基于数控卧式车床的负荷试验方法探析

郭 艳，陈立贵，陶 亮，倪 娜，刘 鲲

（马鞍山市产品质量监督检验所，安徽 马鞍山 243000）

数控机床负荷试验是机床出厂检验和验收检验的重要检测项目，目的是检验机床是否满足设计要求，机床的刚度和各工作机构的强度，特别是考核机床主传动系统是否能承受设计所允许的最大转矩和功率。GB/T 9061-2006《金属切削机床通用技术条件》中规定，在负荷试验前后，检验机床的几何精度，因此负荷试验是机床的重要检测项目。

1 负荷试验方法[1][2]

数控卧式机床负荷试验依据标准GB/T 25659.2-2010《简式数控卧式车床 第二部分：技术条件》和GB/T 9061-2006《金属切削机床通用技术条件》。在机床空运转试验合格后，再进行负荷试验。进行负荷试验时，要求机床所有机构、各运动部件动作平稳、工作正常、无振动和噪声。主轴的转速不得比空运转转速降低5%以上。数控卧式车床负荷试验包括主传动系统最大扭矩试验、最大切削抗力试验、主传动系统达到最大功率试验、抗振性切槽试验。试验时记录切削试件的材料、试件尺寸、切削速度、进给量、切削深度、试验时的温度、湿度、功率、转速等信息。

2 负荷试验的检验内容及过程[3]

2.1 机床空运转试验

机床空运转试验检查机床传动系统、操纵装置、电气系统、冷却系统、润滑系统等部位是否正常运行。在不切削状态下运转机床，检验主运动进给运动的平稳性、机床温度的变化及空载功率。空运转试验包括温升试验、主运动和进给运动的检验、动作试验、空运转功率试验、整机连续空运转试验。其中主传动系统空运转功率应符合设计文件的规定。空运转试验合格后进行负荷试验。

2.2 主传动系统最大扭矩试验

试验时，在小于和等于机床计算转速的转速范围内选一适当转速，逐级改变进给量或切削深度，使机床达到规定扭矩。检验机床传动系统各传动部件和变速机构是否可靠，检验机床是否平稳和运动时候准确。用强力切削外圆进行试验，用功率表和转速表测量，最大扭矩计算如下式：

式中：T——扭矩，N·m；

P——切削时电动机的输入功率，kW；

P0——机床装有工件时的空运转功率，kW；

n——主轴转速，rpm。

2.3 最大切削抗力试验

试验时，选用适当的几何参数的刀具，在小于或等于机床计算转速的转速范围内选一适当转速，逐渐改变进给量或切削深度，使机床达到规定的切削抗力。检验各运动机构、传动机构是否灵活、可靠。最大切削抗力计算如下式：

式中：F——切削抗力的主分力，N；

P——切削时电动机的输入功率，kW；

P0——机床装有工件时的空运转功率，kW；

n——主轴转速，rpm；

r——工件的切削半径，m。

2.4 最大功率试验

根据机床的类型，选择适当的加工方式、试件、刀具，常用的进给量、切削速度，逐步改变切削深度使机床达到最大功率，检验机床在最大功率切削下各部分工作状态的稳定性、金属切除率及电气系统等是否可靠。

3 负荷试验实例

以CK400×1000型简式数控卧式车床为测试对象，机床的设计参数为：最大扭矩150N·m，最大切削抗力1600N，主电机最大功率5.5kW，床身上最大回转直径Da400mm，机床计算转速230r/min。采用规格型号为CA8336的便携式电能质量分析仪和光电式转速表，进行负荷试验。

3.1 主传动系统最大扭矩试验和最大切削抗力试验

根据GB/T 25659.2-2010《简式数控卧式车床第二部分：技术条件》规定，试件材料采用45钢，试件直径120mm，长度300mm，设置机床转速为230r/min。安装工件进行空运转试验，采用CA8336型便携式电能质量分析仪，设置三线三相制接线方式，三相电压与三相电流接入主电机的三相输入端，电流钳箭头方向与电流的方向相同。输入端测得空运转功率P0=1.115kW。

用强力车削外圆进行试验，用光电转速表测得机床转速 r=232r/min。根据式（1）、（2），已知 P0、r、T、n 的值，计算出达到最大扭矩150N·m时，P为 4.759kW，达到最大切削抗力1600N时，P为3.482kW。当进给量为0.4mm，切削深度为0.6mm时，通过电能质量分析仪测得机床主传动系统的功率为4.863kW，机床达到最大扭矩。当进给量为0.2mm、切削深度为0.6mm时，测得机床主传动系统的功率为3.592kW，机床达到最大切削抗力。检验机床达到最大扭矩、最大切削抗力时的运行状况。主传动系统最大扭矩试验和最大切削抗力试验流程如图1所示。

图1 主传动系统最大扭矩试验和最大切削抗力试验流程图

3.2 最大功率试验

CK400×1000型简式数控卧式车床的主电机功率为5.5 kW，用高速切削外圆，试验机床承受电机额定功率的能力。试件材料45钢，试件直径100mm，试件长度500mm，切削速度120m/min，进给量0.4mm，改变切削深度使电机达到额定功率，检验机床在最大功率下的运行状况。

4 结论

采用负荷试验检验机床的设计是否合理，机床的结构刚性与功率设备是否匹配。如果主电机功率设计过大，则机床能耗增大，不利于节能环保；反之，若设计过小，则会造成功率不够，机床无法正常运行。以CK400×1000型简式数控卧式车床为测试对象，进行了负荷试验，并画出主传动系统最大扭矩试验和最大切削抗力试验的流程图，为机床出厂检验和验收检验负荷试验方法提供重要的参考。