5.1数控机床结构

第五章数控机床的机械结构 基础大件主传动系统进给系统刀具系统辅助结构 5 1对数控机床结构的基本要求5 2主传动系统5 3进给传动系统5 4换刀装置 5 1对数控机床结构的基本要求 动 静刚度高 热变形小 传动灵敏 人性化 1 数控机床应具有更高的静 动刚度机床的刚度是指机床结构抵抗变形的能力 静刚度 根据机床所受载荷性质的不同 机床在静态力 重力 机构之间的相互作用力等 作用下所表现的刚度称为机床的静刚度 动刚度 在动态力 切削力 作用下所表现的刚度称为动刚度 影响机床刚度的主要因素是 各构件 部件本身的刚度以及相互间的接触刚度 提高动静刚度的措施 为了提高机床大件的刚度 采用封闭界面的床身 并采用重锤或液力平衡减少移动部件因位置变动造成的机床变形 封闭整体箱形结构 为了提高数控机床主轴的刚度 不但经常采用三支撑结构 而且选用钢性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承 以减小主轴的径向和轴向变形 数控车床上加尽量缩短主轴端部受力悬伸长度以减少所受弯矩 为了提高机床各部件的接触刚度 增加机床的承载能力 采用刮研的方法增加单位面积上的接触点 并在结合面之间施加足够大的预加载荷 以增加接触面积 这些措施都能有效地提高接触刚度 提高动态刚度的方法 提高系统的刚度 增加阻尼以及调整构件的自振频率等 试验表明 提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法 钢板的焊接结构既可以增加静刚度 减轻结构重量 又可以增加构件本身的阻尼 因此 近年来在数控机床上采用了钢板焊接结构的床身 立柱 横梁和工作台 封砂铸件也有利于振动衰减 对提高抗振性也有较好的效果 在大件内腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料 在振动时因摩擦力较大而耗散振动能量 也可采用阻尼层法 即在大件表面喷涂一层具有高阻尼和较高弹性的黏滞弹性材料 涂层越厚 阻尼越大 QC11NJDK数控液压闸式剪板机 机架采用钢板焊接结构 经振动消除内应力 有足够的强度与刚性 这是加工大型零件的超重型设备 结构特点 工作台径向采用高精度双列短滚子轴承定心 轴向采用每腔一泵式恒流静压导轨 主传动箱采用二级机械变速和立式直流电机驱动 横梁配有卸荷梁 用静压卸荷丝杆升降 刀架移动采用消除间隙的双齿轮传动 滑枕移动采用滚珠丝杆传动 机床横梁 床身和立柱为焊接件结构 并采用了阻尼减振措施 CK53系列数控单柱移动立式车床和车铣镗立式车床 人造大理石床身 混凝土聚合物 图5 3德国DEN480L型数控车床底座和床身示意图 2 数控机床应有更小的热变形 图5 110m min进给速度 多次往复运动时的滚柱丝杠发热情况 温度分布图的温度显示为25摄氏至40摄氏度 若没有补偿措施 则将使工件产生严重缺陷 1 减少发热2 控制温升 对机床热源进行强制冷却3 改善机床机构 采用热对称结构4 丝杠预拉伸5 热位移补偿 控制热变形的措施 热对称结构立柱 3 传动灵敏 数控机床运动件之间的摩擦要小 要消除传动系统的间隙 达到低速时无爬行 高速时快速响应 4 数控机床结构要人性化 一 主传动系统作用是将电动机的扭矩或功率传递给主轴部件 使安装在主轴内的工件或刀具实现主切削运动 主轴 指带动刀具和工件旋转 产生切削运动且消耗功率最大的运动轴 二 主传动系统组成 主轴电动机 传动系统和主轴部件 5 2主传动系统 三 对主传动系统的要求1 足够的转速范围2 足够的功率和扭矩3 各零部件应具有足够的精度 强度 刚度和抗振性4 噪声低 运行平稳 四 主轴的驱动方式1 采用变速齿轮传动这是大中型数控机床较常采用的配置方式 通过少数几对齿轮传动 扩大变速范围 滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现 2 采用同步齿形带传动这种传动主要用在转速较高 变速范围不大的机床 它适用于高速低转矩特性的主轴 3 用两个电动机分别驱动主轴这是上述两种方式的混合传动 具有上述两种性能 见图5 2c 高速时 由一个电动机通过带传动 低速时 由另一个电动机通过齿轮传动 齿轮起到降速和扩大变速范围的作用 这样就使恒功率区增大 扩大了变速范围 避免了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的问题 但两个电动机不能同时工作 也是一种浪费 4 采用主轴电机直接驱动 一体化主轴 电主轴 主轴与电机转子合二为一 从而使主轴部件结构更加紧凑 重量轻 惯量小 有效地提高了主轴部件的刚度 提高了主轴启动 停止的响应特性 目前高速加工机床主轴多采用这种方式 这种类型的主轴也称为电主轴 图5 7内装电动机主轴 车床用电主轴 铣床用电主轴 五 主轴调速方法 数控机床常用机电结合的方法 即同时采用电动机和机械齿轮变速两种方法 其中齿轮减速以增大输出扭矩 并利用齿轮换挡来扩大调速范围 1 电动机调速用于主轴驱动的调速电动机主要有直流电动机和交流电动机两大类 1 直流电动机主轴调速 2 交流电动机主轴调速 2 机械齿轮变速数控机床常采用1 4挡齿轮变速与无级调速相结合的方式 即所谓分段无级变速 采用机械齿轮减速 增大了输出扭矩 并利用齿轮换挡扩大了调速范围 自动换挡执行机构是一种电 机转换装置 常用的有液压拨叉和电磁离合器 图2 3三位液压拨叉工作原理图1 5 液压缸2 活塞杆3 拨叉4 套筒 六 主轴部件 主轴部件是机床的一个关键部件 它包括主轴的支承 安装在主轴上的传动零件等 对于数控机床尤其是自动换刀数控机床 为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持 还必须有刀具的自动夹紧装置 主轴准停装置和主轴孔的清理装置等结构 1 主轴端部的结构形状主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具 在设计要求上 应能保证定位准确 安装可靠 联接牢固 装卸方便 并能传递足够的转矩 主轴端部的结构形状都已标准化 a 车床主轴端部 b 铣 镗类机床主轴端部 c 外圆磨床砂轮主轴端部 d 内圆磨床砂轮主轴端部 e 普通镗杆装在钻床主轴上的端部 f 组合机床主轴端部 2 主轴部件的支承 机床主轴带着刀具或夹具在支承中作回转运动 应能传递切削转矩承受切削抗力 并保证必要的旋转精度 机床主轴多采用滚动轴承作为支承 对于精度要求高的主轴则采用动压或静压滑动轴承作为支承 下面着重介绍主轴部件所用的滚动轴承 主轴滚动轴承的配置 前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60 角接触双列向心推力球轴承 后支承采用成对向心推力球轴承 能使主轴获得较大的径向和轴向刚度 可以满足机床强力切削的要求 普遍应用于各类数控机床的主轴 如数控车床 数控铣床 加工中心等 这种配置的后支承也可用圆柱滚子轴承 进一步提高后支承径向刚度 图5 14数控机床主轴轴承配置形式 如图5 14b所示的配置前支承采用多个高精度向心推力球轴承 后支承采用球轴承 没有如图5 14a所示的主轴刚度大 但这种配置提高了主轴的转速 适合主轴要求在较高转速下工作的数控机床 目前 这种配置形式在立式 卧式加工中心机床上得到广泛应用 满足了这类机床转速范围大 最高转速高的要求 为提高这种形式配置的主轴刚度 前支承可以用四个或更多个的轴承相组配 后支承用两个轴承相组配 如图5 14c所示的配置形式 前支承采用双列圆锥滚子轴承 后支承为单列圆锥滚子轴承 能使主轴承受较重载荷 尤其是承受较强的动载荷 径向和轴向刚度高 安装和调整性好 但这种配置相对限制了主轴最高转速和精度 适用于中等精度 低速与重载的数控机床主轴 3 主轴的材料和热处理 主轴材料可根据强度 刚度 耐磨性 载荷特点和热处理变形大小等因素来选择 主轴刚度与材质的弹性模量E有关 无论是普通钢还是合金钢其E值基本相同 因此 对于一般要求的机床其主轴可用价格便宜的中碳钢 45钢 进行调质处理后硬度为22 28HRC 当载荷较大或存在较大的冲击时 或者精密机床的主轴为减少热处理后的变形 或者需要作轴向移动的主轴为了减少它的磨损时 则可选用合金钢 常用的合金钢有 40Cr进行淬硬硬度达到40 50HRC 或者用20Cr进行渗碳淬硬使硬度达到56 62HRC 某些高精度机床的主轴材料则选用38CrMoAl进行氮化处理 使硬度达到850 1000HV 图5 19加工中心主轴组件 图5 18数控车床主轴组件 七 主轴准停 主轴准停功能又称主轴定向功能 SpindleSpecifiedPositionStop 其作用是使主轴每次都准确地停在固定不变的周向位置上 以保证自动换刀时主轴上的端面键能对准刀柄上的键槽 同时使每次装刀时刀柄与主轴的相对位置不变 提高刀具的重复安装精度 从而可提高加工的一致性 另外 一些特殊工艺要求 如在通过前壁小孔镗内壁的同轴大孔 或进行反倒角等加工时 也要求主轴实现准停 使刀尖停在一个固定的方位上 以便主轴偏移一定尺寸后 使大刀刃能通过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削 图5 28主轴准停换刀示意图 图5 29主轴准停镗背孔示意图 主轴准停可分为机械准停与电气准停 它们的控制过程是一样的 目前国内外中高档数控系统均采用电气准停控制 采用电气准停控制有如下优点 1 简化机械结构 2 缩短准停时间 3 可靠性增加 4 性能价格比提高 图5 11典型的V形槽轮