CAK0830数控排刀车床设计

侯玉新

（上海优尼斯工业设备销售有限公司沈阳分公司 沈阳）

摘要： 收集分析了国内外数控车床的发展现状，分析整理了各类车床的结构、配置等参数，最终确定了采用平床身、斜床鞍、排刀刀架的基本结构，并确定了机床设计参数。完成了CAK0830机床的整体三维模型设计，结合机床设计理论知识，对机床的主轴扭矩、伺服系统等进行分析计算确定了机床传动结构，使用有限元分析工具优化部件模型，并最终确定各部件结构。

关键词：数控排刀车床；车床结构；滑块固定；产品化；有限元分析

1 前言

目前数控车床在国内已经得到了普遍应用，具有结构简洁、性能稳定可靠、性价比高等优点，已经逐步取代传统的普通车床，成为国内机械加工业车床工具的主力设备。作为通用类设备，目前数控车床在结构设计上大而全，但用户在实际使用时往往仅用到其某几项加工能力，造成机床在加工能力、占地面积、耗能上的浪费，针对短轴类工件需要有针对性的机床。本文对CAK0830数控排刀车床进行了设计研究，从机床结构、机床性能、机床配置等方面入手，为平床身、斜床鞍机床配置排刀刀架，特别是为X轴采用的滑块固定、导轨移动结构应用积累了许多经验，并批量制造机床投入生产，实际使用效果良好。

2 数控排刀车床总体方案设计

2.1 数控车床的结构特点

数控车床总体是在原普通类机床基础上改进设计而来，相比普通设备，数控机床结构简化了变速机构，并使用两轴伺服电机替代了普车使用的动力传递系统，使进给机构变得简洁。机床配套零件总数减少40%以上，相比于普通车床更适合大批量生产制造。两轴數控车床按其加工精度、结构类型、导轨形式又可以分为经济型数控车床和普及型数控车床。

2.1.1 经济型数控车床结构与模块

经济型数控车床是在普通车床基础上升级改造而来的，加工精度等级IT7级，它主体以普通车床为基础，去除不必要的变速齿轮及控制机构，使用变频电机或主伺服电机实现工件的无极变速，从而制造出经济型数控车床。此类车床Z轴采用整体铸件磨削加工的山形导轨，X轴采用铸件磨削加工的燕尾型导轨，配合P4级滚珠丝杠实现进给部件的控制，搭载经济型数控系统，实现IT7级精度工件的批量、自动化加工[1]。

经济型数控车床模块主要分为床身、床头箱、尾座、刀架、床鞍、卡盘、中心架、防护、操作系统、包装等几大类。

经济型数控车床因其精度稳定、适应范围广、成本低等特点深受用户喜爱，在我国的现有数控车床中占比仍然很高。但随着数控技术的不断发展，山形导轨的加工、维修因其需要专用设备已经成为制造难点，铸件导轨的摩擦系数大也导致了机床控制精度无法提高，无法保证高精度工件加工质量[2]。滚动导轨的发展和成本的下降，将逐步促进铸件导轨的更新换代。

2.1.2 普及型数控车床结构与模块

普及型数控车床加工精度等级为IT6级，较经济型数控车床高一个等级，是精密型加工设备，为保证加工精度，其结构设计有别于经济型机床 其采用了两轴线轨传动，高精密滚珠丝杠拖动进给部件运动，运动时是滚动摩擦，极大地降低了运动部件间的摩擦系数，从而提高了运动部件的定位精度和重复定位精度，进而提高了整机的加工精度。如图2.2所示，普及型数控车床模块主要分为床身、床头箱、尾座、刀架、床鞍、卡盘、防护、操作系统、包装等几大类[3]。

2.2 排刀型数控车床的结构特点

工件的分类有大有小，有长有短，针对一些短轴类工件，如通讯领域的各类接线端子、电子领域的各类小轴、医疗领域的各类仿形器件都需要高转速、高效率、自动化加工，排刀机床就是针对这类工件专业设计的一类数控车床，配置专用的排刀，优化刀具配置，实现一次装卡，全序加工，提高了机床利用率，在结构设计上要充分考虑机床占地、能耗、环保等要求，综合的提高机床性能。

2.2.1 数控排刀机床的结构对比分析

本课题研究的数控排刀车床是在普及型数控车床基础上，取消刀架结构，采用排刀滑板，使用刀夹将多把刀具同时安装在滑板上，靠滑板的X轴快速移动实现换刀等功能。

通过结构对比可以发现，为降低批量制造难度可以采用平床身斜床鞍配两轴滚动导轨结构；为提高机床加工效率可以采用主伺服电机、排刀结构；为减小机床占地面和自重可以取消不必要的尾座模块，整机在保证机床刚性前提下，尽量缩小体积，减少重量，图2.3示机床结构紧凑，较标准机床更易于批量生产，加工效率预期提高25%，体积缩小30%，重量减少30%。

2.2.2 数控排刀机床的性能对比分析

排刀车床在加工上，具有其独特性质，在缩短辅助时间，提高加工稳定性上，都有突出表现[4]。

工件的加工效率体现在实际切削时间和辅助时间上，在加工参数一致情况下，我们需要尽量的缩短换刀、工件调整、测量等辅助时间，从而最大化的提高生产效率，相比配置刀架的车床，排刀车床在性能参数上有如下改进：

小结：通过数控车床结构及性能对比分析，数控排刀车床在主轴转速、快移速度、换刀时间上优于其他机床，并且自重合理、占地面积更小，适合批量使用。

2.3 CAK0830数控排刀车床方案设计

机床方案是机床设计的总体依据，目前普遍采用三维设计软件绘制整机模型，将机床部件按模块化分类，有利于设计改动和管理。新款机床设计首先要确定机床的主要参数如：主轴头形式、主轴通孔直径、主轴最高转速、主轴最大扭矩、X/Z轴行程、床身最大回转直径、滑板最大回转直径等。

一般针对某几个行业进行分析可以总结出其加工零件的总体类别，加工范围，精度需求，效率需求等基本信息，结合我们常用的按加工直径大小分类，可以初步的确定机床针对性的参数。

2.3.1 数控排刀车床方案设计

数控排刀车床在总体结构设计上初选了三个方案：平床身滑动导轨方案1、平床身斜床鞍线轨方案2及平床身斜床鞍线轨固定滑块移动方案3，其结构简图如下：endprint

方案1：采用平床身、平床鞍结构，导轨采用Z轴山形滑动导轨、X轴滚动线轨

方案2：采用平床身斜床鞍结构，两轴均采用滚动线轨，X轴导轨固定、滑块移动

方案3：采用平床身斜床鞍结构，两轴均采用滚动线轨，X轴导轨移动、滑块固定

2.3.2 数控排刀车床方案对比分析

数控车床的设计在满足用户高速、高效车削前提下，也要充分考虑实际使用时，能耗、占地、制造经济性、维修便捷性等因素。

通过对比可以发现，方案3在加工精度、制造经济性、占地面积、自重及市场认可度等方面均具有优势，数控排刀车床方案最终确定为方案3。

2.4 本章小结

本章从精度、结构、配置等方面对现有的机床进行了对比分析，设计了多个车床方案，结合多种因素确定了采用平床身、斜床鞍结构作为最终方案，确定机床加工精度等级IT6级，主轴最高转速5000r/min，配置排刀刀架。

3 数控排刀车床的部件设计及有限元分析

机床部件设计是整个工作中重要的部分，而将整机划分为不同模块可以有效的提高设计效率和准确性。有限元分析可以寻找各个环节中的薄弱环节，进行针对性的改进，提高整个模型的性能。

3.1 数控排刀车床的床身设计

3.1.1 床身结构设计

床身是机床的基础支撑部件，对机床刚性、自重、防护性、占地面积等具有重要影响。此系列机床采用平床身斜床鞍结构，床身导轨为水平布置形式，优化内腔及筋形结构减轻自重、减少占地面积。

3.1.2 床身结构的有限元分析

在进行有限元分析时，通过不同位移和应力结果，我们可以调整零件结构及筋形布局，进而优化设计使部件性能达到最佳结果[5]。床身约束为地脚支撑固定约束，载荷分为重力载荷和加工切削时的切削载荷，在设定的约束和载荷下，床身变形及应力情况如图3.1所示：

通过模型分析可以发现，床身部件的最大变形在床身中间部位，最大变形量为0.008445mm，符合床身中间部分刚性较弱的原理，是床身部件的较弱环节，通过调整铸件壁厚及增加加强筋，控制此处的变形量最小。應力最大位置为地脚固定位置，此处合理加强薄厚，提高安全系数。

3.2 数控排刀车床的主轴设计

车床主轴是车床最主要的部件，其回转精度、刚性直接决定整机的加工精度、刚性。本机床设计希望能提高最高转速、提高加工效率，在主轴设计上就需要选择适合高转速的轴承配置形式，结合同类产品结构，选用了前3后2的角接触球轴承配置形式，保证主轴最高转速5000r/min并通过合适的预紧力保持足够的主轴刚性[6]。

3.2.1 主轴箱结构设计

为降低机床制造难度，降低装配难度，机床采用整体套筒式主轴单元结构，装配时将配套的主轴单元直接安装到主轴箱孔内，主轴预紧及刚性在套件装配时保证，极大地降低了制造难度。

主轴部件参数要求，最高转速6000r/min，温升小于20摄氏度，主轴动平衡达G1级[7]。

3.2.2 主轴箱结构的有限元分析

主轴箱体是主轴的支撑部件，其性能对主轴切削精度有决定作用。本机床采用套筒式主轴单元，极大地降低了主轴箱的制造难度，但其支撑刚性需要详细设计核算。在有限元分析中，主轴箱受力主要来源于重力、切削力及主电机皮带的拉力[8]。

图3.2所示为主轴箱体在承受重力、切削力、皮带拉力下的应力和应变情况，在铸件设计上要尽量避免铸件应力集中在主轴孔壁上，避免最大变形发生在主轴孔壁上，要通过调整床头箱体壁厚和结构，实现应力分散，并控制变形远离主轴轴线，以保证支撑刚度和精度。

根据位移云图发现主轴箱在受力下其最大变形位置在箱体上部的凸台处，最大变形量0.004555mm，变形位置及数值符合设计要求。应力集中在螺钉固定位置，符合设计要求。

3.3 数控排刀车床的进给部件设计

机床进给部件是控制刀具运动的移动部件，对刀具的控制精度和刚性强弱是衡量进给部件好坏的主要因素[9]。

3.3.1 X轴结构设计与布局

X轴排刀结构，实现了X轴线轨移动，滑块固定的功能，在刀具切削过程中，刀尖距滑块支撑点位置始终没有变化，有效的防止了刀具震动，提高切削稳定性[10]。在后期防护设计时，因导轨隐藏在滑板下面，简化了防护设计，机床防水性能相比刀架防护也有了很大提高。

在满足理论计算基础上，首先确定X轴滑板相对主轴中心的分布结构，排刀机床刀具可以分布在主轴中心线两侧，可将预期的X轴行程相对主轴中心对称分布，机床为保证每把排刀在车削时刀具受力点稳定，使用了将X轴滑动导轨随滑板移动，滑块固定在床鞍上的结构，简化了X轴滑板的设计。

根据主参数确定X轴行程，进而确定X轴丝杠及其支承结构的具体尺寸，如图3.3，图3.4所示，为X轴进给部件剖视图。

3.3.2 进给部件结构的有限元分析

进给部件中涉及两个主要铸件，床鞍及滑板，床鞍是进给部件的支撑部件，滑板是排刀夹的支撑部件，两者对刀具的切削刚性有直接影响，在设计时要充分考虑刚性、自重及自身变形等对刀具的影响，图3.5为床鞍滑板切削仿真的位移和应力云图。

通过有限元分析，我们可以发现床鞍位移最大位置发生在上部丝杠托架支撑台边缘，最大位移0.009436mm，应力最大位置为底端固定滑块位置，滑板最大位移发生在滑板中部靠近主轴端边缘，最大位移0.001178mm，应力最大位置为前滑块固定孔。床鞍及滑板位移最大位置均为理论设计位置，其数值通过优化铸件结构尽量减小，保证良好的刚性和稳定性。

3.4 数控排刀车床的防护设计

机床防护起到两方面的作用，一方面保护机床的各个部件，特别是移动部件防止刮伤、不正常磨损，这类防护统称为内防护，如导轨罩、刮屑板、电缆拖链等；另一方面是保护操作者安全和现场环境整洁，这类防护统称为外防护，如防护罩门、前后防护罩、排屑器等[9]。

防护主要改进为：X轴滑板使用一个整体的防护罩，避免了多层拉罩易损坏、易干涉等问题；床身铸件上，直接铸造出双层防水沿，确保切削区冷却液、切屑等完全导入排屑器；内拉罩左端为一个整体件，保证了最大快移速度时安全性；整体外观美观，更新颖实用。

3.5 本章小结

数控车床的模块设计可以有效的提高设计效率和准确性。本章就是将数控车床进行了部件分解，并通过理论计算、模型模拟、有限元分析等手段完成部件性能校核工作，逐步的修改和完善整机模型，最终确保理论模型符合设计要求。

机床其他部件如电机部件、卡套部件、冷却部件、标牌部件等多为外购件，装配时按要求组装调试即可，在此不一一详细说明。

4 结论

本文结合现有数控车床结构，面向通讯产业、医疗产业、接插件产业，针对小轴类工件大批量、多刀具、高效率等要求，设计了CAK0830数控排刀机床。使用有限元分析软件优化整机动静态性能，改进各部件结构。机床为平床身、斜床鞍结构，配置排刀刀架，使用套筒式主轴单元结构，实现高转速、高效率加工。X轴滑板采用滑块固定，导轨移动的结构，在增大X轴行程下，保证了刀具加工时受力点始终处于滑块中心，提高机床稳定性。通过此次设计研究，为平床身、斜床鞍机床配置排刀刀架，特别是为X轴采用的滑块固定、导轨移动结构应用积累了许多经验，为同类机床改进提供了数据，机床进行了批量生产，产品在客户实际加工过程中表现良好。

参考文献：

[1] 洪达. 车床刀架结构的种类[J]. 机械工人.冷加工，1993，09：22-23.

[2] 何成浩. 数控车床床身结构的有限元分析与优化研究[D].昆明理工大学，2013.

[3] 粱波，查志，杨进周. 主轴轴承结构及其高速性[J]. 轴承，1997，09：2-7+47-1.endprint