試論機床機械結構和性能優化

朱江

摘要：在數控技術不斷發展的背景下，結合數控機床的結構特點、控制方式、生產率、加工精度和壽命等方面的要求，對機床機械結構和性能作進一步的優化。分析了機床機械的結構特點，并對其結構和性能的優化措施進行分析。

關鍵詞：機床；機械結構；性能優化；加工精度

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）09－0062－02

數控機床與機床相比，在機械結構上并沒有很大的區別，只是對刀架、自動變速等幾個部分作出了改變。隨著數控技術的不斷發展，人們對機床的工作效率、加工精度和使用壽命等有了更高的要求，這就必須要在原有的基礎上對其結構和性能進行優化，對機床進行更深層次的研究。

1數控機床機械結構特點

1.1生產自動化

在數控機床中，采用了性能更好的伺服傳統系統和無機變速主軸，在應用過程中有效地提升了機床的傳動結構性。數控機床的運行主要是由數據系統發出指令，對機床運行速度、刀具運動、主軸轉速和其他輔助機能進行優化控制。伺服系統在機床上的應用是以主軸的調速結構來支持主軸的自動變速運行，基本上取代了普通機床的進給系統。從數控機床的結構特點來看，因為系統的更換使得部分零件減少，比如電動機與主軸與滾珠絲杠等之間進行連接，減少了軸承、齒輪等零部件的應用，使整個設備結構更簡單。

1.2高新技術化

為了更好地提升機床的運行精度和穩定性，數控機床運用了更多的高新技術，例如通過強化靜態剛度和動態剛度等技術來提升機床自動化的運行水平，并且還可以保障設備的耐磨性能。越來越多的無間隙傳動裝置和元件被應用到數控機床中，比如靜壓導軌、滾珠絲杠副等。這些不但可以降低進給系統阻力，提升運行效率，同時還可以提高設備運行的穩定性，提高設備的生產精度。

1.3無人操作發展

數控機床的應用逐漸實現了無人化加工。要想達到此目標，功能集成、工藝復合是基本要求，同時，它也是數控機床的重要特征之一。在進行產品加工時，通過一次性裝料來實現銑、銼和鉆等多道加工工序，對產品加工工序進行了有效的調整。而機床內含有的自動潤滑裝置、動力刀架和自動排屑裝置是實現這一目標的基礎，它們的存在實現了設備生產的柔性化和無人化。另外，將車、磨、銑、鉆等工藝融合其中，可以對產品進行更深層次的加工，同時，還可以增強機床的附加值，將越來越多全新的機械設備部件投入到使用中。

2機床機械結構優化分析

2.1提高機械設備靜態和動態剛度

數控機車運行主要是以數據系統輸入的指令為生產依據，在機械加工的過程中，不能對產品的幾何精度和變形產生的誤差進行人為調整，因此，必須要將機械結構部件產生的彈性變形控制在最小響度內，以保證加工表面的質量和精度滿足要求。機械結構剛度的提升主要可以分為主軸剛度、接觸剛度、動態剛度和機床大件的剛度，通過提升機床的剛度使設備發揮出更高效的加工能力。對主軸剛度的提升，可以采用三支撐結構，或選擇剛性比較好的雙列短圓柱滾子軸承和角接觸向心推力軸承，以此來降低主軸徑向和軸向發生的變形。而對于動態剛度的提升，最常見的措施就是提高機械系統的剛度、調整構建自振頻率、增加阻尼等。另外，鋼板的焊接結構不但可以實現結構靜態剛度的提升和結構重量的減輕，同時，還可以增加構件本身的阻尼，這些方法現在多用于機床鋼板焊接結構中。

2.2降低機床熱變形

在機床運行過程中，內部因產生大量的熱而發生熱變形，為了提升機床運行效率，必須要將熱源從主機內分離出去。對機床熱源的控制可以通過散熱和冷卻的方式來控制溫度的上升，以降低熱源對設備運行造成的影響。在所有降低熱源的手段中，以冷卻機床發熱部位最為有效，通過冷卻使機床各個部位的溫度保持一致，減少受溫差影響而形成的翹曲變形。通過改變機床的機械結構，也可以有效降低熱源，例如盡量減小主軸中心與主軸向地面的距離，減少熱變形的總量，將主軸箱前、后升溫程度控制在同一范圍內，避免主軸受熱變形出現傾斜的現象。

3數控機床性能優化措施

3.1主軸部件優化

要對主軸部件進行優化，要做到以下三點：①機械前、后支撐應選用不同的軸承，這樣可以有效地提升機床主軸的綜合剛度，滿足產品強力切削的施工要求。其中，前支撐可以選擇雙列短圓柱滾子軸承與60°角接觸雙列向心推力球軸承的組合；后支撐選擇成對向心力推力球軸承。②選有單、雙列圓錐滾子軸承，因為其具有剛度高，承重強和安裝、調試方便等特點，所以，它也成為了優化機床性能的方式之一。但是，這種軸承在一定程度上會對主軸的最高轉速和精度產生影響，主要適用于中度精度、低速等數控機床。如果選擇這種方式對機床機械性能進行優化，應在主軸的機構上處理好卡盤、刀架裝夾、軸承定位、主軸卸荷等問題。③前軸承選擇高精度雙列向心推力球軸承，因為其具有良好的運行速度，主軸最大轉速可以達到4 000 r/min。但是，這種方式承載力比較小，只適用于高運行速度、輕荷載和緊密的數控機床。

3.2主傳動運動變速系統

在主傳動運動變速系統中，要注意以下三點：①可以選擇大型機床比較常用的變速齒輪主傳動方式。在運行過程中，主要是通過少數的齒輪減速來擴大輸出扭矩，以此來滿足主軸對輸出扭矩特性的要求。將這種傳動方式運用到小型機床上，可以獲得強力切屑所需扭矩。②以皮帶傳動的主傳動。這種方式適用于小型數控機床上，它能夠有效改善設備運行產生的噪聲和振動。③以調速電機直接驅動的主傳動。這種方式在原有基礎上對主軸箱體和主軸結構進行了簡化，有效地提高了主軸部件的剛度。這種主傳運動方式雖然受主軸輸出扭矩的影響較小，但是，電機發熱會對機床的精度造成一定影響。

4結束語

數控機床都是通過向數據系統內輸入指令來進行產品加工的，在加工過程中，不需要操作者參與，這就對機床機械結構的精度和性能有了更高的要求。為了保證機床設備能夠滿足生產要求，應做好對其結構和性能進行優化的工作，以保證設備能夠持續、穩定的工作，滿足持續、重復的加工需求。

參考文獻

［1］趙軍華，李小強，曹和平.淺析對數控機床機械結構的要求［J］.黑龍江科技信息，2011（22）.

〔編輯：白潔〕

On the Mechanical Structure and Performance Optimization Tools

Zhu Jiang

Abstract: In the context of CNC technology development, combined with the structural characteristics of CNC machine tools, control, productivity, precision and service life requirements, structure and mechanical properties of the machine for further optimization. Analyses of the structural characteristics of machine tools, and analyze its structure and performance optimization measures.

Key words: machine tools; mechanical structure; performance optimization; machining accuracy