一種數控車床的開發

張金軍，王天宇，楊迪

（沈陽機床股份有限公司，遼寧沈陽110142）

一種數控車床的開發

張金軍，王天宇，楊迪

（沈陽機床股份有限公司，遼寧沈陽110142）

本文介紹了一款智能數控機床，平床身結構，采用直線導軌，Z軸與尾臺共軌設計，配備C軸、動力刀架和立式伺服刀架，采用改進的尾臺設計，并介紹了其開發過程。

智能車床；共用導軌；伺服刀架

在上個世紀，普車CA6140可謂是一代經典車床，任何機械廠都有它的身影，是機械零件主要的修配工具。隨著數控技術的飛速發展，普車已經逐漸淡出市場[1]，數控車床的應用范圍在不斷擴大并不斷發展以適應生產加工的需要[2]。數控車床種類繁多，本文將介紹一款智能數控車床，它基于市場和用戶的需求，專為各類機械企業修配零件量身打造。

1 機床定位

本機床定位為通用數控車床，適合各類中小零件的車削、銑削、鉆削、內外螺紋加工，加工范圍廣、適應能力強，既可實現單一零件批量高效加工，也可實現各類零件的修配加工，操作簡單，方便維護，適應各類工廠、車間的加工和修配作業。

本機床的定義源于用戶需求，機械零件加工和裝配企業都有設備維修維護部門，因此需要一種操作簡單、易于維護、能夠實現多種加工工藝的機床，機床應具備以下條件：

（1）操作簡單，易上手，操作工只需簡單培訓即可使用。

（2）加工范圍廣，可實現車削、銑削、鉆削、內外螺紋加工等多種加工工藝。

（3）精度、穩定性和可靠性好[3]，易維護。

（4）價格低。

2 機床結構及特點

（1）本車床由電氣系統、機械系統、冷卻系統、潤滑系統、液壓系統等組成，采用平床身機構，如圖1所示。Z軸伺服電機通過絲杠驅動床鞍在床身上左右移動做Z向運動，X軸伺服電機通過絲杠驅動滑板在床鞍上前后移動做X向運動，立式伺服刀架和動力頭通過螺栓固定在滑板上，主軸箱固定在床身上，主伺服電機嵌入到床身中，通過V型皮帶驅動主軸旋轉，尾臺與床鞍共用Z軸直線導軌，通過滑塊與床身連接。

圖1 數控車床結構圖（去掉外防護）

（2）如圖2所示，床身采用先進的工藝方法進行精鑄，大大提高了剛性和穩定性，整體尺寸誤差為1 ~3 mm，最大程度保證鑄造與設計尺寸一致性；采用極簡原則進行設計，便于加工和裝配，床身底部呈漏斗狀，方便排水排屑。床身結構簡單，優化了主軸箱安裝面、電機座安裝面、Z軸導軌安裝面等主要加工面，大大降低了加工難度，并更容易保證加工精度。

圖2 床身外觀圖

（3）經濟型平床身數控車床X、Z軸通常采用滑動導軌，易磨損劃傷，修復困難。本機床做了重大改進，X、Z軸采用進口直線導軌，保證整機定位精度及重復定位精度，響應速度快，易維護。

（4）本機床的另一項重大改進是床鞍與尾臺共用Z軸直線導軌，如圖1所示，定制8滑塊雙導軌，從根本上解決了Z軸與尾臺的平行度問題，大大降低了加工成本和裝配難度，提高了機床的穩定性。

（5）尾臺與床鞍共用線軌帶來的一個難題就是尾臺的鎖緊問題，本機床在尾臺滑塊之間安裝改進的手動鉗制器，通過夾持Z軸導軌，實現尾臺的鎖緊，鎖緊力達40 000 N.

圖3 尾臺

（6）滑板上集成立式四工位伺服刀架、動力頭，如圖1所示，可實現車削、銑削、鉆削、內外螺紋加工等多種加工工藝；動力頭可快速拆卸，選配排刀板，如圖4所示，針對小型零件，最多可實現7把刀加工，適應性強。

圖4 刀架布局圖

（7）主軸帶C軸功能，配合動力頭實現法蘭鉆孔、剛性攻絲、鍵槽等多種加工工藝，進口主軸單元，可實現4 000轉高速高精加工。

（8）改進的尾臺設計[4]，尾臺整體鑄造，前置手輪，如圖1所示，具有高剛性和穩定性，操作更加便捷等優點。

（9）采用模塊化設計[5]，實現C軸功能、尾臺、液壓站、動力刀架、排刀板、全防護和半防護的選配。

（10）采用智能數控系統，可實現智能編程、智能故障診斷，大大降低操作難度，與互聯網無縫連接，實現遠程監控、基于云平臺的互聯網制造等功能，實現加工的智能化、網絡化。

3 主要參數

本機床的主要設計參數如表1所示。

表1 機床主要設計參數

4 樣機測試

對樣機進行了多項測試，由于篇幅所限，在此摘取部分數據，進行說明。

（1）動剛度測試

采用相對激振的方法，首先使用力錘對機床主軸單個方向依次進行激勵，同時使用加速度傳感器在激勵點進行響應測量，測得頻率響應函數。機床刀架、尾臺使用同樣方法測試。機床動柔度測試如圖5所示。

圖4機床動柔度測試

主軸的測試是使卡盤夾緊一段工件，在工件遠離卡盤端部按機床X、Y、Z三方向分別激勵，同時在激勵點激勵方向測量響應。

刀架的測試是在刀架上無刀的狀態下激勵刀架夾刀塊的三方向；響應尾臺的測試是在激勵尾臺頂尖固定處的三方向，表2為機床動柔度測試結果，表中數據可以看出三軸各方向的動柔度都比較小，也就是說動剛度都比較大沒有明顯的薄弱環節。

表2 機床動柔度測試結果

（2）切削振動測試

本次測量兩臺車床主軸、刀架及床身在切削外圓時的振動情況，主要考察機床振動性能。

測試時采用主軸轉速分別為500 rpm、1 000 rpm、1 200 rpm以及1 500 rpm，同時切深由1 mm逐步增加到4 mm，進給量為0.3 mm/n.

通過表3測試數據分析，無論主軸轉速如何，當切深達到2.5 mm時刀架的振動數值急劇上升，而在大切深時主軸和床身的振動數值卻沒有明顯增加，這說明刀架的剛度是制約車床進行大切深工作的瓶頸，與之相比，主軸和床身的剛度要遠遠好于刀架。

表3 車床外圓切削振動速度

（3）其它測試

樣機還進行了細長軸切削測試、重切功率測試、鉆孔功率測試等多項測試，由于篇幅所限，在此不一一例舉，通過以上各項測試，各項性能均達到設計要求，說明機床結構合理，床鞍和尾臺共用導軌、尾臺使用鉗制器鎖緊穩定可靠。刀架是整個機床剛性的薄弱環節，是后期機床改進的重要環節。

5 結束語

本文針對用戶的需求，介紹了一種數控車床的開發，并通過結構的改進，有效地控制了成本，結構簡單，制造成本低，通過樣機的試制和測試，達到了預期的效果，現已開始批量生產，已產生了一定的經濟效益。

[1]唐銳.普通機床數控化改造研究[J].煤礦機械，2008，29（2）：147-149.

[2]王福印.我國數控車床技術發展的現狀與思考[J].西部大開發（中旬刊），2011（2）：37-43.

[3]趙仲琪．關于高檔數控機床關鍵功能部件可靠性技術研究的探討[J]．數控機床市場，2009（10）：22-25.

[4]耿華，王亮，張金軍，等.一種直線導軌用車床尾座的設計[J].機床與液壓，2016，44（10）：6-8.

[5]崔江紅，裴有珍，陳衛星，等.數控重型臥式車床的模塊化設計研究[J].機床與液壓，2011，39（18）：9-11.

The Definition and Desin of NC Lathe

ZHANG Jin-jun，WANG Tian-yu，YANG Di
（Shenyang Machine Tool Co.，Ltd.，Shenyang Liaoning 110142，China）

This paper introduces an intelligent CNC machine，flat bed structure，adopts the linear guide rail，Z axis and end rail design，equipped with the C axis，and the vertical power tool servo turret，with improved tail design.And its development process is introduced.

intelligent lathe；share guide；servo turret

TG659TG502

A

1672-545X（2017）06-0152-03

2017-03-25

張金軍（1980-），男，河北張家口人，碩士研究生，工程師，主要從事機床設計工作。