CK6140數(shù)控車床的改造

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1、CK6140數(shù)控車床的改造數(shù)控車床CK6140是中車太原機(jī)車車輛有限公司多年前從沈陽(yáng)第一機(jī)床廠購(gòu)入的全功能數(shù)控車床。因?yàn)榈杜_(tái)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(duì)此機(jī)床進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)改造。1 設(shè)備的原始功能特點(diǎn)原機(jī)床采用FANUC SYSTEM 3T-A閉環(huán)型CNC數(shù)字程序控制萬(wàn)能車床，能承擔(dān)各種車削加工任務(wù)。而且機(jī)床的主軸啟動(dòng)、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(dòng)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(guò)試車和幾次改進(jìn)，都因?yàn)榈杜_(tái)的定位問(wèn)題，達(dá)不到所要求的加工精度，一直沒有正式

2、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(guò)經(jīng)濟(jì)分析和論證，本著經(jīng)濟(jì)、適用的原則，決定對(duì)其電器與機(jī)械部分進(jìn)行改造。通過(guò)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(gòu)買一臺(tái)同樣功能的機(jī)床要節(jié)約20多萬(wàn)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(duì)低壓電器部分和數(shù)控部分進(jìn)行重新改造設(shè)計(jì)。數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)要求較大的調(diào)速范圍，以保證加工時(shí)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(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，能夠方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍的無(wú)級(jí)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(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)。原設(shè)備

3、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(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系。在設(shè)計(jì)中，根據(jù)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)，主要考慮了以下2點(diǎn)。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(shí)為恒轉(zhuǎn)矩控制，在高速時(shí)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(jī)床主軸計(jì)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(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線。比較圖2與圖1，可以看出電機(jī)特性完全滿足使用要求，因此最終選

4、用YVP-160M1-2變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)。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(wú)爬行、速降小。在1 mm/min以下時(shí)，具有一定的瞬時(shí)速度，而平均速度很低。在零速時(shí)，要求電機(jī)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(jī)完全能夠滿足使用要求。3.2 機(jī)械部分的改造為保持機(jī)床的精度達(dá)到正常使用目的，主要對(duì)機(jī)械部分做了以下3個(gè)方面的改造。1）主傳動(dòng)配套改造。由于更換主軸電機(jī)要求傳

5、動(dòng)比不發(fā)生變化，因此對(duì)皮帶輪進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。2）進(jìn)給部分的改造。機(jī)床的進(jìn)給部分是數(shù)字控制的直接對(duì)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(dòng)精度、靈敏性和穩(wěn)定性的影響，因此提高傳動(dòng)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(tái)數(shù)控機(jī)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(jī)分別更換為SIEMENS伺服電機(jī)。圖3與圖4分別為縱向傳動(dòng)系統(tǒng)和橫向傳動(dòng)系統(tǒng)?？v向傳動(dòng)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

6、.代入數(shù)值，可以得出Mn = 15.91 N-m。經(jīng)過(guò)計(jì)算，選用SIEMENS 1FK6083-6AF71-1AG0型的伺服電機(jī)，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(shí)額定扭矩為16 N-m，完全能滿足進(jìn)給系統(tǒng)的要求。傳動(dòng)齒輪根據(jù)電機(jī)軸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要求齒輪有很高的運(yùn)動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，而且必須盡可能消除配對(duì)齒輪之間的傳動(dòng)間隙，采用了雙齒輪來(lái)消除齒間間隙，通過(guò)脹緊環(huán)來(lái)保證運(yùn)動(dòng)和力的傳遞，而且采用特殊的加工工藝來(lái)保證齒輪的精度。材質(zhì)選用45號(hào)鋼，經(jīng)過(guò)熱處理后齒面的HRC硬度達(dá)到4050。3）刀臺(tái)部分的改造。原來(lái)數(shù)控車床使用的是12刀位的回轉(zhuǎn)

7、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(qiáng)度和剛性，以承受加工時(shí)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(guò)多方調(diào)研、比較，最終選定煙臺(tái)機(jī)床附件廠采用國(guó)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(diǎn)，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(wú)需抬起即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位剎緊。在安裝過(guò)程中，對(duì)刀架進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，原先的刀架是機(jī)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

8、架后，加工中心的調(diào)整通過(guò)調(diào)整刀架的安裝位置、刀架的高低來(lái)保證，經(jīng)過(guò)加工刀架安裝板，重新調(diào)整刀架的安裝位置來(lái)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(tái)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(shí)間過(guò)久，原液壓系統(tǒng)難免會(huì)出現(xiàn)密封元件的老化問(wèn)題，因此對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了一次徹底的清理，并對(duì)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(guò)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

9、控制箱自身的重量較大，以前發(fā)生過(guò)幾次防護(hù)門從機(jī)床上掉下來(lái)的現(xiàn)象。為保證能安全生產(chǎn)，筆者所在公司對(duì)此也進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，對(duì)防護(hù)門的安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。同時(shí)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(duì)機(jī)床的冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)也進(jìn)行了清理和恢復(fù)，并對(duì)排屑系統(tǒng)進(jìn)行了檢修。4 改造效果通過(guò)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(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。參考文獻(xiàn)：【1】 吳祖育,秦鵬飛.數(shù)控機(jī)床.3版.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2009.【2】 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).5版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.