普通车床数控化改造中机械结构的设计47

普通车床数控化改造中机械结构的设计

摘要：车床在机械加工中是重要的基础设备，车床的性能是影响生产的关键。

随着社会的发展，新型的数控车床具有精度高、效率高等特点，可以实现自动化

控制，普通的车床无法满足当前企业的生产现状，因此对一些普通车床进行数控

改造，既达到了使用要求，还为企业节约了成本。

关键词：数控；机械；车床；改造

随着数控机床的普及，各加工企业都在更改机械加工工艺，将原来普通车床

加工的流程都尽可能地安排到数控机床上来进行。普通车床具有操作简单、精度

保持性好、故障率低等特点，在机械加工企业中一般都大量使用。通过改造可以

使普通车床达到数据化生产的要求，提高企业的生产效能。

1普通车床改造总体方案设计

普通车床的数控化改造是一项技术性很强的工作，首先根据车床的规格与技

术性能指标，设计基于该车床的整体改造方案，并给出详细的改造流程；然后进

行任务分解，确定各部分的实施方案。普通车床数据化改造一般按如下步骤进行。

1.1对被加工对象进行工艺分析

普通车床主要用于回转类（轴类、盘类）以及螺纹零件加工，这些零件具有

不同形状、不同技术要求，因而加工方法也不同，对车床改造后的要求也不相同。故应在工艺分析的基础上计算切削力及切削功率，计算进给系统和主轴所需的参数。

1.2被改造车床的现状分析

一定要掌握原始数据。车床改造时，一些零部件被拆掉同时还要增添一些新

的机构，这就必须要确定相关的尺寸和连接方式。了解被改造车床当前的主要缺陷，如外圆车削产生锥度、端面车削平面度超差等，通过分析，在改造中采取措

施予以解决。充分估计实际载荷，保证整机及各组成件的刚度，才能使数控改造

后的车床加工精度和工作性能满足要求。

1.3制定总体设计方案

在充分进行技术分析并确定改造后，首先需要确定车床的现状及参数；根据

机床现有的规格参数，再确定改造所需的硬件的型号和数量，机械部分主要有丝杠、丝母、轴承、轴承座、刀架等，电气部分主要有伺服驱动电机、变频器、强

电元器件等。

以普通车床数控改造为例，在查阅其主要技术参数及对现状分析后，对滚珠

丝杠副、步进电动机的选用进行梳理，给出较为实用的设计计算及应用方案。

2车床数控改造传动部件滚珠丝杠副的设计

2.1切削力的计算

总切削力沿X、Y、Z方向分解为互相垂直的Fc、Ff和Fp三个分力。主切削

力Fc用于计算机床主运动机构及刀具强度，是选择切削用量的主要依据，是消耗功率最多的；进给力Ff是校验进给机构强度和确定进给功率的主要依据；背向力Fp是使工件在切削过程中产生振动的力，用来计算工艺系统刚度。切削力可按下

列经验公式计算：

Fc=0.67D1.5max.（1）

Ff=（0.1~0.6）Fc.（2）

Fp=（0.15~0.7）Fc.（3）

其中：Dmax为车床床身的最大加工直径，mm。横切端面时主切削力可取纵

切时Fc的1/2。为简便起见，也可按照以下比例分别计算出另外两个切削分力。

Fc∶Ff∶Fp=1∶0.25∶0.4.（4）

2.2滚珠丝杠螺母副的计算与选型

滚珠丝杠螺母副已经标准化，其主要作用是将旋转运动转换为直线运动，从

而使机床能够加工出所需零件。滚珠丝杠螺母副的型号可通过导程、动负载、螺

纹底径等参数确定。

2.2.1滚珠丝杠上的牵引力计算

作用在滚珠丝杠上的牵引力Fm是根据切削分力和运动部件的重力引起的进

给抗力来计算的，其数值大小与导轨形状有关。对于矩形导轨：

Fm=kFf+f′（Fc+Fp+G）.（5）

对于燕尾形导轨：

Fm=kFp+f′（Fc+Ff+G）.（6）

对于三角形或综合导轨：

Fm=kFf+f′（Fc+G）.（7）

其中：G为移动部件的重量，N；f′为导轨上的摩擦因数；k为考虑颠覆力矩

影响的试验系数。

正常情况下，矩形导轨k=1.1，f′=0.15；燕尾形导轨k=1.4，f′=0.2；三角形或

综合导轨k=1.15，f′=0.15~0.18。

2.2.2计算滚珠丝杠副的动负载、静负载

动负载C即滚珠丝杠承受的轴向负载的最大值，通过牵引力和要求的寿命值

进行如下计算：

其中：fh为硬度系数，硬度为60HRC时，取fh=1，小于60HRC时，fh>1；fw

为运转系数，一般情况下fw取1.2~1.5，有冲击时fw取1.5~2.5；L为寿命，以100万转为一单位，L=60nT/106，T为使用寿命，n为丝杠转速，r/min，

n=1000vs/L0，vs为最大切削条件下的进给速度，m/min，L0为丝杠导程，mm。

滚珠丝杠在静态或低速（n≤10r/min）情况下工作，其破坏形式主要为滚珠接

触面上产生的塑性变形，塑性变形超出规定范围就会影响滚珠丝杠副的正常工作，要求其塑性变形量不得超过滚珠直径的万分之一。产生这样的大塑性变形量时的

负载即最大静负载C0：

C0=fsFmax.（9）

其中：Fmax为滚珠丝杠最大轴向负荷，N；fs为静态安全系数，一般运转时

取fs=1~2，有冲击或振动时取fs=2~3。

2.2.3滚珠丝杠副的选型

选用滚珠丝杠副的方法较多，采用经验或类比法容易出现结构尺寸过大、驱

动装置负荷增加等不合理问题。合理的方法是根据计算的动负荷（n>10r/min）和静负荷（n≤10r/min）传动比的要求，从《机床设计手册》滚珠丝杠产品样本中选择丝杠的型号，确定滚珠丝杠副的结构尺寸规格和结构类型。

3进给齿轮箱传动比的计算

齿轮减速箱能够降低输出轴的转速，提高输出轴的扭矩，有减速增扭的作用。由于电动机的工作转速较高，工作台速度较低，因此需要齿轮传动来带动工作台

运动，以满足工作部件对转速和工作扭矩的要求。传动比i通过脉冲当量δp、步

距角θb、滚珠丝杠导程L0确定：