老机床新改造，省钱又好用

C1563立式车床已使用60余年，主体结构件稳定，传动系统老化，对机床X轴、Z轴传动系统进行改造设计，确定合理的改造方案，对机床再制造系统设计具有一定的参考价值和现实意义。

1  序言

C1563立式车床于1959年引进，已使用60余年，机床在使用过程中只进行过常规大修，机床主体结构件性能稳定，但X轴（滑座横向移动）和Z轴（滑枕纵向移动）传动系统老化，齿轮磨损严重，精度差，噪声大，备件无法采购。为恢复机床的正常使用性能，决定对其传动系统进行改造，重新设计X轴及Z轴传动系统。

2  原传动系统简述

C1563立式车床原传动系统较为复杂，如图1所示。

图1 C1563立式车床传动系统示意

1、12—进给电动机　2、9—横梁夹紧电动机　3、8—滑枕夹紧电动机　4、10—快速电动　5、7—滑座夹紧电动机　6—横梁升降电动机　11—主传动电动机

从图1中可以看出，在原传动系统中刀架滑座横向运动（X轴）和刀架滑枕纵向运动（Z轴）由于都是通过共同的快速电动机（7kW，1335r/min）和进给电动机（6.6kW，27～2700r/min）经由共同的齿轮箱，实现直线进给运动，所以X轴和Z轴直线运动的进给速度范围和最大速度参数相同。具体如下：X/Z轴进给传动速度为0.0282～275mm/min，X/Z轴快速传动最大速度为2400mm/min。

根据机床说明书描述和实际测绘，现X轴传动系统参数如下：右刀架质量m1=6100kg，右滑板质量m2=3700kg，X轴丝杠长度LB=4982mm，X轴丝杠直径DB=100mm，X轴丝杠导程PB=10mm，X轴丝杠质量MB=168kg，丝杠材质密度ρ=7.9×103 kg/m3。

现Z轴传动系统相关参数如下：滑枕质量m3≈2000kg，Z轴丝杠长度LB1=3720mm，Z轴丝杠直径DB=100mm，Z轴丝杠导程PB=10mm，Z轴丝杠质量MB1=126kg，丝杠材质密度ρ=7.9×103 kg/m3。

3  X轴传动系统改造设计

X轴传动系统拟改造为伺服电动机通过减速箱直接驱动传动丝杠，通过电动机转速变化实现进给运动和快速运动。

X轴丝杠拟选用原参数，则相关设计参数如下：X轴快速进给速度V=2400mm/min，切削力FA=50000N，X轴丝杠倾斜角θ=0°，梯形丝杠效率η=0.3，加减速时间t=0.2s，螺母摩擦因数μ=0.3。则减速箱输出轴速度N=V/PB=2400/10=240（r/min）。

X轴改造拟选用电动机转速n为2000r/min，则转速比为

根据计算结果，考虑到适当放大转矩，故选择减速比i=10，将X轴快速进给速度V由2400mm/min修正为2000mm/min。

X轴运行负载力为

丝杠预负载为

负载转矩为

丝杠转动惯量为

负载转动惯量为

加速转矩为

式中，NM是输出轴转速，NM =n/i；J0为选定电动机转子转动惯量，计算中忽略。

可知必要转矩为

式中，Sf是安全系数，取值为2。

则电动机需要转矩为

式中，ηG是损耗系数。

4  X轴改造方案确定

根据计算，电动机额定转矩已超过100N·m，电动机选型过大，减速箱传动比为10不能满足设计要求。原设计传动比为25，按照此数值重新计算，所需电动机转矩为45N·m，选用转矩50N·m电动机即可实现。

若将原丝杠更换为导程为20mm的滚珠丝杠，与传动比为25的行星减速器配合使用，可以满足转矩要求。丝杠导程增加虽然增大了转矩，但是滚珠丝杠工作效率η=0.9，比原梯形丝杠高出3倍，实际上电动机通过减速箱后所需转矩会大大降低，满足使用要求。既然X轴传动系统选用滚珠丝杠，那么决定对机床进行数控改造，虽然增加改造成本，但会极大地提高机床的精度和效率。

根据以上分析和计算，确定了X轴传动系统改造方式，即通过伺服电动机驱动行星减速器带动丝杠旋转，实现刀架滑座横向直线运动，通过参照图样及实际空间测绘，最后确定的主要部件选型见表1。

表1　C1563立式车床X轴传动系统改造主要部件选型

5  Z轴传动系统改造设计及方案确定

Z轴（滑枕纵向移动）传动系统与X轴是通过共同的快速电动机和进给电动机，并经由共同的齿轮箱实现直线传动的，由于Z轴丝杠与X轴丝杠直径和导程参数完全一致，所以Z轴传动系统设计可以参考X轴，将此传动系统拟改造为伺服电动机通过减速箱（电动机与减速箱放置在刀架上部）直接驱动滚珠丝杠，通过电动机的转速变化实现进给运动和快速运动。

Z轴丝杠选用参数同样参照X轴，根据X轴计算结果，将Z轴丝杠选用滚珠丝杠进行计算，轴拟选用参数如下：Z轴快速进给速度V=2000mm/min，外力（切削力）FA=50000N，Z轴丝杠导程PB=20mm，Z轴丝杠直径DB=100mm，Z轴丝杠倾斜角θ=90°，滚珠丝杠效率η=0.9，减速箱减速比i=25，加减速时间t=0.2s，螺母摩擦因数μ=0.01。

通过计算，Z轴电动机需要转矩为TM =55.99N·m。

根据计算结果，Z轴（滑枕纵向移动）传动系统数控化改造后主要部件主要参数基本可以确定，即伺服电动机额定转矩需大于55N·m；减速箱减速比为25；滚珠丝杠直径100mm，导程为20mm。通过参照图样及实际空间位置测绘，最后确定具体选型见表2。

表2 C1563立式车床Z轴传动系统改造主要部件选型

6  结束语

实践证明，C1563立式车床采用此方案改造后，X轴和Z轴传动系统恢复正常使用功能，运行平稳可靠，加工精度和加工效率都得到大幅提升，60年的老旧机床通过再制造变成了全新的设备，此次改造获得了成功。