C1563立式車床已使用60余年，主體結(jié)構(gòu)件穩(wěn)定，傳動(dòng)系統(tǒng)老化，對(duì)機(jī)床X軸、Z軸傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，確定合理的改造方案，對(duì)機(jī)床再制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1  序言

C1563立式車床于1959年引進(jìn)，已使用60余年，機(jī)床在使用過程中只進(jìn)行過常規(guī)大修，機(jī)床主體結(jié)構(gòu)件性能穩(wěn)定，但X軸（滑座橫向移動(dòng)）和Z軸（滑枕縱向移動(dòng)）傳動(dòng)系統(tǒng)老化，齒輪磨損嚴(yán)重，精度差，噪聲大，備件無法采購。為恢復(fù)機(jī)床的正常使用性能，決定對(duì)其傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，重新設(shè)計(jì)X軸及Z軸傳動(dòng)系統(tǒng)。

2  原傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)述

C1563立式車床原傳動(dòng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，如圖1所示。

圖1 C1563立式車床傳動(dòng)系統(tǒng)示意

1、12—進(jìn)給電動(dòng)機(jī)　2、9—橫梁夾緊電動(dòng)機(jī)　3、8—滑枕夾緊電動(dòng)機(jī)　4、10—快速電動(dòng)　5、7—滑座夾緊電動(dòng)機(jī)　6—橫梁升降電動(dòng)機(jī)　11—主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)

從圖1中可以看出，在原傳動(dòng)系統(tǒng)中刀架滑座橫向運(yùn)動(dòng)（X軸）和刀架滑枕縱向運(yùn)動(dòng)（Z軸）由于都是通過共同的快速電動(dòng)機(jī)（7kW，1335r/min）和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)（6.6kW，27～2700r/min）經(jīng)由共同的齒輪箱，實(shí)現(xiàn)直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，所以X軸和Z軸直線運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給速度范圍和最大速度參數(shù)相同。具體如下：X/Z軸進(jìn)給傳動(dòng)速度為0.0282～275mm/min，X/Z軸快速傳動(dòng)最大速度為2400mm/min。

根據(jù)機(jī)床說明書描述和實(shí)際測(cè)繪，現(xiàn)X軸傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)如下：右刀架質(zhì)量m1=6100kg，右滑板質(zhì)量m2=3700kg，X軸絲杠長(zhǎng)度LB=4982mm，X軸絲杠直徑DB=100mm，X軸絲杠導(dǎo)程PB=10mm，X軸絲杠質(zhì)量MB=168kg，絲杠材質(zhì)密度ρ=7.9×103 kg/m3。

現(xiàn)Z軸傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如下：滑枕質(zhì)量m3≈2000kg，Z軸絲杠長(zhǎng)度LB1=3720mm，Z軸絲杠直徑DB=100mm，Z軸絲杠導(dǎo)程PB=10mm，Z軸絲杠質(zhì)量MB1=126kg，絲杠材質(zhì)密度ρ=7.9×103 kg/m3。

3  X軸傳動(dòng)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

X軸傳動(dòng)系統(tǒng)擬改造為伺服電動(dòng)機(jī)通過減速箱直接驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)絲杠，通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和快速運(yùn)動(dòng)。

X軸絲杠擬選用原參數(shù)，則相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：X軸快速進(jìn)給速度V=2400mm/min，切削力FA=50000N，X軸絲杠傾斜角θ=0°，梯形絲杠效率η=0.3，加減速時(shí)間t=0.2s，螺母摩擦因數(shù)μ=0.3。則減速箱輸出軸速度N=V/PB=2400/10=240（r/min）。

X軸改造擬選用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n為2000r/min，則轉(zhuǎn)速比為

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，考慮到適當(dāng)放大轉(zhuǎn)矩，故選擇減速比i=10，將X軸快速進(jìn)給速度V由2400mm/min修正為2000mm/min。

X軸運(yùn)行負(fù)載力為

絲杠預(yù)負(fù)載為

負(fù)載轉(zhuǎn)矩為

絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

加速轉(zhuǎn)矩為

式中，NM是輸出軸轉(zhuǎn)速，NM =n/i；J0為選定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算中忽略。

可知必要轉(zhuǎn)矩為

式中，Sf是安全系數(shù)，取值為2。

則電動(dòng)機(jī)需要轉(zhuǎn)矩為

式中，ηG是損耗系數(shù)。

4  X軸改造方案確定

根據(jù)計(jì)算，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩已超過100N·m，電動(dòng)機(jī)選型過大，減速箱傳動(dòng)比為10不能滿足設(shè)計(jì)要求。原設(shè)計(jì)傳動(dòng)比為25，按照此數(shù)值重新計(jì)算，所需電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為45N·m，選用轉(zhuǎn)矩50N·m電動(dòng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)。

若將原絲杠更換為導(dǎo)程為20mm的滾珠絲杠，與傳動(dòng)比為25的行星減速器配合使用，可以滿足轉(zhuǎn)矩要求。絲杠導(dǎo)程增加雖然增大了轉(zhuǎn)矩，但是滾珠絲杠工作效率η=0.9，比原梯形絲杠高出3倍，實(shí)際上電動(dòng)機(jī)通過減速箱后所需轉(zhuǎn)矩會(huì)大大降低，滿足使用要求。既然X軸傳動(dòng)系統(tǒng)選用滾珠絲杠，那么決定對(duì)機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造，雖然增加改造成本，但會(huì)極大地提高機(jī)床的精度和效率。

根據(jù)以上分析和計(jì)算，確定了X軸傳動(dòng)系統(tǒng)改造方式，即通過伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行星減速器帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀架滑座橫向直線運(yùn)動(dòng)，通過參照?qǐng)D樣及實(shí)際空間測(cè)繪，最后確定的主要部件選型見表1。

表1　C1563立式車床X軸傳動(dòng)系統(tǒng)改造主要部件選型

5  Z軸傳動(dòng)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)及方案確定

Z軸（滑枕縱向移動(dòng)）傳動(dòng)系統(tǒng)與X軸是通過共同的快速電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)，并經(jīng)由共同的齒輪箱實(shí)現(xiàn)直線傳動(dòng)的，由于Z軸絲杠與X軸絲杠直徑和導(dǎo)程參數(shù)完全一致，所以Z軸傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以參考X軸，將此傳動(dòng)系統(tǒng)擬改造為伺服電動(dòng)機(jī)通過減速箱（電動(dòng)機(jī)與減速箱放置在刀架上部）直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和快速運(yùn)動(dòng)。

Z軸絲杠選用參數(shù)同樣參照X軸，根據(jù)X軸計(jì)算結(jié)果，將Z軸絲杠選用滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算，軸擬選用參數(shù)如下：Z軸快速進(jìn)給速度V=2000mm/min，外力（切削力）FA=50000N，Z軸絲杠導(dǎo)程PB=20mm，Z軸絲杠直徑DB=100mm，Z軸絲杠傾斜角θ=90°，滾珠絲杠效率η=0.9，減速箱減速比i=25，加減速時(shí)間t=0.2s，螺母摩擦因數(shù)μ=0.01。

通過計(jì)算，Z軸電動(dòng)機(jī)需要轉(zhuǎn)矩為TM =55.99N·m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，Z軸（滑枕縱向移動(dòng)）傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控化改造后主要部件主要參數(shù)基本可以確定，即伺服電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩需大于55N·m；減速箱減速比為25；滾珠絲杠直徑100mm，導(dǎo)程為20mm。通過參照?qǐng)D樣及實(shí)際空間位置測(cè)繪，最后確定具體選型見表2。

表2 C1563立式車床Z軸傳動(dòng)系統(tǒng)改造主要部件選型

6  結(jié)束語

實(shí)踐證明，C1563立式車床采用此方案改造后，X軸和Z軸傳動(dòng)系統(tǒng)恢復(fù)正常使用功能，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，加工精度和加工效率都得到大幅提升，60年的老舊機(jī)床通過再制造變成了全新的設(shè)備，此次改造獲得了成功。