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《CK6140数控车床的改造》

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摘要：通过介绍CK6140车床的原始性能特点及改造的原因、目的、必要性,详细论述了该机床电器、机械、液压和其他部分的改造方案,指出通过改造提高了生产效率和精度,大大降低了工人的劳动强度和生产成本.

关键词：数控车床；改造；改造方案；改造效果

中图分类号：TG519.1；TG659 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2016.12.098

数控车床CK6140是中车太原机车车辆有限公司多年前从沈阳第一机床厂购入的全功能数控车床.因为刀台定位等原因,一直没有正式投入使用.考虑到产品的生产情况,决定对此机床进行数控系统改造.

1 设备的原始功能特点

原机床采用FANUC SYSTEM 3T-A闭环型CNC数字程序控制万能车床,能承担各种车削加工任务.而且机床的主轴启动、变速、停止、纵横向进给、刀具的转换、冷却液的开关,都可以自动控制,适宜于复杂的中、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

该设备自安装后,前后经过试车和几次改进,都因为刀台的定位问题,达不到所要求的加工精度,一直没有正式投入使用.考虑成批大量的零件保证高精度加工的需要,经过经济分析和论证,本着经济、适用的原则,决定对其电器与机械部分进行改造.通过数控系统的改造不仅可以达到正常使用效果,而且比购买一台同样功能的机床要节约20多万元.

3 改造方案

3.1 电器部分的改造

电器部分的改造主要是对低压电器部分和数控部分进行重新改造设计.数控机床的主传动要求较大的调速范围,以保证加工时能选用合理的切削用量,从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量.变频和交流主电动机的调速系统,能够方便

地实现宽范围的无级变速,而且减少了中间传递

环节,提高了变速控制的可靠性.综合成本、效益,因此不采用原设备所使用的直流伺服无级调速

电机.原设备的调速范围为4档,分别为：20～

250 r/min；250～630 r/min；375～800 r/min；800～

2 000 r/min.表1为主轴转速与电机转速关系.

在设计中,根据数控机床的特点,主要考虑了以下2点.

1）主轴的速度控制,一般要求1∶100范围内的恒转矩调速和1∶10以上的恒功率调速,而且要有足够大的输出功率.主轴的伺服控制在低速时为恒转矩控制,在高速时为恒功率控制.图1为转矩与功率特性曲线.

根据数控机床主轴计算转速的公式

nj 等于 nmin（nmax/nmin）0.25. （1）

将主轴的最大转速和最小转速代入式（1）,

可得

nj1等于20×（250/20）0.25 r/min 等于37.6 r/min .

nj2等于250×（630/250）0.25 r/min 等于315.0 r/min .

nj3等于375×（800/375）0.25 r/min 等于453.2 r/min .

nj4等于800×（2 000/800）0.25 r/min 等于1 006.0 r/min .

因此,nj的取值范围为37.6～1 006.0 r/min.

在选择电机时,原电机的功率为11 kW,使用类比法,主传动电机也选择功率为11 kW,已知n的取值范围为253～3 187.8 r/min,取额定转速n为3 000 r/min.根据公式

TD 等于 9 550P/n .（2）

可以得出TD 等于 35 N·m.

图2为电机的转矩特性曲线.比较图2与图1,可以看出电机特性完全满足使用要求,因此最终选用YVP-160M1-2变频调速三相异步电动机.

2）进给系统的调速要求：在1∶24 000调速范围内,要求速度均匀、稳定、无爬行、速降小.在1 mm/min以下时,具有一定的瞬时速度,而平均速度很低.在零速时,要求电机有电磁转矩,以维持定位精度,使定位精度满足系统的要求.而且该设备多年闲置,数控元件大都老化,考虑到生产要求的功能及设备的通用性,数控系统由FANUC系统改选为SIEMENS 802D系统,选用与系统配套的SIEMENS伺服电机完全能够满足使用要求.

3.2 机械部分的改造

为保持机床的精度达到正常使用目的,主要对机械部分做了以下3个方面的改造.

1）主传动配套改造.由于更换主轴电机要求传动比不发生变化,因此对皮带轮进行重新设计.

2）进给部分的改造.机床的进给部分是数字控制的直接对象,由于被加工工件的最后坐标精度和轮廓精度都受到进给系统的传动精度、灵敏性和稳定性的影响,因此提高传动精度和刚度、减少惯量就是此次进给部分改造的主要任务.由于原设备本身即是一台数控机床,而且设备的使用率不高,各部件的磨损不大,因此决定x方向与z方向的滚珠丝杠不更换,而x方向与z方向的伺服电机分别更换为SIEMENS伺服电机.图3与图4分别为纵向传动系统和横向传动系统.

纵向传动比i1 等于 35/35 等于 1,而横向传递比i2 等于

36/52×52/36等于1.纵横向传递的扭矩公式为

Mn 等于 9 550P/n.（3）

代入数值,可以得出Mn 等于 15.91 N·m.

经过计算,选用SIEMENS 1FK6083-6AF71-1AG0型的伺服电机,功率为5 kW,额定转速为

3 000 r/min,调速范围为1∶3 000,同时额定扭矩为16 N·m,完全能满足进给系统的要求.

传动齿轮根据电机轴进行重新设计,在设计过程中不仅要求齿轮有很高的运动精度和工作平稳性,而且必须尽可能消除配对齿轮之间的传动间隙,采用了双齿轮来消除齿间间隙,通过胀紧环来保证运动和力的传递,而且采用特殊的加工工艺来保证齿轮的精度.材质选用45号钢,经过热处理后齿面的HRC硬度达到40～50.

3）刀台部分的改造.原来数控车床使用的是12刀位的回转圆盘刀架,但刀具定位方案不可靠,定位结构不合理,因此刀架的重复定位精度不够,达不到加工精度,这次改造考虑到刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性,以承受加工时的切削抗力,并保证定位精度和重复定位精度要高.经过多方调研、比较,最终选定烟台机床附件厂采用国际先进技术生产的AK31100型全功能数控转塔八工位刀架,该刀架与其他刀架相比,具有结构紧凑、定位精度、重复定位精度高等特点,而且刚性大,可靠性高,可承受大的切削力,并采用密封防渗漏结构,可双向回转和任意刀位就近选刀,刀盘无需抬起即可实现转位刹紧.在安装过程中,对刀架进行了改造设计,原先的刀架是机床生产厂家自制的,刀尖的位置低于回转中心,选用标准刀架后,加工中心的调整通过调整刀架的安装位置、刀架的高低来保证,经过加工刀架安装板,重新调整刀架的安装位置来保证使用要求,满足了加工需要.

3.3 液压部分的改造

由于原设备的液压系统担负着主轴变速、台尾及夹盘的松开与顶紧等功能,因此液压系统的好坏直接关系此次改造的成功与否.虽然原设备使用率不高,但是由于闲置时间过久,原液压系统难免会出现密封元件的老化问题,因此对液压系统进行了一次彻底的清理,并对原先一些闲置的功能进行了恢复.

3.4 其他部分的改造

经过以上改造后,新设备的功能基本上可以达到使用要求,但该设备还存在一些不尽如人意的地方,比如原设备是全封闭的,设备控制箱装在两扇防护门上,由于安装不合理及控制箱自身的重量较大,以前发生过几次防护门从机床上掉下来的现象.为保证能安全生产,笔者所在公司对此也进行了改造设计,对防护门的安装结构进行了改进设计.同时为了适应新选用的控制面板,重新制作了控制箱,并把它安装在了防护门的合适位置上.在此次改造中,对机床的冷却系统和润滑系统也进行了清理和恢复,并对排屑系统进行了检修[1-2].

4 改造效果

通过以上改造,该设备达到正常使用后,生产效率可以比以前提高2～3倍,精度有很大的提高,而且大大降低了工人的劳动强度和生产成本.

参考文献：

[1] 吴祖育,秦鹏飞.数控机床[M].3版.上海:上海科学技术出版社,2009.

[2] 成大先.机械设计手册[M].5版.北京:化学工业出版社,2014.

（责任编辑邸开宇）

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