老機床新改（gǎi）造，省（shěng）錢又（yòu）好用

C1563立式車床已使用60餘年，主體結構件穩定，傳動係（xì）統老化，對機床X軸、Z軸傳動係統進行改造設計，確定合理的改（gǎi）造方案，對機床再（zài）製造係（xì）統設（shè）計具有一定（dìng）的參考價值和現實意義。

1  序言

C1563立式車床於1959年引進，已使用60餘年，機床在（zài）使用過程中（zhōng）隻進行過常規（guī）大修，機床主體結構件性（xìng）能穩定，但X軸（滑座橫向移動）和Z軸（滑枕縱向移動）傳動係統老化，齒輪磨損嚴重，精度差，噪聲（shēng）大，備件無法采（cǎi）購（gòu）。為恢複機床的正常使用性能，決定對其傳動係統進行改造，重新設計X軸及Z軸（zhóu）傳動係統。

2  原傳動係統簡（jiǎn）述

C1563立式車床原傳動係統較為複雜，如圖1所示。

圖1 C1563立式車床傳動係統示意

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

從圖1中（zhōng）可以（yǐ）看出，在原傳動係統（tǒng）中刀架滑座（zuò）橫向運（yùn）動（X軸）和刀架滑枕縱向運動（Z軸）由於都是通過共同的（de）快速（sù）電動機（jī）（7kW，1335r/min）和進給電動機（6.6kW，27～2700r/min）經由（yóu）共同的齒輪箱（xiāng），實現直線進給運（yùn）動，所以X軸和Z軸直線運動的進給速度範圍和最（zuì）大速度參數相同（tóng）。具體如下：X/Z軸進給傳動速度為（wéi）0.0282～275mm/min，X/Z軸快（kuài）速傳動最大速度為2400mm/min。

根據機床說明書描述和（hé）實際測繪，現X軸傳動係統參數如下：右刀架質量m1=6100kg，右滑板質量m2=3700kg，X軸絲（sī）杠長（zhǎng）度LB=4982mm，X軸（zhóu）絲杠（gàng）直徑DB=100mm，X軸絲杠導程PB=10mm，X軸絲杠（gàng）質量MB=168kg，絲杠材（cái）質密度ρ=7.9×103 kg/m3。

現Z軸傳（chuán）動係統相關（guān）參數如下：滑枕質量m3≈2000kg，Z軸絲杠長度LB1=3720mm，Z軸絲（sī）杠直（zhí）徑（jìng）DB=100mm，Z軸（zhóu）絲杠導程PB=10mm，Z軸絲杠質量（liàng）MB1=126kg，絲杠材質（zhì）密度ρ=7.9×103 kg/m3。

3  X軸傳動係統改造設計

X軸（zhóu）傳動係統擬改造為伺服電動機通過減速箱（xiāng）直接驅動傳動絲杠，通過電（diàn）動機轉速變化實現進給運動和快速運（yùn）動。

X軸絲杠擬（nǐ）選用原參數，則相關（guān）設計參數如下：X軸快速進給速度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，加減速時間t=0.2s，螺母摩擦因數μ=0.3。則減速（sù）箱輸出軸速度N=V/PB=2400/10=240（r/min）。

X軸改（gǎi）造擬選用（yòng）電動機轉速n為2000r/min，則（zé）轉（zhuǎn）速比為

根（gēn）據計算結果，考慮到（dào）適當放大轉矩，故選擇減速比i=10，將X軸快速（sù）進給速度V由2400mm/min修正（zhèng）為2000mm/min。

X軸（zhóu）運（yùn）行負載力為

絲杠預負載為

負載轉矩為

絲杠轉動慣量為

負載轉動慣量為

加速轉矩（jǔ）為

式（shì）中，NM是輸出軸轉速，NM =n/i；J0為（wéi）選（xuǎn）定電動機轉子轉動慣量，計算中忽略。

可知必要轉（zhuǎn）矩為

式中，Sf是安全係數，取值為2。

則電動機需要轉矩為

式（shì）中，ηG是損耗係數。

4  X軸改造方案確定

根據（jù）計算，電動機額定轉矩已超過（guò）100N·m，電動（dòng）機選型過大，減速箱傳動（dòng）比為10不能滿足設計要求。原設計傳動比（bǐ）為（wéi）25，按照此數值重新計算，所需電動機轉矩為45N·m，選（xuǎn）用轉矩（jǔ）50N·m電動機即可實（shí）現。

若將原絲杠更換為導程為（wéi）20mm的（de）滾珠絲杠，與傳動比為25的行星減速器（qì）配合使用（yòng），可以滿足轉矩要求。絲杠導程增加雖然增大了轉矩，但是滾珠絲杠工作效率η=0.9，比原梯（tī）形絲杠高出3倍，實際上電動機通（tōng）過減速箱後所需轉矩會大大降低，滿足使用要求。既然X軸傳（chuán）動（dòng）係統選用滾珠絲杠，那麽決定對機床進行（háng）數控改造，雖然增加改造成本，但會極大地提高機床的精度（dù）和效率。

根（gēn）據以上分析和計算，確定了X軸傳動（dòng）係統（tǒng）改造（zào）方式，即通過伺服電動機驅動行（háng）星減速器帶動絲杠旋轉，實現刀架滑座橫向直線運動，通過參照圖（tú）樣及實（shí）際空間測繪，最後確定的主要部件選型見表1。

表1　C1563立式車床（chuáng）X軸傳動係統改造主要部件選型

5  Z軸傳動係統改造設計及方案確定

Z軸（滑（huá）枕縱向（xiàng）移動）傳動係統與X軸（zhóu）是通過共同的（de）快（kuài）速電動（dòng）機和（hé）進給電動機（jī），並經由共同的齒輪箱（xiāng）實現直線傳動的，由於Z軸絲杠與X軸絲杠直徑和導程參數完全一致，所以Z軸傳動係（xì）統（tǒng）設計可以參考X軸，將此傳動係統擬改造為伺（sì）服電動機（jī）通過（guò）減速箱（電動機與減速箱放置在刀架上部）直接驅動滾珠絲杠，通過電動機的轉速變化實現進給運動和快（kuài）速運動。

Z軸絲杠選用參數同樣參照X軸，根據X軸計算結果，將Z軸（zhóu）絲杠選（xuǎn）用滾珠絲杠進行計算，軸擬（nǐ）選用參（cān）數如下：Z軸快速進給速度V=2000mm/min，外力（切削（xuē）力）FA=50000N，Z軸絲杠導程PB=20mm，Z軸絲杠（gàng）直徑DB=100mm，Z軸絲杠傾斜角θ=90°，滾珠絲杠效（xiào）率η=0.9，減（jiǎn）速（sù）箱減速（sù）比i=25，加減速時間t=0.2s，螺母摩擦（cā）因數μ=0.01。

通過計算，Z軸電動機需要轉矩為TM =55.99N·m。

根據計（jì）算結果（guǒ），Z軸（zhóu）（滑枕縱向移（yí）動）傳動係統數控化改造後主要部件主要參數基本可以確定，即（jí）伺服電動機額定轉矩需大於55N·m；減速箱減速比（bǐ）為25；滾珠絲杠直徑100mm，導程為20mm。通（tōng）過參（cān）照圖（tú）樣及實際空間位置測繪，最後確定具體選型（xíng）見表2。

表2 C1563立式車床Z軸傳動係統改造（zào）主要部件選型

6  結束語

實踐證明，C1563立式車床采用此方案改造後（hòu），X軸和（hé）Z軸傳動係統恢複正常（cháng）使（shǐ）用功能，運行平穩可（kě）靠，加工精（jīng）度和加工效率都得到大幅提（tí）升，60年的老舊機床通（tōng）過再製造變成了全新的設（shè）備，此次改造獲得了成功。