卧式重型数控车床的设计

隋连香 王 晶 刘丽芳

（①沈阳理工大学，辽宁沈阳110168;②沈阳机床集团公司，辽宁沈阳 110142）

数控机床既是国防工业现代化的关键技术装备， 也是国际制造业技术和商业贸易的重要构成［1］。而面对我国航空、航天、核电、风电、船舶等国家重点领域的重大工程项目对关键加工装备的迫切需求［2］，发展大型、重型高档数控机床意义非凡。该车床正是为了满足加工技术的快速发展要求而设计的加工设备。本机床主要用于加工各种大型或超大型轴类和盘类工件，可以车削各种螺纹、圆弧、圆锥及回转体的内外曲面，能够满足黑色金属及有色金属高速切削的速度需求，也适合于汽车、摩托车、船舶、航天和军工等行业对转体类工件进行高效、大批量、高精度的加工。该车床的研制，不论对企业还是对国家都有不可估量的重要意义。

1 机床总体设计

1．1 整体结构

为加工各种大型或超大型转体类工件，本机床床身采用卧式放置，其上装配有主轴箱、尾台、X轴/Z轴进给机构、刀架、中心架、辅助支架、液压系统等主要部件，并采用框式刀架结构。机床总体结构简图见图1。

1．2 主要部件结构

（1）床身

该机床床身采用内部筋形布局，有较高的刚性。导轨及复导轨面均采用中频淬火磨削工艺，淬硬层深2～3 mm，硬度达52 HRC以上。在滑动导轨面处采用贴防爬行导轨板等工艺措施，使进给系统的刚度、摩擦阻尼系数等动态特性处于最佳状态，避免了低速爬行现象的发生。床身采用多段接驳而成，连接处有螺栓及销钉，使连接处有较高的连接刚性和定位精度。

（2）主轴箱

该机床主轴箱是用直流电动机驱动，其传动过程采用:主电动机—皮带传动—齿轮变速的传统传动方式［3］，并通过液压油缸来实现变速的传动结构。本机床有2档转速，第1档转速为1～74 r/min，第2档转速为3～200 r/min，每档内都可实现无级变速。油缸有3个位置，每个位置对应1个固定齿轮（其中有1个位置为空位，空位时可手动转动卡盘），从而实现了2级转速。主轴的正反转及刹车是由主伺服电机的正反转及起停控制的。

（3）尾座

该机床尾座为电动、手动操作双能尾座。结构见图2。

①尾座移动与锁紧 尾座沿床身在Z轴方向整体移动与锁紧。移动由电动机6拖动一套齿轮传动机构来实现;也可用四方扳手摇动接口4，来实现尾台的移动。尾座配有4个液压锁紧油缸，在尾座到达指定位置后泄压，由碟形弹簧拉紧拉杆使尾座锁紧于床身上。

②尾座顶尖伸缩与顶紧 可以通过机床控制系统发出指令使得电动机5正反转，通过传动机构拖动尾座套筒的伸缩和顶紧;此外也可以通过推动手轮1与蜗杆轴离合器啮合，摇动手轮进而带动套筒和顶尖伸出或者反向旋转带动顶尖缩回;实际操作过程中可以依据尾座上压力指示牌所给定的数据确定尾座套筒顶紧力大小，尾座套筒顶紧或者停止视压力表是否达到实际工况需要而定;板手接口2是用来锁紧尾座套筒的。

（4）液压系统

由于液压传动具有输出力大、重量轻、惯性小、调速方便和易于控制等优点，在完成和提高数控机床性能方面发挥着不可替代的作用［4］。本机床分别对主轴箱齿轮变速、液压卡盘的夹紧与松开、润滑和尾座的定位采用了液压控制。该液压系统由油箱、泵组、操纵板和阀等组成。液压系统压力16.5 MPa。液压站采用HL－46号液压油，油液的清洁度为9级。

（5）X轴和Z轴进给运动

Z轴进给运动采用双电动机消隙结构，即2台伺服电动机分别直联2个减速器，减速器前端安装有齿轮，通过齿轮与安装在床身上齿条的啮合来实现Z轴进给，同时通过电气参数控制2台伺服电动机的同步运动，实现两个齿轮分别向两侧靠紧齿条齿面，从而达到消除反向间隙的作用;床鞍上的刀架沿床鞍在X轴方向移动是由X轴伺服电动机经皮带轮及皮带连接滚珠丝杠驱动的，并配备国外进口的高精度滚珠丝杠，以确保高精度，且传动准确。

2 机床主要技术参数

最大加工工件直径/mm:3 200;

最大切削长度/mm:5 000;

最大切削直径/mm:3 200;

主轴转速范围/（r/min）:1～200;

X轴快移速度（m/min）:5;

Z轴快移速度（m/min）:6;

X轴行程/mm:1 250;

Z轴行程/mm:5 000;

液压系统压力/MPa:16．5。

3 控制系统及加工过程

3．1 控制系统

本机床CNC控制系统采用法国NUM1050，伺服驱动为MDLU全数字式，具有精度高，运行速度快等特点。

3．2 加工过程

机床启动，X、Z两个方向的运动部件移至机床零点，启动预先编好的加工程序，机床各部件将按自动的指令运动，对被加工件进行加工。当加工空间曲面时，X、Z可以联动完成对空间曲面的加工。加工完毕后，各轴退回到零点位置，刀具和主轴停止转动，等待下一个工件的加工。

4 结语

该重型数控车床不仅可以完成各种螺纹、圆弧、圆锥及回转体的内外曲面的加工，并能满足黑色金属及有色金属高速切削的速度需求，尤其解决了各种大型或超大型回转体类工件在加工中存在的高效、大批量、高精度的问题。该机床投入使用后，已加工出多种应用在汽车、摩托车、船舶、航天和军工等行业的大型回转体类零件，机床运行状况稳定，工作可靠，完全满足了机床的设计要求。

［1］薛志红，宋博，李晓峰，等．大型平床身数控车床主电机功率的设计［J］．装备制造技术，2008（7）．

［2］方雄文．立式加工中心产品的发展趋势［J］．制造技术与机床，2009（12）:47－49．

［3］张惠敏．五轴联动数控机床的设计［J］．机床与液压，2010（8）．

［4］刘乐平，董启政，邓国洪，等．高速高精数控车床液压系统的设计［J］．液压与气动，2011（7）．