试论机床机械结构和性能优化

朱江

摘要：在数控技术不断发展的背景下，结合数控机床的结构特点、控制方式、生产率、加工精度和寿命等方面的要求，对机床机械结构和性能作进一步的优化。分析了机床机械的结构特点，并对其结构和性能的优化措施进行分析。

关键词：机床；机械结构；性能优化；加工精度

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）09－0062－02

数控机床与机床相比，在机械结构上并没有很大的区别，只是对刀架、自动变速等几个部分作出了改变。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。

1数控机床机械结构特点

1.1生产自动化

在数控机床中，采用了性能更好的伺服传统系统和无机变速主轴，在应用过程中有效地提升了机床的传动结构性。数控机床的运行主要是由数据系统发出指令，对机床运行速度、刀具运动、主轴转速和其他辅助机能进行优化控制。伺服系统在机床上的应用是以主轴的调速结构来支持主轴的自动变速运行，基本上取代了普通机床的进给系统。从数控机床的结构特点来看，因为系统的更换使得部分零件减少，比如电动机与主轴与滚珠丝杠等之间进行连接，减少了轴承、齿轮等零部件的应用，使整个设备结构更简单。

1.2高新技术化

为了更好地提升机床的运行精度和稳定性，数控机床运用了更多的高新技术，例如通过强化静态刚度和动态刚度等技术来提升机床自动化的运行水平，并且还可以保障设备的耐磨性能。越来越多的无间隙传动装置和元件被应用到数控机床中，比如静压导轨、滚珠丝杠副等。这些不但可以降低进给系统阻力，提升运行效率，同时还可以提高设备运行的稳定性，提高设备的生产精度。

1.3无人操作发展

数控机床的应用逐渐实现了无人化加工。要想达到此目标，功能集成、工艺复合是基本要求，同时，它也是数控机床的重要特征之一。在进行产品加工时，通过一次性装料来实现铣、锉和钻等多道加工工序，对产品加工工序进行了有效的调整。而机床内含有的自动润滑装置、动力刀架和自动排屑装置是实现这一目标的基础，它们的存在实现了设备生产的柔性化和无人化。另外，将车、磨、铣、钻等工艺融合其中，可以对产品进行更深层次的加工，同时，还可以增强机床的附加值，将越来越多全新的机械设备部件投入到使用中。

2机床机械结构优化分析

2.1提高机械设备静态和动态刚度

数控机车运行主要是以数据系统输入的指令为生产依据，在机械加工的过程中，不能对产品的几何精度和变形产生的误差进行人为调整，因此，必须要将机械结构部件产生的弹性变形控制在最小响度内，以保证加工表面的质量和精度满足要求。机械结构刚度的提升主要可以分为主轴刚度、接触刚度、动态刚度和机床大件的刚度，通过提升机床的刚度使设备发挥出更高效的加工能力。对主轴刚度的提升，可以采用三支撑结构，或选择刚性比较好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承，以此来降低主轴径向和轴向发生的变形。而对于动态刚度的提升，最常见的措施就是提高机械系统的刚度、调整构建自振频率、增加阻尼等。另外，钢板的焊接结构不但可以实现结构静态刚度的提升和结构重量的减轻，同时，还可以增加构件本身的阻尼，这些方法现在多用于机床钢板焊接结构中。

2.2降低机床热变形

在机床运行过程中，内部因产生大量的热而发生热变形，为了提升机床运行效率，必须要将热源从主机内分离出去。对机床热源的控制可以通过散热和冷却的方式来控制温度的上升，以降低热源对设备运行造成的影响。在所有降低热源的手段中，以冷却机床发热部位最为有效，通过冷却使机床各个部位的温度保持一致，减少受温差影响而形成的翘曲变形。通过改变机床的机械结构，也可以有效降低热源，例如尽量减小主轴中心与主轴向地面的距离，减少热变形的总量，将主轴箱前、后升温程度控制在同一范围内，避免主轴受热变形出现倾斜的现象。

3数控机床性能优化措施

3.1主轴部件优化

要对主轴部件进行优化，要做到以下三点：①机械前、后支撑应选用不同的轴承，这样可以有效地提升机床主轴的综合刚度，满足产品强力切削的施工要求。其中，前支撑可以选择双列短圆柱滚子轴承与60°角接触双列向心推力球轴承的组合；后支撑选择成对向心力推力球轴承。②选有单、双列圆锥滚子轴承，因为其具有刚度高，承重强和安装、调试方便等特点，所以，它也成为了优化机床性能的方式之一。但是，这种轴承在一定程度上会对主轴的最高转速和精度产生影响，主要适用于中度精度、低速等数控机床。如果选择这种方式对机床机械性能进行优化，应在主轴的机构上处理好卡盘、刀架装夹、轴承定位、主轴卸荷等问题。③前轴承选择高精度双列向心推力球轴承，因为其具有良好的运行速度，主轴最大转速可以达到4 000 r/min。但是，这种方式承载力比较小，只适用于高运行速度、轻荷载和紧密的数控机床。

3.2主传动运动变速系统

在主传动运动变速系统中，要注意以下三点：①可以选择大型机床比较常用的变速齿轮主传动方式。在运行过程中，主要是通过少数的齿轮减速来扩大输出扭矩，以此来满足主轴对输出扭矩特性的要求。将这种传动方式运用到小型机床上，可以获得强力切屑所需扭矩。②以皮带传动的主传动。这种方式适用于小型数控机床上，它能够有效改善设备运行产生的噪声和振动。③以调速电机直接驱动的主传动。这种方式在原有基础上对主轴箱体和主轴结构进行了简化，有效地提高了主轴部件的刚度。这种主传运动方式虽然受主轴输出扭矩的影响较小，但是，电机发热会对机床的精度造成一定影响。

4结束语

数控机床都是通过向数据系统内输入指令来进行产品加工的，在加工过程中，不需要操作者参与，这就对机床机械结构的精度和性能有了更高的要求。为了保证机床设备能够满足生产要求，应做好对其结构和性能进行优化的工作，以保证设备能够持续、稳定的工作，满足持续、重复的加工需求。

参考文献

［1］赵军华，李小强，曹和平.浅析对数控机床机械结构的要求［J］.黑龙江科技信息，2011（22）.

〔编辑：白洁〕

On the Mechanical Structure and Performance Optimization Tools

Zhu Jiang

Abstract: In the context of CNC technology development, combined with the structural characteristics of CNC machine tools, control, productivity, precision and service life requirements, structure and mechanical properties of the machine for further optimization. Analyses of the structural characteristics of machine tools, and analyze its structure and performance optimization measures.

Key words: machine tools; mechanical structure; performance optimization; machining accuracy