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车床/数控车床 |
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φ360车削中心设计探讨 |
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作者：诸暨机床厂 郭凡林 俞寿松 |
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车削中心是在数控车床发展过程中开发出的一种具有复合加工能力的数控车床，它兼有数控车床和加工中心的加工性能，是目前各主要工业发达国家竞相发展的一种极为重要的数控机床品种。其优点是一机多用，占地面积小、节约投资、保证加工精度、减少工件在制品，提高加工效率等。
φ360车削中心是浙江省“九五”重点科技攻关项目之一，由浙江工业大学和诸暨机床厂联合设计开发。该产品于一九九八年十二月三十日通过了由浙江省科委主持召开的鉴定会，受到与会专家的一致好评。φ360车削中心的最大特点是精密、高效、实用、经济、容易为市场经济条件下的广大用户所接受，符合我国的国情。
1 设计思想
近几年来，随着技术的发展，产品更新换代加快，机械加工业开始出现多品种，中小批量的生产模式，精度和效率要求不断提高。普通机床与经济型数控车床在生产中逐渐暴露出加工能力的不足。我们通过广泛的市场调研，决定开发一种精密、高效、实用、经济的车削加工中心，这就是φ360车削中心。
1) 设计方案的确定
根据技术任务书的要求，从以下几方面确定了设计方案。
a. 根据当前国际和国内经济技术发展的水平以及由市场经济体制所确定的供求关系，当前暨研制和生产功能不是很多和结构不太复杂的车削中心，因此应首先研制可控轴数为3(即(轴、X轴和Z轴)的车削中心，以后可以根据市场需求的发展，在此基础上开发可控轴数和功能更多的车削中心。
b. 主电机采用兼有C轴功能的伺服电机，用同一条传动链通过内装的PLC进行模拟信号的切换和互锁，分别实现主轴的主运动和C轴运动。这种方案与常用的两条传动链方案不同，机械结构大大简化，更加容易制造，成本也相对较低。
主轴承采用油脂润滑，依靠接触式的迷宫套密封，润滑脂的封入量对主轴轴承寿命和运转时的温升有很大影响，一般每一轴承的封入量控制在10～14g范围内。主轴部分的结构,如图1示。
图1主轴结构
c. 采用德国SIEMENS数控系统。机床的X轴和Z轴进给传动采用半闭环伺服驱动系统，因为闭环系统在理论上传动精度较高，但结构复杂，调整困难半闭环系统在电气和机械结构方面不是很复杂，但可以满足加工精度要求，目前多数车削中心都采用这种系统。
X轴与Z轴的传动结构，如图2示。纵向交流伺服电机通过同步齿形带驱动滚珠丝杠，带动拖板使刀架实现Z轴移动。横向交流伺服电机也通过同步齿形带驱动滚珠丝杠，带动横溜板使刀架实现X轴移动。检测刀架位置的反馈元件脉冲编码器为内置式，安装在进给电机内部，与电机同轴，同时作速度环的反馈。另外为了补偿丝杠工作中因温升而造成的热伸长，丝杠在安装时要进行预拉伸。
图2进给传动结构
d. 机床床身采用床身斜滑板的结构，这样不仅便于排屑，而且还具有占地面积小，便于操作，宜人化和制造工艺性好的优点。
e. 采用德国SAUTER公司的十二工位回转式动力刀架。数控转塔刀架是实现车、钻、镗、铣等多工序加工的关键部件，国内外都有专业厂生产这种部件。为了保证本机床的工作精度，并缩短制造周期，即使成本高一些，我们还是采用德国SAUTER公司的动力刀架。
2) 技术参数的确定
根据目前国内用户的实际需要及国外同类产品的发展趋势，确定该机床的主要参数为：
| (1) | 床身上最大工件回转直径 | 360mm | | (2) | 最大加工长度 | 750mm | | (3) | 主轴通孔直径 | 80mm | | (4) | 主轴转速(无级) | 0～3500r/min | | (5) | 刀架装刀数 | 12把 | | (6) | Z轴进给速度(无级) | 0～20m/min | | (7) | X轴进给速度(无级) | 0～10m/min | | (8) | 动力刀具主轴转速 | 0～2500r/min | | (9) | 主电机功率 | 12kW | | (10) | X、Z轴最小设定单位 | 0.001mm | | (11) | C轴最小输出增量 | 0.001度 | | (12) | Z向重复定位精度 | 0.007mm | | (13) | X向重复定位精度 | 0.002mm | | (14) | 刀架重复定位精度 | 0.002mm | | (15) | 加工圆度 | 0.002mm | | (16) | 外形尺寸(L×W×H) | 2000×800×1600mm | | (17) | 机床净重 | 4800kg |
2 机床的主要特点
1) 机床的特点之一是高精度
床头箱部件采用日本优质高精度NSK轴承支承主轴，前轴承用双列短圆柱滚子轴承和两个球轴承，后轴承也采用双列短圆柱滚子轴承，使前后轴承发热均匀，减小主轴角位移，减小机床的热变形。主传动采用高速润滑脂润滑，以减小主轴承和其它轴承的发热量，延长轴承的寿命。主轴系统经过精密动平衡，确保主轴箱部件振动小、刚性好、精度高。
床身采用炮筒式筋板结构而且与床座做成一体，从而增强了刚性。床身导轨而采用超音频淬火和周边磨削工艺，淬火层深度保持在2.5mm以上，有效地提高了机床的精度和精度保持性。
机床的纵横向进给伺服电机输出端后分别设置弹性联轴器和同步齿形带联接，使传动更加平稳。纵横向进给均采用内循环滚珠丝杠传动，使机床的X和Z向重复定位精度分别达到0.002mm和0.007mm。
X轴和Z轴的最小设定单位为0.001mm，C轴的最小输出增量为0.001度，转塔刀架的重复定位精度为0.002mm，且数控系统具有刀具补偿、间隙补偿、螺距补偿等功能，全面保证了加工零件的加工精度。
2) 高效率
在车削中心上能对回转体进行复合加工、将车、钻、铣和攻螺纹等工序集中于一台机床，而且零件一次装夹误差小，提高了加工质量和效率，节省设备费用，简化了生产管理。
主轴最高转速达3500r/min，动力刀具主轴最高转速达2500r/min,X轴和Z轴快速进给分别达到10m/min和20m/min，且Z向从0到20m/min的转换时间仅0.06s，主轴从0到3500r/min的转换时间仅2.5s，转塔刀加架的相邻换刀时间仅0.3s，这些都保证了加工效率的提高。
3) 实用性强
数控系统有较完备的循环功能，如直线插补、圆弧插补、锥度切削循环及螺纹切削循环，使机床编程简单。同时还可以进行人机对话编程，进行运动轨迹和动态模拟，并存有车削工艺数据库。
机床对刀简便，有多种方法，可用刀具直接加工零件，把实测值输入系统，使刀具偏置值自动生成。刀具的安装调整简便迅速。
操作面板上的功能键为本厂自已定义，比较简便直观，用PLC控制三爪夹紧、放松，尾架套筒伸出、退回、刀架选刀、定位，动力刀具是否生效，主轴或C轴生效等，以最简单的操作实现机电联调达到所需功能。
一台车削中心可以替代多台和多种机床，它具有普通数控车床的切削加工功能外，利用C轴及回转刀具可进行纵向钻孔，钻偏心孔，攻螺纹，纵向铣槽，铣端面，铣圆用槽，车端面螺纹，铣多边形，铣圆用，铣纵向螺旋槽，铣轮廓及刻字等，在一台机床上可达到成品化加工的目的。
4) 经济
由于我们在总体方案和结构性能设计上，都尽量用简单化代替复杂化，如控制轴数选为3，采用兼有C轴功能的伺服电机作主电机，纵横向进给分别采用联轴器和同步齿形带传动，使机床在结构方案上显得简法合理，同时降低了成本。该机床的成本约为40万元，售价在55万元左右，而国内其它同类车削中心的售价均在70万元以上。
3 结束语
φ360车削中心的研制成功，为我国机械加工业提供了一种精密、高效、实用、经济技术装备，该产品经浙江菲达集团等用户使用，通过实际考验证明，机床的自动化程度高，工作可靠，整机性能已接近国外同类产品水平，故可以替代进口。 (end)
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(11/15/2006) |
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