一種精密數(shù)控絲杠車床的結(jié)構(gòu)特點與技術(shù)性能

2013-12-31 07:17:30李林劉來章路世強武利坡

機械工程師 2013年5期

李林，劉來章，路世強，武利坡

（德州德隆（集團）機床有限責任公司，山東德州253003）

1 引言

目前，傳統(tǒng)絲杠加工工藝是單一工序加工，在專用設備上加工出絲杠螺紋部分，然后再用另一臺機床加工絲杠兩端部分，二次裝夾產(chǎn)生的累積誤差大小完全取決于工人的裝夾水平，造成了絲杠螺紋部分與兩端的不同心。國內(nèi)的絲杠車床母絲杠移動方式都是絲杠旋轉(zhuǎn)螺母移動，這樣由于母絲杠受到扭轉(zhuǎn)力在母絲杠長度方向上任意位置的扭矩變形也不盡相同，造成被加工絲杠的幾何精度下降，螺距誤差很大，且很難控制，完全依賴機床本身的精度，所以傳統(tǒng)絲杠加工設備及工藝制約了我國工業(yè)生產(chǎn)中高新、精密產(chǎn)品的發(fā)展。

隨著各種精密、大型、特種機械設備的發(fā)展，目前國內(nèi)大直徑、長規(guī)格精密絲杠數(shù)控加工設備十分緊缺，且以普通設備、小型設備為主，精密設備及特種設備主要以進口為主，國內(nèi)長規(guī)格及超長規(guī)格絲杠加工設備更是少之又少，我公司針對國內(nèi)絲杠加工設備存在的不足，經(jīng)過反復驗證、測試，研制出了CSK2280 數(shù)控絲杠車床。

2 機床的總體結(jié)構(gòu)布局

圖1 機床外觀圖

CSK2280 數(shù)控絲杠車床是為粗、精加工各種長規(guī)格及超長規(guī)格絲杠類零件而設計的專用機床。該機床采用臥式床身，配置了4 擋變速、擋內(nèi)可無級調(diào)速的床頭箱，既能保證車削螺紋時所需要的低速大扭矩，又能實現(xiàn)車削絲杠支撐位時的高速精加工。機床母絲杠在床體中間，采用絲杠固定螺母旋轉(zhuǎn)式傳動，大幅度減少了由于母絲杠過長產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)引起的誤差，減少了被加工絲杠的螺距誤差，由于螺母旋轉(zhuǎn)力臂較大，使得刀具Z 向進給力成倍增加，大大提高了機床的動力特性。螺母旋轉(zhuǎn)采用交流伺服電機通過同步帶傳動，并配有光柵尺進行位置反饋，進一步提高了被加工零件的尺寸精度，滿足了精密絲杠的加工要求，是大直徑、長規(guī)格絲杠理想的加工設備。

3 機床的主要機械結(jié)構(gòu)及特點

3.1 床身

該機床總體采用臥式布局形式，床身采用整體落地平床身結(jié)構(gòu)，分前后兩節(jié)，每節(jié)5m，由高強度鑄鐵精密樹脂砂鑄造，經(jīng)過三次燜火處理，有效地消除了加工過程中的殘余內(nèi)應力，內(nèi)部筋形布局合理，大大提高了床身整體剛性和穩(wěn)定性。床身導軌采用“一山一矩”式，導軌跨距大，導軌接觸面寬，機床母絲杠在床體中間安裝，避免了傳統(tǒng)的絲杠在機床床身一側(cè)時產(chǎn)生的拖板受力不均和低速爬坡現(xiàn)象。

3.2 主軸箱

該機床主軸傳動系統(tǒng)為寬調(diào)速交流伺服主電機通過同步帶傳到床頭箱，床頭箱采用手動換擋4 擋變速，擋內(nèi)可無級調(diào)速，最大傳動比3/128，在6r/min 時主軸扭矩達到5000N·m，可滿足低速大扭矩切削螺紋的要求，最小傳動比76/225，可實現(xiàn)高速切削絲杠兩端支撐位置，確保工件一次裝夾就完成絲杠螺紋和絲杠支撐軸徑加工，減少了工序轉(zhuǎn)換輔助時間，提高了加工效率。機床主軸軸承采用日本NSK 高精密主軸軸承，定向熱裝配，確保機床主軸具有較高的回轉(zhuǎn)精度。機床主軸還具有C 軸功能（配有高精度編碼器閉環(huán)控制），可實現(xiàn)主軸的任意角度定位、分度、旋轉(zhuǎn)，且機床Z 軸配有光柵尺進行位置反饋，主軸與Z 軸精確插補可實現(xiàn)低速對刀高速切削，兩軸的全閉環(huán)控制，也進一步提高了被加工零件的尺寸精度，滿足了精密絲杠的加工要求。

3.3 拖板進給

圖2 拖板結(jié)構(gòu)圖

拖板部分位于床頭箱與尾座之間，拖板驅(qū)動機構(gòu)位于拖板的上部，通過伺服電機和同步帶帶動母絲杠螺母旋轉(zhuǎn)，從而帶動整個拖板部分沿Z向移動，滑板部分位于拖板之上和拖板驅(qū)動機構(gòu)并列，滑板部分的X 向移動是由伺服電機通過同步帶來實現(xiàn)的，滑板上部的刀架沿Z 向的微動由手輪旋轉(zhuǎn)控制。

機床母絲杠采用絲杠固定螺母旋轉(zhuǎn)式傳動，大幅度降低了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中因母絲杠過長旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角度誤差，所帶來的螺距前后差異。為了提高傳動精度，母絲杠采用德國進口高精度滾珠絲杠（直徑100mm，有效長度9.5m），絲杠螺母旋轉(zhuǎn)采用交流伺服電機通過同步帶傳動，螺母及伺服電機安裝在拖板上，與拖板一起保持隨動，由于是螺母旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)半徑要比絲杠旋轉(zhuǎn)時大很多，受力半徑增大，使得刀具Z 向進給力矩成倍增加，大大提高了機床的動力特性。

3.4 托架

機床具有兩套托架，一套是母絲杠托架，由六個托架均布在床身的全長上，以減少母絲杠的自重撓度變形，保證了母絲杠的直線度。第二套托架為絲杠工件托架，由雙跟刀架和中心架組成，雙跟刀架為整體式結(jié)構(gòu)，跟刀架位于托板之上，橫跨滑板，兩端分別有一對半瓦式保持架，刀具在兩個保持架中間進行切削，有效減少了切削抗力導致的讓刀，大大降低了由于工件過長產(chǎn)生彎曲變形造成的尺寸誤差。兩個中心架分別位于床頭箱與拖板之間和拖板與尾座之間，進一步降低了被加工零件的撓度變形。

3.5 尾座、潤滑

圖3 Z 軸進給結(jié)構(gòu)圖

尾座采用手動頂緊式回轉(zhuǎn)尾座，剛性好且操作方便，通過調(diào)整尾座上體和下體的X 向相對位置可靈活調(diào)整尾座和主軸的側(cè)母線，確保工件外圓車削圓柱度。潤滑部分分別采用油潤滑和集中潤滑方式，將床頭箱潤滑與其他部分潤滑分離開來，床頭箱潤滑單獨配有潤滑泵組、風冷機、液位計等，對床頭箱內(nèi)部的齒輪和軸承進行潤滑和冷卻，機床其他部位的潤滑則靠自動間歇式潤滑泵進行潤滑。

4 機床的主要技術(shù)參數(shù)

經(jīng)過廣泛深入的市場調(diào)研，細致研究各用戶單位提出的設備使用要求，深入分析了用戶典型工件的加工工藝，制定了機床的各項主要技術(shù)參數(shù)，如表1 所示。

5 結(jié) 語

隨著軍工、工程機械、大型重載機床工具、試驗機械等行業(yè)的迅猛發(fā)展，對精密、大型、長規(guī)格絲杠的需求也日益增多，因此，我們于2011 年初開發(fā)了高速、高效、高精度的數(shù)控絲杠車床，該機床的各項主要技術(shù)指標均已達到或接近國外先進水平，但該設備的產(chǎn)品價格相對較低，因此具有較強的市場競爭力和廣闊的市場前景。現(xiàn)在，該設備已在濟南時代試金集團已經(jīng)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)了1.5年，我們將進一步完善該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能，以此為機型，陸續(xù)系列化、模塊化該產(chǎn)品，真正實現(xiàn)了用中國裝備來裝備中國。該機床的成功研制將取代進口機床，給社會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。