基于细长轴类零件加工的数控车床机械部分的优化设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

中图分类号 ：TH122 文献标识码 ：A doi：lO.3969/j.issn.1002-6673.2013.03.066The M echanical Parts of the CNC Lathe Optimization Design of M echanical Parts Base on Longand Thin Shaft Parts ProcessingZHOU Ying-Nan ·(Changchun Urfiversity of Technology，Changchun Jilin 130012，China)Abstract：Traditional numerical control lathe machining slender sh parts.easy to produce deformation and distortion，which afectsmachining accuracy.In order to solve such problems，this paper is based on the slender shaft parts procesing of practical problems that exist inthe numerical control lathe，mechanical part optimization design，and analyzes performance of lathe and benefit after transformation。

Key words：CNC lathe；long and thin shaft parts processing；mechanical optimization design。

普通的数控机床技术在全世界范围内发展相对 当前 l比较成熟 。但随着制造业的不断发展和社会 生产的需 ：要，普通的数控机床已经不能满足生产发展的需要，更 l快、更精密、更高效的数控机床是发展趋势田。然而由于 l机床更新速度的加快，许多中小企业传统的经济型数控 ：机床在加工精度和效率上 已经不能满足生产 的需要和社 I会发展的需要。 f针对本次优化设计的某机械公司生产的主要生产细 l长轴类 的数控机床 ，该机床作为市面上 比较普遍的机床 ：类型存在-些在加工操作中难以克服的问题。在加工细 J长轴类零件时，传统数控车床加工的过程中，零件胚料 l在切削力和摩擦产生的热量中容易产生弯曲和变形。因 l此加工精度难 以保证 ，同时加工效率也相对较低 .废品 -率较高。通常为解决此类问题，工厂通常利用工装和辅 l助支撑附件来配合刀具进行加工，而由于工装和支撑附 J件受支撑抓和零件胚料之间的压力影响下，使零件的加 !l- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . . . . . . - - - - - - - - - . . . . . . . . . . - - - - - - - - - - - - . . . . . . . . - - - - - - - - - - - - . . . . . . . 。 - - - - - - - - - - - J修稿日期：2013-03-28 l作者简介：周瑛男(1961-)，女，吉林省蛟河人，大学本科。研 J究方向：车床实践教学，现从实验师工作。 ：工精度不佳，效率也不高，因此解决效果较差。

为解决该型号的数控机床在加工 细长轴”类零部件批的过程中存在的问题 ，提高加工 细长轴”类零件的生产效率，提高零部件的加工精度.因此必须进行数控机床机械部分优化设计，突破传统的数控机床的结构模式，改变主轴部分、横向部分、纵向部分零部件的设计，实现创新的三轴双刀架的车床的机械设计.彻底解决传统经济型数控车床加工细长轴类零件的桎梏，提高加工过程 中的行程效率 ，较少空行程损耗 ，提高细长轴类零件 的加工效率和加工精度.实现 细长轴”类零件批量化生产和高效化生产 ，降低加工精度受制于操作人员的局面，从而促进我国制造业的整体水平团。

1 数控车床机械部分改造的主要内容为使传统的经济型数控机床满足生产的需要.在尽量保留原零部件的基础上，通过改变数控车床机械托板的机械结构，优化主轴及横向、纵向系统，将原机床改造成为满足实际生产需要 ，满足提高效率需要 的三轴双刀架的数控车床。

具体的改造内容为加长原有主导轨，将托板的机械结构改变成能够分别安装前置和后置两个刀架的机械结161· 数控机床世界 ·构 ，在保证 Z轴不变的情况下 ，达到 Y轴绕 X轴旋转的平行的轴向增加-个平行轴，传统的单刀架车床作此改变后变成了三轴双刀架数控车床 ，增加 了四个刀位。

前后两个刀架在竖直方向的轴线上可做独立运动。同时由于双刀架都可以与主轴联动，是车床的加工范围扩大了，而两刀架在竖直方向上运动时同时减少 了空行程 ，提高了加工效率。改造后 的车床在加工 细长轴”类零件时 ，前后刀架的配合减少了 细长轴”类零件在加工过程中的变形 ，提高了加工精度嘲。

图 1双刀切削和前后刀架配合作用示意图Fig.1 Double head before andafter rutting and match thefunction diagram图 2 Z轴正负方向运动时均可加工示意图Fig.2 Z axis when the positive an dnegative direction processingschematic drawing进行数控车床机械部分优化设计的关键技术之-就是在传统 的经济型数控车床的托板上配置新型的四方刀架 .由改造后的伺服 电机带动 固定在滚珠丝杠上 的刀架实 现 在 X轴 方 向运动 。从而实现大托板在 Z轴方 向上组合成切削运动 。而要在 中托 板 上 安 装 两 个 刀架 ，在各 自的伺服 电机带动下 ，通过各 自的滚珠丝杠分别带动前 后 刀 架 做 独 立 运动 .并实现大托板与Z轴 向运动形成合成的切削运动是改造中的难点和关键点 。

2 细长轴类零件加工数控机床机械部分优化设计2.1主轴部分优化设计主轴部分是数控车床的主要组成部分，主轴部分又叫主轴装置，-般由主轴、主轴箱、传动机构、齿轮、速度监控装置、螺纹控制单元等组成。主轴部分的优化设计主要采用增加主轴变频控制的方式改变主轴转速，在主轴系统中应用变频器.通过变频器控制主轴电机转速，实现变速，变频调速的新结构的应用是原来的主轴箱内的减速装置精简，缩小了主轴箱的内部结构和外形尺寸 ，同时能够满 足主轴 较大的扭矩和较高 刚性 的要求。许多细长轴零件在加工过程中往往需要同时加工螺纹，为使改造后的车床能够具有加工螺纹的功能 ，改造车床的过程中在主轴系统中加装脉冲编码器来实现通过检测主轴转速和选择圈数来控制加工过程 中的选择速度162和选择圈数 ，以达到实现螺纹加工的目的。主轴箱 由于要承受主轴的巨大负荷 ，因此采用承压能力较强刚性较好的铸铁作为基材 ，同时采用铸铁也减少 了主轴的震动性。速度计安装在主轴的端部 ，检测系统的实时转速 。

卡盘是数控车床在进行车 削加工过程 中的重要组成部分，卡盘作为机床加工中的夹具在加工过程中具有重要作用 ，加工过程 中，由于刀头和零件之 间的作用力较大 ，因此需要夹具能够在加工过程中加进工件 ，在加工回转轴类零件时可以采用人工手动卡盘来夹持零件 .如果零件无可夹持 的圆形部位 ，就需要专门的专用卡盘夹持零部件 ，对于细长棒状零部件则需要采用弹簧卡盘 。

手动卡盘必须配备经过淬火处理的材料增加夹持零件 的可靠性。主轴装置的结构如图 3所示。

图 3主轴装置的结构图Fig.3 Structure chart of the main shaft mechanism2.2 横向(X轴向)部分机械零部件设计中托板在数控机床 中的主要作用是零部件加工的工作台面和连接支撑导轨 的作用 .中托板是数控车床中不可或缺的部件。为满足经济 型数控车床机械部分采用 的双刀架结构 .因此在中托板 的机械结构上应采用满足双刀架结构和加长导轨的支撑 ，因此 中托板 的宽度方向上： 不做改造 ，而针对长度方 向上需要将 中托板加长，加长I 的长度要综合考虑双刀架的更换刀具的方便性和刀具安I 装的下手空间，且满足必要条l 件下 的辅助夹具安装 要求 。中 - 。 托板的零件三维建模图样如图 l4所示 。

l 横向及 x轴向的加工精度! 的决定性因素是设计中的滚珠I 丝杠 。滚珠丝杠 的刚性直接影l 响车床的加工精度。滚珠丝杠l 的应用在 目前的机床制造和改： 造 中十分广泛 ，因此对 X轴 向l 的改造要充分利用成熟的滚珠·数控机床世界 ·丝杠的技术 .选韧安装比较成熟的滚珠丝杠技术。滚珠丝杠 的支撑 同样不可忽视 ，滚珠丝杠的支撑与系统的传动精度密切相关 ，滚珠丝杠的支撑主要由轴 向载荷和回转速度决定 ，对本经济型车床进行改造时，考虑到机图5 滚珠丝杠及其支撑方式Fig.5 Bal screw and the support way is demonstrated床的转速为中等转速 ，因此选用高精度 的固定和支撑方式 .支撑方式如图 5所示。

通过对滚珠丝杠 的承载能力进行校核 ，根据经验公式 ：FC0.67D1.5 (式 中 D为车床床 身的最大 回转直径 ，FC为垂 直方 向的切削 力)，计 算 出垂 直方 向切削力 .并根据经验公式.通常 FC与进刀方 向的切削力 Ff及吃刀方向的切削力 Fp有如下经验公式 ：FC：Ff：FphO.1：0.15，可 以分别计算 出切削力 Ff及吃 刀方向的切削力 Fp，并通过承载能力校核公式校核丝杠的最大动载荷 ，从而选定满足条件的滚珠丝杠阁。

2.3 辅助部分机械零部件优化设计数控机床的辅助部分也是加工过程 中的重要组成部分 ，在对车床的机械部分进行改造的过程中对辅助部分的机械零部件也要进行相应的优化设计 。选择性能优 良的滚动轴承是提高支撑结构的轴 向刚度的重要举措，由于先期改造中采用双滚珠丝杠对称安装 的改造方式 .因此在选择轴承时应 当全面考虑轴承的刚度和轴承支架 的尺寸是否满足车床的实际应用要求 。

齿轮箱体也 是车床 的改造设计 中的不可或 缺的部件 ，齿轮箱体既能对齿轮起到保护罩 的作用又能通过保护罩对齿轮进行润滑。由于齿轮承受较大的压力 ，齿轮保护早必 须有 足够的刚度和强度支撑齿轮 的受力 和力矩，防止齿轮保护罩发生形变，造成传动力量不佳，同时又通过齿轮保护罩的整体铸造加工方式使齿轮保护罩加工过程和装配过程简单易用，且应 当便于后期维护和检查。其它辅助机械部件如联轴器、导轨保护罩、伺服电机支架等根据实际需要可进行相应翻新和改造。

3 改造后机床性能分析经过上述机械改造后的经济型车床能够满足 日常生产的实际需要.改造费用仅为新采购满足生产条件的同类型机床价格的 20%～30%，尤其是针对大型机床 ，改造价格优势更加明显，而且改造周期同新购置机床的投产期相比.节约超过 2/3的交货周期 。但针对高速主轴类 的机床 ，由于改造工程相对更大 ，改造成本也更高 ，大约职能节省 1，2的费用。改造后 的车床采用双刀加工细长轴零件 。改装后的车床中溜板同时加上新增加的后刀架 ，前后两把车刀同时进行车削运动 ，夹具和刀具分别安装与两侧 ，前后车刀相反安装∩以是两把车刀在车削加工时产生的径 向切削力相互抵消 ，因此加工效率较高同时降低了能耗，同时零件在加工过程中受到的震动较小，工件受力形变也减少，在批量生产细长轴类零件的过程中提高了加工精度。通过对车床的整体调试。

生产加工性能 良好 .达到 了优化设计 的目的，具有客观的经济效益和社会效益。

4 结束语经过对经济型数控车床机械部分进行了优化改造，达到了提高数控车床加工细长轴类零件的加工精度和生产效率 ，具有很好 的经济效益和改造价值 ，但 同时在优化机械部分改造的同时应当加强数控车床机械部分的安全性能和可靠性能 ，同时应当研究加工过程中的车床转动 自锁等性能 ，进-步提高可操作性。