CAK0830數控排刀車床設計

侯玉新

（上海優尼斯工業設備銷售有限公司沈陽分公司 沈陽）

摘要： 收集分析了國內外數控車床的發展現狀，分析整理了各類車床的結構、配置等參數，最終確定了采用平床身、斜床鞍、排刀刀架的基本結構，并確定了機床設計參數。完成了CAK0830機床的整體三維模型設計，結合機床設計理論知識，對機床的主軸扭矩、伺服系統等進行分析計算確定了機床傳動結構，使用有限元分析工具優化部件模型，并最終確定各部件結構。

關鍵詞：數控排刀車床；車床結構；滑塊固定；產品化；有限元分析

1 前言

目前數控車床在國內已經得到了普遍應用，具有結構簡潔、性能穩定可靠、性價比高等優點，已經逐步取代傳統的普通車床，成為國內機械加工業車床工具的主力設備。作為通用類設備，目前數控車床在結構設計上大而全，但用戶在實際使用時往往僅用到其某幾項加工能力，造成機床在加工能力、占地面積、耗能上的浪費，針對短軸類工件需要有針對性的機床。本文對CAK0830數控排刀車床進行了設計研究，從機床結構、機床性能、機床配置等方面入手，為平床身、斜床鞍機床配置排刀刀架，特別是為X軸采用的滑塊固定、導軌移動結構應用積累了許多經驗，并批量制造機床投入生產，實際使用效果良好。

2 數控排刀車床總體方案設計

2.1 數控車床的結構特點

數控車床總體是在原普通類機床基礎上改進設計而來，相比普通設備，數控機床結構簡化了變速機構，并使用兩軸伺服電機替代了普車使用的動力傳遞系統，使進給機構變得簡潔。機床配套零件總數減少40%以上，相比于普通車床更適合大批量生產制造。兩軸數控車床按其加工精度、結構類型、導軌形式又可以分為經濟型數控車床和普及型數控車床。

2.1.1 經濟型數控車床結構與模塊

經濟型數控車床是在普通車床基礎上升級改造而來的，加工精度等級IT7級，它主體以普通車床為基礎，去除不必要的變速齒輪及控制機構，使用變頻電機或主伺服電機實現工件的無極變速，從而制造出經濟型數控車床。此類車床Z軸采用整體鑄件磨削加工的山形導軌，X軸采用鑄件磨削加工的燕尾型導軌，配合P4級滾珠絲杠實現進給部件的控制，搭載經濟型數控系統，實現IT7級精度工件的批量、自動化加工[1]。

經濟型數控車床模塊主要分為床身、床頭箱、尾座、刀架、床鞍、卡盤、中心架、防護、操作系統、包裝等幾大類。

經濟型數控車床因其精度穩定、適應范圍廣、成本低等特點深受用戶喜愛，在我國的現有數控車床中占比仍然很高。但隨著數控技術的不斷發展，山形導軌的加工、維修因其需要專用設備已經成為制造難點，鑄件導軌的摩擦系數大也導致了機床控制精度無法提高，無法保證高精度工件加工質量[2]。滾動導軌的發展和成本的下降，將逐步促進鑄件導軌的更新換代。

2.1.2 普及型數控車床結構與模塊

普及型數控車床加工精度等級為IT6級，較經濟型數控車床高一個等級，是精密型加工設備，為保證加工精度，其結構設計有別于經濟型機床 其采用了兩軸線軌傳動，高精密滾珠絲杠拖動進給部件運動，運動時是滾動摩擦，極大地降低了運動部件間的摩擦系數，從而提高了運動部件的定位精度和重復定位精度，進而提高了整機的加工精度。如圖2.2所示，普及型數控車床模塊主要分為床身、床頭箱、尾座、刀架、床鞍、卡盤、防護、操作系統、包裝等幾大類[3]。

2.2 排刀型數控車床的結構特點

工件的分類有大有小，有長有短，針對一些短軸類工件，如通訊領域的各類接線端子、電子領域的各類小軸、醫療領域的各類仿形器件都需要高轉速、高效率、自動化加工，排刀機床就是針對這類工件專業設計的一類數控車床，配置專用的排刀，優化刀具配置，實現一次裝卡，全序加工，提高了機床利用率，在結構設計上要充分考慮機床占地、能耗、環保等要求，綜合的提高機床性能。

2.2.1 數控排刀機床的結構對比分析

本課題研究的數控排刀車床是在普及型數控車床基礎上，取消刀架結構，采用排刀滑板，使用刀夾將多把刀具同時安裝在滑板上，靠滑板的X軸快速移動實現換刀等功能。

通過結構對比可以發現，為降低批量制造難度可以采用平床身斜床鞍配兩軸滾動導軌結構；為提高機床加工效率可以采用主伺服電機、排刀結構；為減小機床占地面和自重可以取消不必要的尾座模塊，整機在保證機床剛性前提下，盡量縮小體積，減少重量，圖2.3示機床結構緊湊，較標準機床更易于批量生產，加工效率預期提高25%，體積縮小30%，重量減少30%。

2.2.2 數控排刀機床的性能對比分析

排刀車床在加工上，具有其獨特性質，在縮短輔助時間，提高加工穩定性上，都有突出表現[4]。

工件的加工效率體現在實際切削時間和輔助時間上，在加工參數一致情況下，我們需要盡量的縮短換刀、工件調整、測量等輔助時間，從而最大化的提高生產效率，相比配置刀架的車床，排刀車床在性能參數上有如下改進：

小結：通過數控車床結構及性能對比分析，數控排刀車床在主軸轉速、快移速度、換刀時間上優于其他機床，并且自重合理、占地面積更小，適合批量使用。

2.3 CAK0830數控排刀車床方案設計

機床方案是機床設計的總體依據，目前普遍采用三維設計軟件繪制整機模型，將機床部件按模塊化分類，有利于設計改動和管理。新款機床設計首先要確定機床的主要參數如：主軸頭形式、主軸通孔直徑、主軸最高轉速、主軸最大扭矩、X/Z軸行程、床身最大回轉直徑、滑板最大回轉直徑等。

一般針對某幾個行業進行分析可以總結出其加工零件的總體類別，加工范圍，精度需求，效率需求等基本信息，結合我們常用的按加工直徑大小分類，可以初步的確定機床針對性的參數。

2.3.1 數控排刀車床方案設計

數控排刀車床在總體結構設計上初選了三個方案：平床身滑動導軌方案1、平床身斜床鞍線軌方案2及平床身斜床鞍線軌固定滑塊移動方案3，其結構簡圖如下：endprint

方案1：采用平床身、平床鞍結構，導軌采用Z軸山形滑動導軌、X軸滾動線軌

方案2：采用平床身斜床鞍結構，兩軸均采用滾動線軌，X軸導軌固定、滑塊移動

方案3：采用平床身斜床鞍結構，兩軸均采用滾動線軌，X軸導軌移動、滑塊固定

2.3.2 數控排刀車床方案對比分析

數控車床的設計在滿足用戶高速、高效車削前提下，也要充分考慮實際使用時，能耗、占地、制造經濟性、維修便捷性等因素。

通過對比可以發現，方案3在加工精度、制造經濟性、占地面積、自重及市場認可度等方面均具有優勢，數控排刀車床方案最終確定為方案3。

2.4 本章小結

本章從精度、結構、配置等方面對現有的機床進行了對比分析，設計了多個車床方案，結合多種因素確定了采用平床身、斜床鞍結構作為最終方案，確定機床加工精度等級IT6級，主軸最高轉速5000r/min，配置排刀刀架。

3 數控排刀車床的部件設計及有限元分析

機床部件設計是整個工作中重要的部分，而將整機劃分為不同模塊可以有效的提高設計效率和準確性。有限元分析可以尋找各個環節中的薄弱環節，進行針對性的改進，提高整個模型的性能。

3.1 數控排刀車床的床身設計

3.1.1 床身結構設計

床身是機床的基礎支撐部件，對機床剛性、自重、防護性、占地面積等具有重要影響。此系列機床采用平床身斜床鞍結構，床身導軌為水平布置形式，優化內腔及筋形結構減輕自重、減少占地面積。

3.1.2 床身結構的有限元分析

在進行有限元分析時，通過不同位移和應力結果，我們可以調整零件結構及筋形布局，進而優化設計使部件性能達到最佳結果[5]。床身約束為地腳支撐固定約束，載荷分為重力載荷和加工切削時的切削載荷，在設定的約束和載荷下，床身變形及應力情況如圖3.1所示：

通過模型分析可以發現，床身部件的最大變形在床身中間部位，最大變形量為0.008445mm，符合床身中間部分剛性較弱的原理，是床身部件的較弱環節，通過調整鑄件壁厚及增加加強筋，控制此處的變形量最小。應力最大位置為地腳固定位置，此處合理加強薄厚，提高安全系數。

3.2 數控排刀車床的主軸設計

車床主軸是車床最主要的部件，其回轉精度、剛性直接決定整機的加工精度、剛性。本機床設計希望能提高最高轉速、提高加工效率，在主軸設計上就需要選擇適合高轉速的軸承配置形式，結合同類產品結構，選用了前3后2的角接觸球軸承配置形式，保證主軸最高轉速5000r/min并通過合適的預緊力保持足夠的主軸剛性[6]。

3.2.1 主軸箱結構設計

為降低機床制造難度，降低裝配難度，機床采用整體套筒式主軸單元結構，裝配時將配套的主軸單元直接安裝到主軸箱孔內，主軸預緊及剛性在套件裝配時保證，極大地降低了制造難度。

主軸部件參數要求，最高轉速6000r/min，溫升小于20攝氏度，主軸動平衡達G1級[7]。

3.2.2 主軸箱結構的有限元分析

主軸箱體是主軸的支撐部件，其性能對主軸切削精度有決定作用。本機床采用套筒式主軸單元，極大地降低了主軸箱的制造難度，但其支撐剛性需要詳細設計核算。在有限元分析中，主軸箱受力主要來源于重力、切削力及主電機皮帶的拉力[8]。

圖3.2所示為主軸箱體在承受重力、切削力、皮帶拉力下的應力和應變情況，在鑄件設計上要盡量避免鑄件應力集中在主軸孔壁上，避免最大變形發生在主軸孔壁上，要通過調整床頭箱體壁厚和結構，實現應力分散，并控制變形遠離主軸軸線，以保證支撐剛度和精度。

根據位移云圖發現主軸箱在受力下其最大變形位置在箱體上部的凸臺處，最大變形量0.004555mm，變形位置及數值符合設計要求。應力集中在螺釘固定位置，符合設計要求。

3.3 數控排刀車床的進給部件設計

機床進給部件是控制刀具運動的移動部件，對刀具的控制精度和剛性強弱是衡量進給部件好壞的主要因素[9]。

3.3.1 X軸結構設計與布局

X軸排刀結構，實現了X軸線軌移動，滑塊固定的功能，在刀具切削過程中，刀尖距滑塊支撐點位置始終沒有變化，有效的防止了刀具震動，提高切削穩定性[10]。在后期防護設計時，因導軌隱藏在滑板下面，簡化了防護設計，機床防水性能相比刀架防護也有了很大提高。

在滿足理論計算基礎上，首先確定X軸滑板相對主軸中心的分布結構，排刀機床刀具可以分布在主軸中心線兩側，可將預期的X軸行程相對主軸中心對稱分布，機床為保證每把排刀在車削時刀具受力點穩定，使用了將X軸滑動導軌隨滑板移動，滑塊固定在床鞍上的結構，簡化了X軸滑板的設計。

根據主參數確定X軸行程，進而確定X軸絲杠及其支承結構的具體尺寸，如圖3.3，圖3.4所示，為X軸進給部件剖視圖。

3.3.2 進給部件結構的有限元分析

進給部件中涉及兩個主要鑄件，床鞍及滑板，床鞍是進給部件的支撐部件，滑板是排刀夾的支撐部件，兩者對刀具的切削剛性有直接影響，在設計時要充分考慮剛性、自重及自身變形等對刀具的影響，圖3.5為床鞍滑板切削仿真的位移和應力云圖。

通過有限元分析，我們可以發現床鞍位移最大位置發生在上部絲杠托架支撐臺邊緣，最大位移0.009436mm，應力最大位置為底端固定滑塊位置，滑板最大位移發生在滑板中部靠近主軸端邊緣，最大位移0.001178mm，應力最大位置為前滑塊固定孔。床鞍及滑板位移最大位置均為理論設計位置，其數值通過優化鑄件結構盡量減小，保證良好的剛性和穩定性。

3.4 數控排刀車床的防護設計

機床防護起到兩方面的作用，一方面保護機床的各個部件，特別是移動部件防止刮傷、不正常磨損，這類防護統稱為內防護，如導軌罩、刮屑板、電纜拖鏈等；另一方面是保護操作者安全和現場環境整潔，這類防護統稱為外防護，如防護罩門、前后防護罩、排屑器等[9]。

防護主要改進為：X軸滑板使用一個整體的防護罩，避免了多層拉罩易損壞、易干涉等問題；床身鑄件上，直接鑄造出雙層防水沿，確保切削區冷卻液、切屑等完全導入排屑器；內拉罩左端為一個整體件，保證了最大快移速度時安全性；整體外觀美觀，更新穎實用。

3.5 本章小結

數控車床的模塊設計可以有效的提高設計效率和準確性。本章就是將數控車床進行了部件分解，并通過理論計算、模型模擬、有限元分析等手段完成部件性能校核工作，逐步的修改和完善整機模型，最終確保理論模型符合設計要求。

機床其他部件如電機部件、卡套部件、冷卻部件、標牌部件等多為外購件，裝配時按要求組裝調試即可，在此不一一詳細說明。

4 結論

本文結合現有數控車床結構，面向通訊產業、醫療產業、接插件產業，針對小軸類工件大批量、多刀具、高效率等要求，設計了CAK0830數控排刀機床。使用有限元分析軟件優化整機動靜態性能，改進各部件結構。機床為平床身、斜床鞍結構，配置排刀刀架，使用套筒式主軸單元結構，實現高轉速、高效率加工。X軸滑板采用滑塊固定，導軌移動的結構，在增大X軸行程下，保證了刀具加工時受力點始終處于滑塊中心，提高機床穩定性。通過此次設計研究，為平床身、斜床鞍機床配置排刀刀架，特別是為X軸采用的滑塊固定、導軌移動結構應用積累了許多經驗，為同類機床改進提供了數據，機床進行了批量生產，產品在客戶實際加工過程中表現良好。

參考文獻：

[1] 洪達. 車床刀架結構的種類[J]. 機械工人.冷加工，1993，09：22-23.

[2] 何成浩. 數控車床床身結構的有限元分析與優化研究[D].昆明理工大學，2013.

[3] 粱波，查志，楊進周. 主軸軸承結構及其高速性[J]. 軸承，1997，09：2-7+47-1.endprint