立式加工中心主轴组件的结构设计

立式加工中心主轴组件的结构设计1摘要加工中心由于备有刀库并能自动更换刀具，使得工件在一次装夹中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人为干预，当机床开始执行程序后，它将一直运行到程序结束。加工中心还赋予了专业化车间一些诸多优点，如：降低机床的故障率，提高生产效率，提高加工精度，削减废料量，缩短检验时间，降低刀具成本，改善库存量等。由于加工中心的众多优势，所以它深受全球制造企业的青睐。加工中心主要由主轴组件、回转工作台、移动工作台、刀库及自动换刀装置以及其它机械功能部件组成。其中的主轴组件是机床重要的组成部分，其运动性能直接影响机床加工精度与表面粗糙度。本文在查阅大量国内外文献的基础上，通过研究分析不同加工中心主轴组件的性能，综合地比较了其特点，并拟定了一个较为合理的主轴组件结构方案。同时，还就主轴、轴承以及丝杠等重要零件的机械性能进行了探讨，并对这些零件的刚度和强度进行了校核。此外，本设计中所采用的陶瓷轴承能有效地增加主轴的刚度，从而提高了加工中心的可靠性和稳定性。关键词：主轴组件，加工中心，数控机床立式加工中心主轴组件的结构设计2SpindleunitdesignofVerticalmachiningcenterABSTRACTMachiningcenterevolvedfromtheneedtobeabletoperformavarietyofoperationsandmachiningsequencesonaworkpieceonasinglemachineinonesetup.Machiningcenterrequireslittleoperatorintervention,andoncethemachinehasbeensetup,itwillmachinewithoutstoppinguntiltheendoftheprogramisreached.Someoftheotheradvantagesthatmachiningcentersgiveamanufacturingshoparegreatermachineuptime,increasedproductivity,maximumpartaccuracy,reducedscrap,lessinspectiontime,lowertoolingcosts,lessinventoryandsoon.Becauseoftheirmanyadvantages,machiningcentersbecomewidelyacceptedbymanufacturingenterprisesintheworld.Machiningcentersareequippedwithspindleunits,rotaryworkbench,movingworkbench,toolmagazinesandautomatictoolchangers,andothermechanicalfunctioncomponents.Spindleunitistheimportantmotionpartofthemetalcuttingmachinetool.Itsmovementbehavioraffectsthemachiningaccuracyandsurfaceroughnessofparttobemachined.Throughreferringtoavarietyoftechnicalliteratures,thecharacteristicsofsomekindsofspindleunitsarecomparedwitheachotherbasedonanalysisandresearchworkondifferentmachiningcenters.Areasonableschemecanbestudiedout.立式加工中心主轴组件的结构设计3Meanwhile,themechanicalbehaviorsofprinciplepartssuchasthespindle,bearingsandleadscrewarediscussed.Theirrigidityandstrengtharecalculatedandexaminedhere.Morever,akindofadvancedceramicbearingsisintroducedintothespindleunit,whichcaneffectivelyenhancetherigidityofspindleunits.Theywillimprovethereliabilityandstabilityofmachiningcenters.Keywords：spindleunit，machiningcenter，NCmachinetool立式加工中心主轴组件的结构设计4立式加工中心主轴组件的结构设计0引言装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。数控机床技术的发展自1953年美国研制出第一台三坐标方式升降台数控铣床算起，至今已有53年历史了。20世纪90年开始，计算机技术及相关的微电子基础工业的高速发展，给数控机床的发展提供了一个良好的平台，使数控机床产业得到了高速的发展。我国数控技术研究从1958年起步，国产的第一台数控机床是北京第一机床厂生产的三坐标数控铣床。虽然从时间上看只比国外晚了几年，但由于种种原因，数控机床技术在我国的发展却一直落后于国际水平，到1980年我国的数控机床产量还不到700台。立式加工中心主轴组件的结构设计5到90年代，我国的数控机床技术发展才得到了一个较大的提速。目前，与国外先进水平相比仍存在着较大的差距。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。1概述1.1加工中心的发展状况1.1.1加工中心的国内外发展对于高速加工中心，国外机床在进给驱动上，滚珠丝杠驱动的加工中心快速进给大多在min/40m以上，最高已达到min/90m。采用直线电机驱动的加工中心已实用化，进给速度可提高到min/100~80m，其应用范围不断扩大。国外高速加工中心主轴转速一般都在min/25000~12000r，由于某些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承，预计转速上限可提高到min/100000r。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在s1左右，高的已达s5.0，甚至更快。在结构上，国外的加工中心都采用了适应于高速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。在加工精度上，国外卧式加工中心都装有机床精度温度补偿系统，加工精度比较稳定。国外加工中心定位精度基本上按德国标准验收，行程mm1000以下，定位精度可控制在mm01.0~006.0之内。此外，为适应未来加工精度提高的要求，国外不少公司还都开发了坐标镗精度级的加工中心。相对而言，国内生产的高速加工中心快速进给大多在min/30m左右，个别达到min/60m。而直线电机驱动的加工中心仅试制出样品，还未进入立式加工中心主轴组件的结构设计6产量化，应用范围不广。国内高速加工中心主轴转速一般在min/18000~6000r，定位精度控制在mm015.0~008.0之内，重复定位精度控制在mm01.0~005.0之内。在换刀速度方面，国内机床多在s5~4，无法与国际水平相比[1～3]。虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步，但与国外同类产品相比，仍存在着不少差距，造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。国产数控机床与国外产品相比，差距主要在机床的高速、高效和精密上。除此之外，在机床可靠性上也存在着明显差距，国外机床的平均无故障时间（MTBF）都在5000小时以上，而国产机床大大低于这个数字，国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一。1.1.2主轴部件的研究进展图1.1立式加工中心结构图1-切削箱2-X轴伺服电机3-Z轴伺服电机4-主轴电机5-主轴箱6-刀库7-数控柜8-操纵面板9-驱动电柜10-工作台11-滑座12-立柱13-床身14-冷却水箱15-间歇润滑油箱16-机械手立式加工中心主轴组件的结构设计7典型加工中心的机械结构主要有基础支承件、加工中心主轴系统、进给传动系统、工作台交换系统、回转工作台、刀库及自动换刀装置以及其他机械功能部件组成[4]。图1.1所示为立式加工中心结构图。主轴系统为加工中心的主要组成部分，它由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件成。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统要具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，取消了带传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主运动的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴组件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接驱动主轴”。电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。1.2课题的目的及内容本课题来源于同济现代制造技术研究所立式加工中心机床设计项目的子课题之一。加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。本课题的目的是进行立式加工中心主轴组件的结构设计，主轴组件作立式加工中心主轴组件的结构设计8为加工中心的执行元件，它确保带动刀具进行切削加工、传递运动、动力及承受切削力等，并满足相关的技术指标要求。本课题涉及的主要技术指标有：a)主轴孔锥度：24:7；b)主轴孔直径：52mm；c)主轴箱行程（Z轴）：mm470；d)主轴转速范围：mmr3000~30；e)快速移动速度（Z轴）：min10m；f)进给速度（Z轴）：min400~1mm。1.3课题拟解决的关键问题各类机床对其主轴组件的要求，主要是精度问题，就是要保证机床在一定的载荷与转速下，主轴能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这一性能。主轴组件的设计和制造，都是围绕着解决这个基本问题出发的。为了达到相应的精度要求，通常，主轴组件应符合以下几点设计要求[6]：1）旋转精度旋转精度是指机床在空载低速旋转时，主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求，目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。2）刚度指主轴组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。刚度不足时，不仅影响加工精度和表面质量，还容易引起振动，恶化传动件和轴立式加工中心主轴组件的结构设计9承的工作条件。设计时应在其它条件允许的条件下，尽量提高刚度值。3）抗振性指主轴组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率，应尽量提高。4）温升和热变形温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转中心的相对位置发生变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损。5）耐磨性指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式。根据本课题的设计任务要求，由于主轴的转速并不是很高，所