臥式重型數控車床的設計

隋連香 王 晶 劉麗芳

（①沈陽理工大學，遼寧沈陽110168;②沈陽機床集團公司，遼寧沈陽 110142）

數控機床既是國防工業現代化的關鍵技術裝備， 也是國際制造業技術和商業貿易的重要構成［1］。而面對我國航空、航天、核電、風電、船舶等國家重點領域的重大工程項目對關鍵加工裝備的迫切需求［2］，發展大型、重型高檔數控機床意義非凡。該車床正是為了滿足加工技術的快速發展要求而設計的加工設備。本機床主要用于加工各種大型或超大型軸類和盤類工件，可以車削各種螺紋、圓弧、圓錐及回轉體的內外曲面，能夠滿足黑色金屬及有色金屬高速切削的速度需求，也適合于汽車、摩托車、船舶、航天和軍工等行業對轉體類工件進行高效、大批量、高精度的加工。該車床的研制，不論對企業還是對國家都有不可估量的重要意義。

1 機床總體設計

1．1 整體結構

為加工各種大型或超大型轉體類工件，本機床床身采用臥式放置，其上裝配有主軸箱、尾臺、X軸/Z軸進給機構、刀架、中心架、輔助支架、液壓系統等主要部件，并采用框式刀架結構。機床總體結構簡圖見圖1。

1．2 主要部件結構

（1）床身

該機床床身采用內部筋形布局，有較高的剛性。導軌及復導軌面均采用中頻淬火磨削工藝，淬硬層深2～3 mm，硬度達52 HRC以上。在滑動導軌面處采用貼防爬行導軌板等工藝措施，使進給系統的剛度、摩擦阻尼系數等動態特性處于最佳狀態，避免了低速爬行現象的發生。床身采用多段接駁而成，連接處有螺栓及銷釘，使連接處有較高的連接剛性和定位精度。

（2）主軸箱

該機床主軸箱是用直流電動機驅動，其傳動過程采用:主電動機—皮帶傳動—齒輪變速的傳統傳動方式［3］，并通過液壓油缸來實現變速的傳動結構。本機床有2檔轉速，第1檔轉速為1～74 r/min，第2檔轉速為3～200 r/min，每檔內都可實現無級變速。油缸有3個位置，每個位置對應1個固定齒輪（其中有1個位置為空位，空位時可手動轉動卡盤），從而實現了2級轉速。主軸的正反轉及剎車是由主伺服電機的正反轉及起?？刂频?。

（3）尾座

該機床尾座為電動、手動操作雙能尾座。結構見圖2。

①尾座移動與鎖緊 尾座沿床身在Z軸方向整體移動與鎖緊。移動由電動機6拖動一套齒輪傳動機構來實現;也可用四方扳手搖動接口4，來實現尾臺的移動。尾座配有4個液壓鎖緊油缸，在尾座到達指定位置后泄壓，由碟形彈簧拉緊拉桿使尾座鎖緊于床身上。

②尾座頂尖伸縮與頂緊 可以通過機床控制系統發出指令使得電動機5正反轉，通過傳動機構拖動尾座套筒的伸縮和頂緊;此外也可以通過推動手輪1與蝸桿軸離合器嚙合，搖動手輪進而帶動套筒和頂尖伸出或者反向旋轉帶動頂尖縮回;實際操作過程中可以依據尾座上壓力指示牌所給定的數據確定尾座套筒頂緊力大小，尾座套筒頂緊或者停止視壓力表是否達到實際工況需要而定;板手接口2是用來鎖緊尾座套筒的。

（4）液壓系統

由于液壓傳動具有輸出力大、重量輕、慣性小、調速方便和易于控制等優點，在完成和提高數控機床性能方面發揮著不可替代的作用［4］。本機床分別對主軸箱齒輪變速、液壓卡盤的夾緊與松開、潤滑和尾座的定位采用了液壓控制。該液壓系統由油箱、泵組、操縱板和閥等組成。液壓系統壓力16.5 MPa。液壓站采用HL－46號液壓油，油液的清潔度為9級。

（5）X軸和Z軸進給運動

Z軸進給運動采用雙電動機消隙結構，即2臺伺服電動機分別直聯2個減速器，減速器前端安裝有齒輪，通過齒輪與安裝在床身上齒條的嚙合來實現Z軸進給，同時通過電氣參數控制2臺伺服電動機的同步運動，實現兩個齒輪分別向兩側靠緊齒條齒面，從而達到消除反向間隙的作用;床鞍上的刀架沿床鞍在X軸方向移動是由X軸伺服電動機經皮帶輪及皮帶連接滾珠絲杠驅動的，并配備國外進口的高精度滾珠絲杠，以確保高精度，且傳動準確。

2 機床主要技術參數

最大加工工件直徑/mm:3 200;

最大切削長度/mm:5 000;

最大切削直徑/mm:3 200;

主軸轉速范圍/（r/min）:1～200;

X軸快移速度（m/min）:5;

Z軸快移速度（m/min）:6;

X軸行程/mm:1 250;

Z軸行程/mm:5 000;

液壓系統壓力/MPa:16．5。

3 控制系統及加工過程

3．1 控制系統

本機床CNC控制系統采用法國NUM1050，伺服驅動為MDLU全數字式，具有精度高，運行速度快等特點。

3．2 加工過程

機床啟動，X、Z兩個方向的運動部件移至機床零點，啟動預先編好的加工程序，機床各部件將按自動的指令運動，對被加工件進行加工。當加工空間曲面時，X、Z可以聯動完成對空間曲面的加工。加工完畢后，各軸退回到零點位置，刀具和主軸停止轉動，等待下一個工件的加工。

4 結語

該重型數控車床不僅可以完成各種螺紋、圓弧、圓錐及回轉體的內外曲面的加工，并能滿足黑色金屬及有色金屬高速切削的速度需求，尤其解決了各種大型或超大型回轉體類工件在加工中存在的高效、大批量、高精度的問題。該機床投入使用后，已加工出多種應用在汽車、摩托車、船舶、航天和軍工等行業的大型回轉體類零件，機床運行狀況穩定，工作可靠，完全滿足了機床的設計要求。

［1］薛志紅，宋博，李曉峰，等．大型平床身數控車床主電機功率的設計［J］．裝備制造技術，2008（7）．

［2］方雄文．立式加工中心產品的發展趨勢［J］．制造技術與機床，2009（12）:47－49．

［3］張惠敏．五軸聯動數控機床的設計［J］．機床與液壓，2010（8）．

［4］劉樂平，董啟政，鄧國洪，等．高速高精數控車床液壓系統的設計［J］．液壓與氣動，2011（7）．