加工中心主传动系统方案的确定

2加工中心主传动系统方案的确定2.1加工中心主传动系统简介加工中心主传动系统是由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件组成。他是加工中心的主要组成部分。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。2.2对加工中心主传动系统的要求由于加工中心具有更高的加工效率，更宽的使用范围，更高的加工精度，因此，它的主轴系统必须满足如下要求：（1）调速功能为了适应不同工序、各种工件材料及刀具等各切削要求，主轴必须有一定的调速范围并实现无级调速，以保证加工时选用合理的切削用量，从而获得最佳切削效率、加工精度和表面质量。调速范围的指标主要由各种加工工艺对主轴最低速度和最高速度的要求来确定。（2）精度和刚度要求具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。加工中心加工精度与主轴系统精度密切相关。主轴部件的精度包括旋转精度和运动精度。旋转精度指装配好后，在无载荷和低速转动条件下，主轴前端工作部件的径向和轴向跳动值。主轴部件的旋转精度取决于部件中各个零件的几何精度、装配精度和调整精度。运动精度指主轴在工作情况下旋转精度，这个精度通常和静止或低速状态下的旋转精度有较大的差别，它表现在工作时主轴中心位置的不断变化，即主轴轴心漂移。运动状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、轴承性能和主轴部件的平衡。静态刚度反应了主轴部件或零件抵抗外载的能力。加工中心多采用抗弯刚度作为衡量主轴部件刚度的指标。影响主轴部件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸形态，主轴轴承的类型、数量、配置形式、预紧情况、支撑跨距、主轴前端的悬伸量等。（3）动态影响性能要求升降速时间短，调速时运转平稳。对有的机床需同时能实现正反转切削，则要求反向时均可自动进行加减速控制。（4）抗振性和热稳定性要求加工中心在加工时，由于断续切削、加工余量大且不均匀、运动部件速度高且不平衡，以及切削过程中的自振等原因引起的冲击力和交变力的干扰，会使主轴产生振动，影响加工进度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具和主轴系统中的零件。主轴系统的发热使其中所有零部件产生热变形，破坏相对位置精度和运动精度，造成加工误差。为此，主轴部件要较高的固有频率，保持合适的配合间隙并进行循环润滑等。（5）具有刀具自动夹紧功能加工中心突出的特点是自动换刀功能。为保证过程连续实施，加工中心主轴系统与其它主轴相比，必须具有刀具自动夹紧功能。（6）功率要求要求主轴具有足够的输出功率或输出转矩，能在整个速度范围内提供切削所需功率和转矩，以满足机床强力切削时的要求。（7）主轴定位功能要求主轴准停功能又称为主轴定位功能。即当主轴停止时，控制主轴停在固定的位置，这是自动换刀所必须的功能。在自动换刀的数控镗铣加工中心上，切削转矩通常是通过刀杆的断面键来传递的，这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能。此外，在通过前臂小孔镗内壁的同轴大孔，或进行反倒角等加工时，要求主轴实现准停，使刀尖停在固定的方位上，以便主轴偏移一定尺寸后大刀刃能通过前臂小孔进入箱体内对打孔进行镗削。2.3主传动的类型及方案选择加工中心主传动系统主要有以下四种形式。（1）二级齿轮变速传动低速主轴通过采用齿轮变速机构或同步带传动降速，增大输出转矩，以满足主轴输出转矩特性的要求。这种主轴电机通过二级齿轮变速，使主轴获得低速和高速两种转速系列，这是大中型加工中心机床采用较多的一种配置方式。这种分段无级变速，确保低速时的大转矩，满足机床内转矩特性的要求。滑移齿轮通常液压拨叉或电磁离合器来改变其位置。本次设计的加工中心即采用二级齿轮变速传动，具体选择法案及原理将在后文详述。（2）定比传动该传动方式经定比传动传递给主轴，定比传动采用齿轮传动或带传动。带传动主要用于小型机床上，可以避免齿轮传动的噪声与振动。它使用于高速、低转矩特性要求的主轴。常用的是V带和同步齿轮带。（3）由主轴电动机直接驱动该种传动方式的电动机轴与主轴用联轴器同轴连接。这种方式大大简化了主轴结构，有效的提高了主轴刚度。但主轴输出转矩小，电动机的发热对主轴的精度影响大。（4）内装电动机主轴高速主轴要求在极短时间内实现升降速，在制定位置快速准停，这就要求主轴具有很高的角加减速度。通过齿轮或传送带这种中间环节，常常会引起较大振动和较大噪声，而且增加了转动惯量。为此将主轴电动机与主轴合而为一，制成电主轴，即主轴与电动机转子合为一体。电动机的轴就是主轴本身，而电动机的定子被拼入在主轴内。实现无中间环节的直接驱动，是主轴高速单元的理想结构。电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件:电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。电主轴所融合的技术有以下几个方面。1）高速轴承技术电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承，或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限长。2）高速电机技术电主轴是电机与主轴融合在一起的产物，电机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电机，其关键技术是高速下的动平衡。3）润滑电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应速度要受到影响。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油，所谓定量，就是通过一个叫做定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的注油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少起不到润滑作用；太多在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。4）冷却装置为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。5）内置脉冲编码器为了实现自动换刀及刚性攻丝，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及进给配合。6）自动换刀装置为了适用于加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括碟形簧、拉刀油缸。7）高速刀具的装卡方式常用的BT、ISO刀具，已不适合于高速加工。这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀柄。8）变速变频装置要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电机，变频器的输出频率甚至达到几千赫兹。本次设计的加工中心主轴的转速范围为60~3000r/min，主轴电动机采用标准型交流调速主轴电动机，采用二级齿轮传动以满足机床要求的调速范围和转矩特性。其传动简图如图2-1所示。主轴电机图2-1传动装置简图2.4主传动系统设计条件切削性能参考值（工件材料45）：面铣时，刀具直径100mm，刀齿数5，切削深度4mm，切削宽度70mm，主轴转速750rpm，进给速度600mm/min；钻孔时，刀具直径（高速钢）30mm，主轴转速400rpm，进给速率100mm/min；采用二级齿轮传动；主轴锥度BT40。3主传动变速系统主要参数计算3.1计算切削功率由《属切削手册》P4-112例3，对面铣这种典型加工情况。平均切削厚度α平均=金属切削率Zw=S分tB=600×4×7=1.68×105mm3/min由图4-17查得，单位切削功率在（2.0~3.0）×10-5kw/(mm3/min)。考虑到工件材料强度不高，取Ns=2.78×10-5kw/(mm3/min),则：切削功率Pc=NsZw=2.78×10-5×1.68×105≈4.67kw由《金属切削手册》P4-112例2，对钻孔这种典型加工情况。每分进给量S分=100/400=0.25mm/r平均切削厚度α平均=金属切削率Zw=πnsD2/4=3.14×400×0.25×302/4=7.06×104mm3/min由图4-17查得，单位切削功率在（5.5~7.5）×10-5kw/(mm3/min)范围内，综合工件材料分析，取Ns=6.6×10-5kw/(mm3/min),则：切削功率Pc=NsZw=6.6×10-5×7.06×10-4=4.66kw综上，可取切削功率Pc=4.6kw3.2计算主传动功率机床主传动系统的参数有动力参数和运动参数。动力参数是指主运动驱动电机的功率，运动参数是指主运动的范围。（1）主传动功率机床主传动的功率P可根据切削功率Pc与主运动传送链的总效率η来确定P=Pc/η加工中心的加工范围一般比较大，切削功率Pc可根据有代表性的加工情况，由其主切削抗力Fz按下式来确定Pc=Fzv/60000=Mn/655000(kw)式中Fz—主切削力的切向分力，N；ν—切削速度，m/min;M—切削转矩，N•cm；n—主轴转速，r/min。加工中心主传动的总效率一般可取为η=0.70~0.85，加工中心的主传动多用调速电机和有限的机械变速传动来实现，传动链较短，因此，效率可取较大值。主传动中各传动件的尺寸都是根据其传动效率确定的，如果传动效率定的过大，将使传动件的尺寸粗大而造成浪费，电动机常在低负载下工作，功率因素很小而浪费资源。如果功率定的过小，将限制机床的切削加工性能而降低生产率。因此，要较准确合适地传动功率。由于加工情况多变，切削用量变化范围较大，加之对传动系统因摩擦的因素消耗的功率也难于掌握，因此，单纯用计算的方法来确定功率尚有困难，通常要用类比、测试、理论计算等几种方法相互比较来确定。这里按较高的传动效率取值，取η=0.83，则：主传动功率P=Pc/η=4.6/0.83≈5.54kw取P=5.5kw（2）主传动的调速范围由《加工中心使用说明书》可知，所设计加工中心主轴的变速范围在60r/min~3000r/min。3.3确定电动机型号根据《现代使用机床设计手册》，选择主轴电动机。这里选择FANUC-S系列标准型交流主轴电动机。型号为6S型，连续负载5.5kw，短时负载30min，7.5kw，额定转速1500r/min，最大转速6000r/min，输出力矩35.0N.m，惯性矩0.086。