝空間也足夠容下所選伺服電動機。

表5 CK6163數(shù)控車床設(shè)計改進前后最大轉(zhuǎn)矩切削試驗數(shù)據(jù)

在經(jīng)過上述改進后，對CK6163數(shù)控車床進行最大轉(zhuǎn)矩切削試驗。試驗數(shù)據(jù)見表5。

從表5可以看出，顯然經(jīng)過改進后，轉(zhuǎn)矩為改進前的1.7倍，主軸特性得到了很大改善，從而驗證了以上的改進與分析結(jié)論是完全正確的。

以上所探討的是不改變原傳動結(jié)構(gòu)的情況下對CK6163數(shù)控車床進行的改進設(shè)計方案。增大主軸電動機功率雖可提高主軸輸出轉(zhuǎn)矩但浪費能源并不可取。重新設(shè)計主軸箱也可以對主軸輸出特性進行更好的改善，這里不再贅述。

4 結(jié)語

數(shù)控車床主軸特性是機床的主要性能指標(biāo)之一，是機床的內(nèi)在品質(zhì)。主軸特性不理想，不是簡單增大電動機功率那么簡單的事，正確選擇主軸電動機是保證主軸特性的重要環(huán)節(jié)。合理分配主軸恒轉(zhuǎn)矩輸出與恒功率輸出的范圍，應(yīng)盡可能選取電動機的恒功率工作段作為對應(yīng)的主軸恒功率輸出變速工作范圍，只在最后一段的低速檔可適當(dāng)保留一段恒轉(zhuǎn)矩輸出變速段，是較好的選擇方案。

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