CA6140车床的数控旋压改造设计

【摘 要】本文确定了CA6140车床改造成数控旋压机的总体方案设计。还对旋压机床的横向进给、纵向进给方案进行了阐述，对液压系统的方案进行了分析确定，拟定了液压系统的原理图。

【关键词】车床；改造；数控旋压

1. CA6140车床改造为数控旋压机床可行性分析

CA6140车床已入厂5年，一直承担实验任务，未能批量生产过产品，机床本身机械部分的磨损很小，导轨和齿轮等的磨损也很小。原机床的综合精度为0.01mm，根据设备完好标准规定：

数控机床的精度=原机床精度×K（ K-机床使用年限系数） （1.1）

CA6140车床实际使用年限小于6年，K=1，机床的几何精度仍为0.0lmm，所以原机床从磨损程度角度能够保证对其进行数控化改造在技术上是可行的。对于CA6140车床和数控旋压机床，底座、工作台、床身等基础零部件都是必不可少的，它们的材质都是铸件或焊接钢件，这些零部件占用的原材料多，加工工艺复杂，加工周期长，耗费资金多。依托旧机床进行数控化改造，重复使用这些基础零部件，必然会大大降低制造成本。机床的役龄长，基础零部件的自然时效也长，内应力的消除使得基础零部件的稳定性更好。

2.车床旋压改造总体设计

卧式旋压机的主要组成是由装卡芯模的主轴箱，安装旋轮的旋轮架，顶紧毛坯的尾座以及床身组成。它与车床的不同之处在于加大了功率，尤其是加大了旋轮对芯模的顶力以及旋轮纵向进给的拖动力。在考虑CA6140车床具体情况的基础上，利用数控系统的强大功能，设计出符合数控系统需要的机械结构。本次改造成的数控旋压机采用步进电机的控制方式来驱动机床进给，可以进行强旋加工，两个旋轮同步工作。旋压出锥形、筒形、曲母线形及葫芦形等特殊形状的零件，是一台自动化程度较高的旋压机床。

改造后的机床预达到横向重复定位精度：±0. 01mm，纵向重复定位精度： ±0. 02mm。

基于上述设计思想，数控旋压机机床系统包括三个部分：由微机控制的计算机控制系统、由机械部分组成的执行系统以及可使两者相联系的伺服系统组成。我们对机床机械部分进行重新设计，同时要对数控系统和电气控制系统进行开发。

机械系统主要由主轴箱、旋轮座横纵向移动装置、旋压轮、尾座、床身等组成。

主轴箱仍保留原主轴箱齿轮换档变速机构，由数控系统控制主轴的转动和停止，通过手动改变主轴的转速。旋轮座横纵向移动装置安装在旋轮架及侧床身上，使实现成形进给运动的旋轮拖板作横向、纵向、回转3个坐标位移，使整个旋压机床加工范围扩大，旋压过程在理想位置上工作。旋轮架是用来装卡旋轮的，可以沿横向移动，同时也可随车床拖板作纵向移动，实现旋压过程中的循环工作。并根据所加工零件的实际情况，改变旋轮安装角度（攻角）以适应工艺的要求。尾座通过尾顶油缸前后动作卡紧或松开工件。旋轮头用于滚压毛坯完成对零件的旋压加工。并可以通过更换旋轮头装置来实现不同的旋压加工。

本文只对机械传动部分进行设计和受力分析，并根据工艺的要求设计出一套液压系统，以便对实际改造作出很好的理论指导和依据。其总体改造思路示意图如图2.1所示。

数控机床的特点是高精度、高效率、高速度、低摩擦。从机床布局，基础件结构设计，轴承的选择与配置，要十分注意提高它们的刚度；零部件的制造精度和精度保持性都比普通机床高很多，基本上要按精密或高精度机床考虑。所以还要对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，以获得预期的改造目的。除了保持原CA6140车床的基础零部件如底座、工作台、床身不作重新设计外，对机床大拖板进行重新设计，在上面放置了一对称的旋轮架装置。在设计上要达到：有高的静动态刚度、运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙、功率大、便于操作和维修。

考虑到CA6140车床结构对改造过程的影响，在保证改造后机床性能的基础上，尽量减少原机床的改动量、降低改造难度、减少改造成本。决定采用以下步骤，保证改造过程的顺利进行。

（1）导轨

为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性，采用在机床滑板导轨上贴聚四氟乙烯软带的办法，减少摩擦阻力，提高防爬、耐磨、消震吸音的能力。

（2）主轴变速箱

保留原主轴箱齿轮换档变速机构，由数控系统控制主轴的转动和停止。通过手动改变主轴的转速。

（3）床鞍

拆除原车床床鞍上的刀架、中拖板部分，在拆除后的床鞍上放置两个对称布置的旋轮架。用于支承旋轮并推动旋轮作进给运动和其他辅助运动。

（4）刀架

对车床的刀架进行改造，车床床身前后对称设置两个刀架，用一滚珠丝杠实现两个刀架横向相向往复运动。另用一纵向装置的滚珠丝杠实现刀架的纵向往复运动。

（5）溜板箱

保留溜板箱中丝杠与溜板箱的连接结构，拆除原溜板箱上的其余零件。改造后机床的启动、停机均由数控系统完成，但保留原机床的手动刹车装置。

（6）尾座

保留原有尾座中的结构，设计一液压缸与尾座相连接，实现工件的液压顶紧。

（7）液压站

根据旋压加工的工艺要求，设计一液压站，满足旋压过程中控制液压缸实现对所加工工件的夹紧。

3.旋压机床横、纵向进给传动方案的确定

旋压机横、纵向传动是实现初始旋压成形时进轮以及旋压结束时的退轮，有多种方案可实现这一过程，经过对轴向柱塞马达传动，电机丝杆传动，推力油缸驱动三种方案进行比较，决定采用伺服驱动加滚珠丝杠为驱动单元。与传统的液压伺服驱动相比有许多优点：更高的控制精度、惯性小、更快的工作速度、更好的动态性能、准确的加速度控制、更好的热稳定性、避免了摩擦、精确的同步精度弹性退让、无漂浮、从而能提高旋压加工生产的效率，旋压产品精度较高、设备故障率低、降低了维修成本、电能利用率高。

机床横向传动系统主要实现旋轮的横向进给。高性能伺服电机通过减速机构与滚珠丝杠相联，从而带动旋轮座移动。传动系统简单，传动链大大缩短，传动件数减少，极大地提高了机床的定位精度。我们要采用这种方法。滚珠丝杠一端通过ZARN系列轴承固定在框架侧板上，另一端通过丝杠螺母固定在旋轮座上推动旋轮作横向运动。由于设计的数控旋压机床的纵向传动系统目标精度并不是太高，用滑动梯形丝杠螺母机构完全可以达到设计要求。滑动梯形丝杠螺母机构如果与螺距校正装置和消除间隙机构配合应用，则可用于精密位移，位移精度可达0.001mm。考虑到原CA6140车床的梯形丝杠，我们把它从原机床的主轴传动系统中分离出来，通过减速机构与伺服电机连接，带动原CA6140车床大拖板的运动，从而实现旋轮的纵向进给。

4.液压系统的方案分析与确定

辅助系统包括旋压机的尾顶装置、冷却装置及润滑装置。CA6140车床尾座的夹紧采用手动螺母—压板夹紧。改造后的旋压机床承重达较大，为安全起见，要求对工件施以可靠的轴向顶紧力，顶紧工件的同时，工件会以同样大小的反作用力施加给尾座，所以，尾座的轴向定位必须可靠。拆除原CA6140车床尾顶装置的顶紧部分，保留尾座体和内部的螺母套部分，在此部位安装一尾顶油缸，液压杆与原来的尾顶螺母套相连接，通过液压缸的动作提供所需的尾顶力。

由于液压传动具有工作平稳、快速性好；易于操纵控制并实现过载保护；易于自动化和机电液一体化；易于实现直线运动；液压系统设计、制造和使用维护方便的优点，故方案的尾顶部分采用的是利用液控单向阀的保压回路，使系统在液压缸不动或因工件变形产生微小位移的情况下保此稳定不变的压力。如图3.1，其工作原理为：当电磁铁2YA得电时，换向阀7右位工作，液压缸10下行并加压，当压力上升到电接点压力表9上限触点调定压力时，压力表发出电信号，使2YA失电，换向阀7处于中位，液压泵4卸荷，液压缸由液控单向阀8保压；当压力下降至电接点压力表下限触点调定压力时，压力表发出电信号，使2YA得电换向阀右位工作，液压泵重新向液压缸供油，使压力回升。这种回路保压时间长，压力稳定性高。

5.结束语

本文分析了CA6140车床改造为数控旋压机床的原理和步骤，详细研究了改造过程中的关键技术。在改造过程中，综合考虑了控制精度和经济适用的要求。

参考文献：

[1]徐 灏 机械设计手册 [M] 北京 ：机械工业出版社 1991.

[2]王成和 刘克璋 旋压技术 [M] 北京 ：机械工业出版社 1986.

[3]钱忠宛 尤启国 普通车床改制成普旋机床 [J] 江苏机械制造与自动化 1996.2 .

作者简介：

马书娟 女 1979年6月出生 沈阳谊诚电气设备制造有限公司 助理工程师。