CK6140數(shù)控車床的改造數(shù)控車床CK6140是中車太原機車車輛有限公司多年前從沈陽第一機床廠購入的全功能數(shù)控車床。因為刀臺定位等原因，一直沒有正式投入使用?？紤]到產(chǎn)品的生產(chǎn)情況，決定對此機床進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)改造。1 設(shè)備的原始功能特點原機床采用FANUC SYSTEM 3T-A閉環(huán)型CNC數(shù)字程序控制萬能車床，能承擔(dān)各種車削加工任務(wù)。而且機床的主軸啟動、變速、停止、縱橫向進(jìn)給、刀具的轉(zhuǎn)換、冷卻液的開關(guān)，都可以自動控制，適宜于復(fù)雜的中、小批量零件和大批量精度要求一致性高的零件加工。2 改造的原因和目的該設(shè)備自安裝后，前后經(jīng)過試車和幾次改進(jìn)，都因為刀臺的定位問題，達(dá)不到所要求的加工精度，一直沒有正式投入使用?？紤]成批大量的零件保證高精度加工的需要，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)分析和論證，本著經(jīng)濟(jì)、適用的原則，決定對其電器與機械部分進(jìn)行改造。通過數(shù)控系統(tǒng)的改造不僅可以達(dá)到正常使用效果，而且比購買一臺同樣功能的機床要節(jié)約20多萬元。3 改造方案3.1 電器部分的改造電器部分的改造主要是對低壓電器部分和數(shù)控部分進(jìn)行重新改造設(shè)計。數(shù)控機床的主傳動要求較大的調(diào)速范圍，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。變頻和交流主電動機的調(diào)速系統(tǒng)，能夠方便地實現(xiàn)寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。綜合成本、效益，因此不采用原設(shè)備所使用的直流伺服無級調(diào)速電機。原設(shè)備的調(diào)速范圍為4檔，分別為：20250 r/min；250630 r/min；375800 r/min；8002 000 r/min。表1為主軸轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)速關(guān)系。在設(shè)計中，根據(jù)數(shù)控機床的特點，主要考慮了以下2點。1）主軸的速度控制，一般要求1100范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和110以上的恒功率調(diào)速，而且要有足夠大的輸出功率。主軸的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，在高速時為恒功率控制。圖1為轉(zhuǎn)矩與功率特性曲線。根據(jù)數(shù)控機床主軸計算轉(zhuǎn)速的公式nj = nmin將主軸的最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速代入式可以得出TD = 35 N-m。圖2為電機的轉(zhuǎn)矩特性曲線。比較圖2與圖1，可以看出電機特性完全滿足使用要求，因此最終選用YVP-160M1-2變頻調(diào)速三相異步電動機。2）進(jìn)給系統(tǒng)的調(diào)速要求：在124 000調(diào)速范圍內(nèi)，要求速度均勻、穩(wěn)定、無爬行、速降小。在1 mm/min以下時，具有一定的瞬時速度，而平均速度很低。在零速時，要求電機有電磁轉(zhuǎn)矩，以維持定位精度，使定位精度滿足系統(tǒng)的要求。而且該設(shè)備多年閑置，數(shù)控元件大都老化，考慮到生產(chǎn)要求的功能及設(shè)備的通用性，數(shù)控系統(tǒng)由FANUC系統(tǒng)改選為SIEMENS 802D系統(tǒng)，選用與系統(tǒng)配套的SIEMENS伺服電機完全能夠滿足使用要求。3.2 機械部分的改造為保持機床的精度達(dá)到正常使用目的，主要對機械部分做了以下3個方面的改造。1）主傳動配套改造。由于更換主軸電機要求傳動比不發(fā)生變化，因此對皮帶輪進(jìn)行重新設(shè)計。2）進(jìn)給部分的改造。機床的進(jìn)給部分是數(shù)字控制的直接對象，由于被加工工件的最后坐標(biāo)精度和輪廓精度都受到進(jìn)給系統(tǒng)的傳動精度、靈敏性和穩(wěn)定性的影響，因此提高傳動精度和剛度、減少慣量就是此次進(jìn)給部分改造的主要任務(wù)。由于原設(shè)備本身即是一臺數(shù)控機床，而且設(shè)備的使用率不高，各部件的磨損不大，因此決定x方向與z方向的滾珠絲杠不更換，而x方向與z方向的伺服電機分別更換為SIEMENS伺服電機。圖3與圖4分別為縱向傳動系統(tǒng)和橫向傳動系統(tǒng)。縱向傳動比i1 = 35/35 = 1，而橫向傳遞比i2 =36/52x52/36=1?？v橫向傳遞的扭矩公式為Mn = 9 550P/n.代入數(shù)值，可以得出Mn = 15.91 N-m。經(jīng)過計算，選用SIEMENS 1FK6083-6AF71-1AG0型的伺服電機，功率為5 kW，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，調(diào)速范圍為13 000，同時額定扭矩為16 N-m，完全能滿足進(jìn)給系統(tǒng)的要求。傳動齒輪根據(jù)電機軸進(jìn)行重新設(shè)計，在設(shè)計過程中不僅要求齒輪有很高的運動精度和工作平穩(wěn)性，而且必須盡可能消除配對齒輪之間的傳動間隙，采用了雙齒輪來消除齒間間隙，通過脹緊環(huán)來保證運動和力的傳遞，而且采用特殊的加工工藝來保證齒輪的精度。材質(zhì)選用45號鋼，經(jīng)過熱處理后齒面的HRC硬度達(dá)到4050。3）刀臺部分的改造。原來數(shù)控車床使用的是12刀位的回轉(zhuǎn)圓盤刀架，但刀具定位方案不可靠，定位結(jié)構(gòu)不合理，因此刀架的重復(fù)定位精度不夠，達(dá)不到加工精度，這次改造考慮到刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強度和剛性，以承受加工時的切削抗力，并保證定位精度和重復(fù)定位精度要高。經(jīng)過多方調(diào)研、比較，最終選定煙臺機床附件廠采用國際先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的AK31100型全功能數(shù)控轉(zhuǎn)塔八工位刀架，該刀架與其他刀架相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、定位精度、重復(fù)定位精度高等特點，而且剛性大，可靠性高，可承受大的切削力，并采用密封防滲漏結(jié)構(gòu)，可雙向回轉(zhuǎn)和任意刀位就近選刀，刀盤無需抬起即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)位剎緊。在安裝過程中，對刀架進(jìn)行了改造設(shè)計，原先的刀架是機床生產(chǎn)廠家自制的，刀尖的位置低于回轉(zhuǎn)中心，選用標(biāo)準(zhǔn)刀架后，加工中心的調(diào)整通過調(diào)整刀架的安裝位置、刀架的高低來保證，經(jīng)過加工刀架安裝板，重新調(diào)整刀架的安裝位置來保證使用要求，滿足了加工需要。3.3 液壓部分的改造由于原設(shè)備的液壓系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著主軸變速、臺尾及夾盤的松開與頂緊等功能，因此液壓系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系此次改造的成功與否。雖然原設(shè)備使用率不高，但是由于閑置時間過久，原液壓系統(tǒng)難免會出現(xiàn)密封元件的老化問題，因此對液壓系統(tǒng)進(jìn)行了一次徹底的清理，并對原先一些閑置的功能進(jìn)行了恢復(fù)。3.4 其他部分的改造經(jīng)過以上改造后，新設(shè)備的功能基本上可以達(dá)到使用要求，但該設(shè)備還存在一些不盡如人意的地方，比如原設(shè)備是全封閉的，設(shè)備控制箱裝在兩扇防護(hù)門上，由于安裝不合理及控制箱自身的重量較大，以前發(fā)生過幾次防護(hù)門從機床上掉下來的現(xiàn)象。為保證能安全生產(chǎn)，筆者所在公司對此也進(jìn)行了改造設(shè)計，對防護(hù)門的安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。同時為了適應(yīng)新選用的控制面板，重新制作了控制箱，并把它安裝在了防護(hù)門的合適位置上。在此次改造中，對機床的冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)也進(jìn)行了清理和恢復(fù)，并對排屑系統(tǒng)進(jìn)行了檢修。4 改造效果通過以上改造，該設(shè)備達(dá)到正常使用后，生產(chǎn)效率可以比以前提高23倍，精度有很大的提高，而且大大降低了工人的勞動強度和生產(chǎn)成本。參考文獻(xiàn)：【1】 吳祖育,秦鵬飛.數(shù)控機床.3版.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2009.【2】 成大先.機械設(shè)計手冊.5版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.