试论机床机械结构和性能优化吕剑锋

试论机床机械结构和性能优化吕剑锋

吕剑锋

吕剑锋

中国航空发动机哈尔滨轴承有限公司黑龙江哈尔滨150025

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。

关键词：机床机械；结构；性能优化

数控机床与普通机床相比，在机械结构上并没有很大的区别，只是对刀架、自动变速等部分作出了改变。随着数控技术的不断发展，人们对机床的工作效率、加工精度和使用寿命等有了更高的要求，这就必须要在原有的基础上对其结构和性能进行优化，对机床进行更深层次的研究。

一、机床机械结构优化分析

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。

2、降低机床热变形。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。

二、主轴部件的动态优化设计

1、主轴前轴承刚度变化对主轴静、动特性的影响分析。主轴前轴承刚度和阻尼对主轴部件的动特性有较大的影响,通常,阻尼越大,主轴部件的动态性能越好，如图1所示。1)随着前轴承刚度的增加,主轴前端的静变形呈现减小的变化趋势,说明增大主轴前轴承径向刚度,可以提高主轴静刚度。2)轴承刚度的提高,主轴部件的低阶固有频率提高,但对于动力响应来说,第2阶共振时的峰值y、z方向均呈现减小的趋势,而第3阶共振峰值出现局部增大的变化趋势；由此可知,过大地提高数控车床前轴承刚度对改善主轴部件的动特性反而不利。3)归纳上述两点,可知当前主轴部件前轴承的径向刚度在刚度变动范围内能满足当前主轴部件的静、动特性的要求。

主轴轴向尺寸变化对主轴静、动特性的影响分析。根据图2变化曲线可得出:1)随着主轴轴向长度的减少,主轴静变形在达到一个最低峰值后呈现上升的变化趋势,说明随着主轴轴向长度的减小,主轴前端静变形变大。2)主轴第3阶模态频率随轴向长度的减少,基本上呈现增加的变化趋势。第3阶模态在y方向的谐响应峰值随轴向长度减小而明显下降,且峰值差值在100mm处达到最小,即振动时能量分布更趋合理。3)由上述可知,通过减少主轴轴向长度来提高主轴部件的动态特性是可行的。

三、机床机械性能优化设计

1、变速系统的优化设计。机床机械的变速系统，是指主传动运动的变速系统。基于机床机械性能的优化，分析变速系统的设计。1）皮带传动类型的主传动优化设计，此类变速系统，常用于小型的机床机械加工中，防止齿轮传动上，出现噪声或振动的问题。此类变速系统的优化设计内，需要匹配具有扭矩特征的主轴，利用变速系统的优化，提高机床机械的结构性能，完善生产的过程。2）变速齿轮主传动的优化设计，应用到大型、中型的机床机械生产中，配置齿轮减速的方法，增加输出扭矩，确保输出扭矩，能够满足机床机械的主轴需求，很多小型的机床机械上，也会采用此类变速系统，以便取得强力的切削扭转，优化机床的机械性能优化。3）调速电机驱动下，主传动系统设计，此类传动方法，简化箱体、主轴的相关设计，提升了主轴的刚度。此项性能优化中，需要特别注重电机发热问题，以免影响到机床机械的主轴加工精度。

2、主轴部件的优化设计。机床机械性能优化中，主轴部件是指数控击穿作用下的主轴部件。主轴部件的优化设计中，首先，机床机械的前后支撑，应该采用不同的轴承结构，例如前支撑中，双列短圆柱滚子轴承，以及双列向心推力球轴承，两者相互组合。后支撑中，同时采用两组向心推力球轴承，主轴部件的优化设计，能够在很大程度上提高机床机械的刚度数据，能够实现强力切削，其可应用到各种类型的机床机械中；然后，主轴部件的前轴承中，运用高精度的双列向心推力球轴承，此类配置性能高，其在结构中的运行转速，每分钟可以达到4000转，承载相对较小，只有在轻载、高速的条件下，才能满足机床机械的性能要求；最后，主轴部件的配置中，采用双列、单列的圆锥滚子轴承，提供径向刚度，以便提高受重荷载，促使轴承在机床机械中，能够承载较大的荷载，灵活调整机床机械的设计。此类轴承的优化设计，在转速与精度上，存在着缺陷，可以应用到重载、低速的机床机械内，合理有利主轴的刀架、卡盘等，进而优化机床机械的结构性能。

3、机械部件的优化设计。机床机械部件的优化设计，是性能优化的一部分，其中进给传动机械部件，是最为关键的设计。机床机械的进给传动机械部件，其在优化设计时，主要分为两种配置：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、数控机床加工工艺优化。确定数控零件加工内容及几何信息，研究数控加工工艺性图样、确定数控加工工艺路线，选定数控加工所需刀具等。应该根据所要加工的零件尺寸、形状、数量、材料、精度等去合理地制定，其中合理的加工工序安排对于数控加工过程中减少废品、控制质量尤为重要。数控加工过程中，即使正确的编程对于大批量生产来说也会不时加工出废品。尽管是同一批毛坯件或者原料，其质地也不可能完全的相同，这在要求加工精度极高的时候很容易产生局部精度的不满足而导致报废。合理的加工工序会使得零件存在可以再次被加工修复的可能，正如加工轴类零件只可能越修越细，而孔会越修越大。

四、结语

机床机械加工的过程中，结构生产具有一定的特征，机床机械的过程中，数据系统内，需要输入相关的指令，完成成本加工的过程，期间实现了有效的自动化，有利于提升机床机械的精度，重点分析机床机械性能，采用优化的手段，维护机床机械的性能稳定，强化机床机械的生产过程，以免影响机床机械的加工状态，规范机械的生产性能。

参考文献：

[1]朱江.试论机床机械结构和性能优化[J].科技与创新，2014.

[2]盖立亚.机床机械结构与性能优化探析[J].科技传播，2016.