有关精密加工机床的结构设计探析

赵星

【摘要】精密加工机床的设计目前尚无一套成熟的设计方法，本文基于现有数控车床的基础上重新设计一种简单经济适用的精密加工机床。通过阐述精密加工机床设计概括，进行精密加工机床的结构设计探析，达到具有提高加工精度、提高生产率、节省地面、降低成本的效果。

【关键词】超精密；加工机床；结构；设计

随着工业技术的蓬勃发展，超精密加工机床其合理性和优越性變得尤为重要。普通加工机床很难满足国内汽车、航空航天行业的发展需求，需要在已有经验和使用情况的基础上进行超精密机床的设计。复合加工技术受到更多的青睐，通过参考国内外一些资料研究超精密设备的关键技术及具有自主知识产权的先进精密数控技术。从结构设计角度阐述了超精密加工机床设计采取的基本结构，设计开发一种简单经济适用的超精密机床来满足市场需求。

一.超精密加工机床设计概括

超精密机床属于复合机床的一类，其结构设计基本思想越来越受到人们的重视。需要满足一次装夹完成车削加工和内、外圆的磨削加工，因此结构上需要尽可能地提高刚度。为减少设备价格昂贵所花费的费用，结构要简单。该机床车刀架和磨刀架安装于中拖板两端并由伺服电机驱动中拖板做横向直线运动，因此床身形状要简单、质量要大、固有振动频率要低。

（1）精密导轨是超精密机床的直线性基准，床头箱内主轴转速大小由数控系统控制，定位精度要很高。主电机组件再连接床头箱内主轴、纵向伺服电机与横向伺服电机，运动平稳、动作灵活、直线运动时绝对没有爬行等不连续动作，能够一次装夹完成车削和磨削加工。在实际应用中有与使用条件相适应的刚度，由数控操作箱控制启动电动车刀架根据编好的程序进行车削加工，定位方式应采用闭式控制方式在一定程度上减小的启动扭矩和摩擦力。

（2）由纵向伺服电机驱动纵向滚珠丝杆转动从而带动大拖板做纵向运动，进给的分辨率要高、高速运动时发热量要少、同时床身上需设有相对床身能实现纵向运动的大拖板及纵向滚珠丝杆。采用内装式同轴电动机带动，未使用的电动磨刀架停在中拖板的另一端不影响车削加工的进行。降低因主轴运动过程中产生的误差、振动等对加工精度的影响，横向伺服电机驱动横向滚珠丝杆转动从而带动中拖板做横向运动实现了机床纵向进给运动。根据机床的性能不同采取不同形式的数控系统，连接至数控操作箱，并通过数控操作箱设置或控制加工过程。

二.超精密加工机床的结构设计探析

在现有数控车床技术的基础上重新设计成一种设计合理、经济、使用效率高的精密加工机床，床身要支撑整机的重量且具有良好的刚度和强度。床身上设有相对床身能实现纵向运动的大拖板及纵向滚珠丝杆，根据机床的性能不同采取不同形式。根据瑞士Magerle公司的MGC—RT Grinders系列机床工作台可以旋转以及国外一些厂家已经有较成熟的超精密设备，进行改进，再次基础上选择比如优质耐磨铸铁、花岗岩、人造花岗岩等合适的材料。横向滚珠丝杆通过横向弹性联轴器与横向伺服电机连接，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强。根据高效率高精度的运动要求，目前精密机床的主要有下面几种：

（1）十字形滑座结构机床高速运动时发热量少，床头箱一端连接有用以夹持零件的卡盘。主轴箱部分固定不动，刀架装在十字形滑板上。磨刀架上可装上砂轮、车刀架上可装上车刀，主轴箱部分固定不动。在原有数控车床的基础上进行改进设计，采用双频激光干涉仪装在移动的十字形滑座上。提高加工精度、提高生产率、对振动的衰减能力强。节省地面、降低成本，满足超精密机床的精度要求。根据编好的数控程序进行车削加工，减少电动机振动对主轴的影响并具有起动阻力小，不易产生爬行的特点。这种布局结构装夹次数减少可有效提高生产效率，也有利于提高导轨的制造精度和运动精度。

（2）近年生产的超精密机床主轴页常常采用T形布局，能实现纵向运动的大拖板及相对大拖板在横向运动的中拖板。没有带轮和单独的电动机座，主要采用内装式同轴电动机带动。在中拖板的两端分别安装有电动磨刀架和电动车刀架，主轴箱成为可移动的部件。被加工工件在装夹固定后，采用横、纵运动分离。而后数控操作箱控制启动电动磨刀架根据编好的程序进行磨削加工，由主轴箱部件（纵向）和刀架（横向）共同完成。机床的刚性高，定位精度高，维护保养容易。充分考虑模块划分对产品精度、刚度的影响，并且能长期保持它的精度。通过一次装夹就能完成车削加工和磨削加工，由于其横、纵向导轨都放在机床的床身上成为T形布局。由于生产周期短等特点，中小型超精密机床常采用这种布局。

（3）当工件直径较大并且重量较重时常常采用立式结构布局，装夹次数减少可减少因装夹带来的误差。超精密机床多采用立式结构布局，进而提高加工精度。精密机床多用龙门形式以达到要求高的刚度，减少了机床的整体面积且结构简单合理紧凑。滑板在横梁上作x向运动，减少车间中机床的数量以达到节省地面、降低成本的效果。在机床精度要求特别高时可采取特殊的在线测量和误差补偿措施，减少横向滚珠丝杆运动过程中的摩擦。据要设计的车床的加工要求补偿消除运动误差，采用滚珠直线导轨副的十字形滑座结构提高机床的刚性。保证主轴部分固定，静摩擦因数相差很小。降低因主轴运动过程中产生的误差、振动等对加工精度的影响，起动阻力小，不易产生爬行。有极高的直线运动精度，开发成本低、生产周期短。

三.精密加工机床的结构设计展望

人们对加工机床高速高效精密的追求是无止境的，本文在已有经验和使用情况的基础上对超精密机床的结构设计、加工原理进行了详细的讨论及研究。通过参考国内外一些资料研究超精密设备的关键技术及具有自主知识产权的先进精密数控技术，使其研发设计到投入生产。提高了生产效率，加工技术受到更多的青睐。为今后类似的车床的改造和设计积累了经验并具有一定的借鉴作用。

参考文献

[1]丁雪生.超精密加工机床复合化技术的发展[J].制造技术与机床，2015（2）：26—32.

[2]孙锡娜，韩秋实，杨占玺.精密加工机床的发展现状及关键技术[J].精密制造与自动化，2015（2）：4_5.

[3]现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册：上册[M].北京：机械工业出版社，2015.