基于机床机械结构与性能优化的探析
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作者: 于文铖 迟永峰
摘要 数控机床是一种高精度、高效率的自动化机床，随着数控技术的发展，结合到它的控制方式、使用特点、机床的生产率、加工精度和寿命，对机床结构就有了更高的要求。本文对机床机械结构与性能的优化进行了探析和研究。
关键词 数控机床；加工精度；生产率；寿命
中图分类号TG659 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）58-0034-02
在数控机床发展的最初阶段，其机械结构与通用机床相比没有多大的变化，只是在自动变速、刀架和工作台自动转位及手柄操作等方面做些改变。随着数控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，才对机床的生产率、加工精度和使用寿命提出了更高的要求。
1 提高机床静动刚度
数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。由于机械结构的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能人为地调整与补偿，所以，必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内，以保证所要求的加工精度与表面质量。为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支撑结构，而且选用钢性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承铰接出相信忒力轴承，以减小主轴的径向和轴向变形。为了提高机床大件的刚度，采用封闭界面的床身，并采用液力平衡减少移动部件因位置变动造成的机床变形。为了提高机床各部件的接触刚度，增加机床的承载能力，采用刮研的方法增加单位面积上的接触点，并在结合面之间施加足够大的预加载荷，以增加接触面积。这些措施都能有效地提高接触刚度。为了充分发挥数控机床的高效加工能力，并能进行稳定切削，在保证静态刚度的前提下，还必须提高动态刚度。常用的措施主要有提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。试验表明，提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。钢板的焊接结构既可以增加静刚度、减轻结构重量，又可以增加构件本身的阻尼。因此，近年来在数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台。封砂铸件也有利于振动衰减，对提高抗振性也有较好的效果。
2 减少机床的热变形
机床内部发热时产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分离出去。在采取了一系列减少热源的措施后，热变形的情况将有所改善。但要完全消除机床的内外热源通常是十分困难的，甚至是不可能的。所以必须通过良好的散热和冷却来控制温升，以减少热源的影响。其中部较有效的方法是在机床的发热部位强制冷却，也可以在机床低温部分通过加热的方法，使机床各点的温度趋于一致，这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。对于数控车床的主轴箱，应尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。这就可以使主轴热变形对加工直径的影响降低到最小限度。在结构上还应尽可能减小主轴中心与主轴向地面的距离，以减少热变形的总量，同时应使主轴箱的前后温升一致，避免主轴变形后出现倾斜。
数控机床中的滚珠丝杠常在预计载荷大、转速高以及散热差的条件下工作，因此丝杠容易发热。滚珠丝杠热生产造成的后果是严重的，尤其是在开环系统中，它会使进给系统丧失定位精度。目前某些机床用预拉的方法减少丝杠的热变形。对于采取了上述措施仍不能消除的热变形，可以根据测量结果由数控系统发出补偿脉冲加以修正。
3 机床性能优化的策略
3.1 主传动运动的变速系统
其一，带有变速齿轮的主传动。这是大、种型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床业采用此种传动方式，以获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压油缸带动齿轮实现；其二，通过皮带传动的主传动。这主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动是引起的振动与噪声。但它只能使用与要求的扭矩特性的主轴。其三、由调速电机直接驱动的主传动。这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。
3.2 数控击穿主轴部件
其一，前后支撑采用不同轴承。前支撑采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合，后支撑采用成对向心推力球轴承。此配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强力切屑的要求，因此普遍应用于各类数控机床；其二，前轴承采用高精度双列向心推力球轴承。向心推力球轴承高速时性能良好， 主轴最高转速可达4 000r/min。但是，它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和紧密的数控车床；其三，双列和单列圆锥滚子轴承。这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。但是，这种轴承限制了主轴的最高转速和精度，因此使用中等精度、低速与重载的数控机床。在主轴的机构上，要处理好卡盘和刀架的装夹、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙调整、主轴部件的润滑和密封以及工艺上的其他一系列问题。
3.3 进给传动机械部件
其一，联轴器。联轴器是用来连接寄给机构的两根轴使之一起回转移传递扭矩和运动的一种装置。目前联轴器的类型繁多，有液力式、电磁式和机械式。机械式联轴器的应用最为广泛。套筒联轴器构造简单，径向尺寸小，但装卸困难(轴需作轴向移动)。且要求两轴严格对中，不允许有径向或角度偏差，因此使用时受到一定限制。绕行联轴器采用锥形夹紧环传递载荷，可使动力传递没有方向间隙。凸缘式联轴器构造简单、成本低、可传递较大扭矩，常用于转速低、轴的刚性大及对中性好的场合。它的主要缺点是对两轴的对中性要求很高。若两轴间存在位移与倾斜，救在机件内引起附加载荷，使工作状况恶化；其二，减速机构。齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个。一是将高转速的转矩的伺服电机的输出改变为低转速大转矩的执行件的输入；另一是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中专有较小的比重。此外，对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。
4 结论
数控机床是按照预先编好的程序进行加工，在加工过程中不需操作者参与，故对数控机床的结构要求精密、完善且能够长时间稳定可靠的工作，以满足重复加工过程的需要。
参考文献
[1]烨毓杰.数控机床[M].北京：机械工业出版社，2007.
[2]董献坤.数控机床结构与编程[M].北京：机械工业出版社，2004.
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