张金军，王天宇，杨迪

（沈阳机床股份有限公司，辽宁沈阳110142）

一种数控车床的开发

张金军，王天宇，杨迪

（沈阳机床股份有限公司，辽宁沈阳110142）

本文介绍了一款智能数控机床，平床身结构，采用直线导轨，Z轴与尾台共轨设计，配备C轴、动力刀架和立式伺服刀架，采用改进的尾台设计，并介绍了其开发过程。

智能车床；共用导轨；伺服刀架

在上个世纪，普车CA6140可谓是一代经典车床，任何机械厂都有它的身影，是机械零件主要的修配工具。随着数控技术的飞速发展，普车已经逐渐淡出市场[1]，数控车床的应用范围在不断扩大并不断发展以适应生产加工的需要[2]。数控车床种类繁多，本文将介绍一款智能数控车床，它基于市场和用户的需求，专为各类机械企业修配零件量身打造。

1 机床定位

本机床定位为通用数控车床，适合各类中小零件的车削、铣削、钻削、内外螺纹加工，加工范围广、适应能力强，既可实现单一零件批量高效加工，也可实现各类零件的修配加工，操作简单，方便维护，适应各类工厂、车间的加工和修配作业。

本机床的定义源于用户需求，机械零件加工和装配企业都有设备维修维护部门，因此需要一种操作简单、易于维护、能够实现多种加工工艺的机床，机床应具备以下条件：

（1）操作简单，易上手，操作工只需简单培训即可使用。

（2）加工范围广，可实现车削、铣削、钻削、内外螺纹加工等多种加工工艺。

（3）精度、稳定性和可靠性好[3]，易维护。

（4）价格低。

2 机床结构及特点

（1）本车床由电气系统、机械系统、冷却系统、润滑系统、液压系统等组成，采用平床身机构，如图1所示。Z轴伺服电机通过丝杠驱动床鞍在床身上左右移动做Z向运动，X轴伺服电机通过丝杠驱动滑板在床鞍上前后移动做X向运动，立式伺服刀架和动力头通过螺栓固定在滑板上，主轴箱固定在床身上，主伺服电机嵌入到床身中，通过V型皮带驱动主轴旋转，尾台与床鞍共用Z轴直线导轨，通过滑块与床身连接。

图1 数控车床结构图（去掉外防护）

（2）如图2所示，床身采用先进的工艺方法进行精铸，大大提高了刚性和稳定性，整体尺寸误差为1 ~3 mm，最大程度保证铸造与设计尺寸一致性；采用极简原则进行设计，便于加工和装配，床身底部呈漏斗状，方便排水排屑。床身结构简单，优化了主轴箱安装面、电机座安装面、Z轴导轨安装面等主要加工面，大大降低了加工难度，并更容易保证加工精度。

图2 床身外观图

（3）经济型平床身数控车床X、Z轴通常采用滑动导轨，易磨损划伤，修复困难。本机床做了重大改进，X、Z轴采用进口直线导轨，保证整机定位精度及重复定位精度，响应速度快，易维护。

（4）本机床的另一项重大改进是床鞍与尾台共用Z轴直线导轨，如图1所示，定制8滑块双导轨，从根本上解决了Z轴与尾台的平行度问题，大大降低了加工成本和装配难度，提高了机床的稳定性。

（5）尾台与床鞍共用线轨带来的一个难题就是尾台的锁紧问题，本机床在尾台滑块之间安装改进的手动钳制器，通过夹持Z轴导轨，实现尾台的锁紧，锁紧力达40 000 N.

图3 尾台

（6）滑板上集成立式四工位伺服刀架、动力头，如图1所示，可实现车削、铣削、钻削、内外螺纹加工等多种加工工艺；动力头可快速拆卸，选配排刀板，如图4所示，针对小型零件，最多可实现7把刀加工，适应性强。

图4 刀架布局图

（7）主轴带C轴功能，配合动力头实现法兰钻孔、刚性攻丝、键槽等多种加工工艺，进口主轴单元，可实现4 000转高速高精加工。

（8）改进的尾台设计[4]，尾台整体铸造，前置手轮，如图1所示，具有高刚性和稳定性，操作更加便捷等优点。

（9）采用模块化设计[5]，实现C轴功能、尾台、液压站、动力刀架、排刀板、全防护和半防护的选配。

（10）采用智能数控系统，可实现智能编程、智能故障诊断，大大降低操作难度，与互联网无缝连接，实现远程监控、基于云平台的互联网制造等功能，实现加工的智能化、网络化。

3 主要参数

本机床的主要设计参数如表1所示。

表1 机床主要设计参数

4 样机测试

对样机进行了多项测试，由于篇幅所限，在此摘取部分数据，进行说明。

（1）动刚度测试

采用相对激振的方法，首先使用力锤对机床主轴单个方向依次进行激励，同时使用加速度传感器在激励点进行响应测量，测得频率响应函数。机床刀架、尾台使用同样方法测试。机床动柔度测试如图5所示。

图4机床动柔度测试

主轴的测试是使卡盘夹紧一段工件，在工件远离卡盘端部按机床X、Y、Z三方向分别激励，同时在激励点激励方向测量响应。

刀架的测试是在刀架上无刀的状态下激励刀架夹刀块的三方向；响应尾台的测试是在激励尾台顶尖固定处的三方向，表2为机床动柔度测试结果，表中数据可以看出三轴各方向的动柔度都比较小，也就是说动刚度都比较大没有明显的薄弱环节。

表2 机床动柔度测试结果

（2）切削振动测试

本次测量两台车床主轴、刀架及床身在切削外圆时的振动情况，主要考察机床振动性能。

测试时采用主轴转速分别为500 rpm、1 000 rpm、1 200 rpm以及1 500 rpm，同时切深由1 mm逐步增加到4 mm，进给量为0.3 mm/n.

通过表3测试数据分析，无论主轴转速如何，当切深达到2.5 mm时刀架的振动数值急剧上升，而在大切深时主轴和床身的振动数值却没有明显增加，这说明刀架的刚度是制约车床进行大切深工作的瓶颈，与之相比，主轴和床身的刚度要远远好于刀架。

表3 车床外圆切削振动速度

（3）其它测试

样机还进行了细长轴切削测试、重切功率测试、钻孔功率测试等多项测试，由于篇幅所限，在此不一一例举，通过以上各项测试，各项性能均达到设计要求，说明机床结构合理，床鞍和尾台共用导轨、尾台使用钳制器锁紧稳定可靠。刀架是整个机床刚性的薄弱环节，是后期机床改进的重要环节。

5 结束语

本文针对用户的需求，介绍了一种数控车床的开发，并通过结构的改进，有效地控制了成本，结构简单，制造成本低，通过样机的试制和测试，达到了预期的效果，现已开始批量生产，已产生了一定的经济效益。

[1]唐锐.普通机床数控化改造研究[J].煤矿机械，2008，29（2）：147-149.

[2]王福印.我国数控车床技术发展的现状与思考[J].西部大开发（中旬刊），2011（2）：37-43.

[3]赵仲琪．关于高档数控机床关键功能部件可靠性技术研究的探讨[J]．数控机床市场，2009（10）：22-25.

[4]耿华，王亮，张金军，等.一种直线导轨用车床尾座的设计[J].机床与液压，2016，44（10）：6-8.

[5]崔江红，裴有珍，陈卫星，等.数控重型卧式车床的模块化设计研究[J].机床与液压，2011，39（18）：9-11.

The Definition and Desin of NC Lathe

ZHANG Jin-jun，WANG Tian-yu，YANG Di
（Shenyang Machine Tool Co.，Ltd.，Shenyang Liaoning 110142，China）

This paper introduces an intelligent CNC machine，flat bed structure，adopts the linear guide rail，Z axis and end rail design，equipped with the C axis，and the vertical power tool servo turret，with improved tail design.And its development process is introduced.

intelligent lathe；share guide；servo turret

TG659TG502

A

1672-545X（2017）06-0152-03

2017-03-25

张金军（1980-），男，河北张家口人，硕士研究生，工程师，主要从事机床设计工作。