加工中心特点分析

1、重庆大学网络教育学院 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 题目 分 析 加 工 中 心 特 点 学生所在校外学习中心 青岛校外学习中心 批次 层次 专业 0 6 2 批 次 学 号 W 学 生 胡 转 弟 指 导 教 师 朱 小 飞 起 止 日 期 2008.3.9 - 2008.4.11 摘摘 要要 加工中心是在数控技术基础上，根据多品种小批量加工工艺的要求，结合当 代新技术、新材料、新工艺和新的机床功能部件以及人们发展了的新的审美意识与 需求,运用人机工程学的基本法则、理论和现代设计观念与技巧等多种高技术设计 结合而成的具有高精度、高速度、高效率和高自动化的现代化生产设备。由于刀具、 驱动、控

2、制和机床等技术的不断进步，高速加工和高效加工，特别是高速硬铣已在 模具制造业中得到了广泛应用和推广，传统的电火花加工在很多场合已被高速硬铣 所替代。通过高速硬铣对一次装夹下的模具坯件进行综合加工，不仅大大提高了模 具的加工精度和表面质量，大幅度减少了加工时间，而且简化了生产工艺流程，从 而显著缩短了模具的制造周期，降低了模具生产成本。进一步提高其在国内外市场 的竞争力与附加值,使产品立于不败之地。 关键词：加工中心 高精度 高效率 高自动化 目 录 中文摘要2 1.引言5 2 加工中心概述 5 2.1 加工中心组成5 2.2 加工中心的分类6 2.3 加工中心的加工对象 8 2.3.1 箱体类

3、零件 8 2.3.2 复杂曲面9 2.3.3 叶轮 9 2.3.4 盘、套、板类零件9 2.3.5 特殊加工 9 2.4 加工中心主要技术参数10 3.加工中心的刀库系统10 3.1 加工中心的自动换刀装置10 3.1.1 对自动换刀装置的要求11 3.1.2 刀库11 3.1.3 换刀方式11 3.1.4 刀具识别方法11 3.2 工作台自动交换装置12 3.2.1 对工作台自动交换装置的要求12 3.2.2 工作台自动交换装置的类型12 3.3 加工中心零件加工实例 13 4.加工中心的结构设计及特点15 4.1 加工中心的结构设计15 4.1.1 主轴组件结构15 4.1.2 机床导轨设

4、计17 4.1.3 传动连接方式的改进19 4.1.4 全封闭的导轨防护罩21 4.1.5 浮动夹紧机构21 4.2 加工中心的工艺特点22 5.高速加工中心 24 5.1 高速主轴转速分析24 5.2 高速进给系统 25 5.3 高速切削刀具分析25 5.4 高速的 CNC 控制系统25 5.5 温控系统26 5.6 高速加工技术在模具制造中的应用 26 6.加工中心的日常维护与保养 28 6.1 加工中心使用中应注意的问题28 6.1.1 数控设备的使用环境 28 6.1.2 良好的电源保证 28 6.1.3 制定有效操作规程 28 6.1.4 数控设备不宜长期封存 28 6.2 加工中心

5、的日常维护保养29 6.2.1 数控系统的维护 29 6.2.2 机械部件的维护 30 6.2.3 液压、气压系统维护 31 6.2.4 机床精度的维护 31 7.加工中心的发展方向 31 7.1 立式加工中心的发展 31 7.2 卧式加工中心的发展 32 7.3 数控立式车床的发展 33 7.4 五轴高速加工中心的发展现况 33 8.总结 34 注解 34 参考文献 35 1.1. 引言引言 世界上第一台加工中心于 1958 年诞生于美国的卡尼-特雷克公司，在一台数控 镗铣床上增加了换刀装置，这标志着第一台加工中心问世。40 多年来出现了各种 类型的加工中心，在汽车工业、航空航天、模具制造和

6、仪器仪表等行业中获得了越 来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组 成部分。本文全面分析数控加工中心的工艺原理、加工特点、高速加工中心系统及 数控设备的维护保养等内容，探讨加工中心在数控技术发展中的创新运用以及发展 前景。 2.2.加工中心概述加工中心概述 加工中心是指备有刀库，具有自动换刀功能，对工件一次装夹后进行多工序加 工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制 机床按不同工序自动选择、更换刀具，自动对刀、自动改变主轴转速、确定加工进 给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序。因而大大减少了工件装夹 时间，测量和机床调

7、整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品 种更换频繁的零件具有良好的经济效果。 2.12.1 加工中心的组成加工中心的组成 加工中心自问世至今已有 30 多年，世界各国出现了各种类型的加工中心，虽然 外形结构各界，但从总体来看主要由以下几大部分组成，如图 2-1 所示。 图图 2-12-1 加工中心的组成加工中心的组成 基础部件基础部件 它是加工中心的基础结构，由床身、立柱和工作台等组成，它们主要承受加工 中心的静载荷以及在加工时产生的切削负载，因此必须要有足够的刚度。这些大件 可以是铸铁件也可以是焊接而成的钢结构件，它们是加工中心中体积和重量最大的 部件。 主轴部件主轴部件 由

8、主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴的启、停和变速等 动作均由数控系统控制，并且通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的 功率输出部件。 数控系统数控系统 加工小心的数控部分是由 CNC 装置，可编程控制器、伺服驱动装置以及操作面 板等组成。它是执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。 自动换刀系统自动换刀系统 由刀库、机械手等部件组成。当需要换刀时，数控系统发出指令，由机械手 (或通过其他方式)将刀具从刀库内取出装入主轴孔中。 辅助装置辅助装置 包括涡滑、冷却、排屑、防护、液压、气动和检测系统等部分。这些装置虽然 不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可

9、靠性起着保障作用， 因此也是加工中心中不对缺少的部分。 2.22.2 加工中心的分类加工中心的分类 加工中心常按主轴在空间所处的状态分为立式加工中心和卧式加工中心，加工 中心的主轴在空间处于垂直状态的称为立式加工中心，主轴在空间处于水平状态的 称为卧式加工中心。如图 2-2，2-3 所示， 图图 2-22-2 卧式加工中心卧式加工中心 图图 2-32-3 立式加工中心立式加工中心 主轴可作垂直和水平转换的，称为立卧式加工中心或五面加工中心，也称复合 加工中心。按加工中心立柱的数量分；有单柱式和双柱式(龙门式) 如图 2-4 所示。 图图 2-42-4 龙门加工中心龙门加工中心 按加工中心运动坐

10、标数和同时控制的坐标数分：有三轴二联动、三轴三联动、 四轴三联动、五轴四联动、六轴五联动等。三轴、四轴是指加工中心具有的运动坐 标数，联动是指控制系统可以同时控制运动的坐标数，从而实现刀具相对工件的位 置和速度控制。 按工作台的数量和功能分：有单工作台加工中心、双工作台加工中心，和多工 作台加工中心。 按加工精度分：有普通加工中心和高精度加工中心。普通加工中心，分辨率为 1m，最大进给速度 1525mmin，定位精度 lOm 左右。高精度加工中心、分 辨率为 0.1m，最大进给速度为 15100mmin，定位精度为 2m 左右。介于 2lOm 之间的，以5m 较多，可称精密级。 2.32.3

11、加工中心的加工对象加工中心的加工对象 加工中心适宜于加工复杂、工序多、要求较高、需用多种类型的普通机床和众 多刀具夹具，且经多次装夹和调整才能完成加工的零件。其加工的主要对象有箱体 类零件、复杂曲面、异形件、盘套板类零件和特殊加工等五类。 2.3.12.3.1 箱体类零件箱体类零件 箱体类零件一般是指具有一个以上孔系，内部有型腔，在长、宽、高方向有一定比 例的零件。这类零件在机床、汽车、飞机制造等行业用的较多。如图 2-5 所示， 图图 2-52-5 箱体类零件箱体类零件 箱体类零件一般都需要进行多工位孔系及平面加工，公差要求较高，特别是形 位公差要求较为严格，通常要经过铣、钻、扩、镗、铰、锪

12、，攻丝等工序，需要刀 具较多，在普通机床上加工难度大，工装套数多，费用高，加工周期长，需多次装 夹、找正，手工测量次数多，加工时必须频繁地更换刀具，工艺难以制定，更重要 的是精度难以保证。 加工箱体类零件的加工中心，当加工工位较多，需工作台多次旋转角度才能完 成的零件，一般选卧式镗铣类加工中心。当加工的工位较少，且跨距不大时，可选 立式加工中心，从一端进行加工。 2.3.22.3.2 复杂曲面复杂曲面 复杂曲面在机械制造业，特别是航天航空工业中占有特殊重要的地位。复杂曲 面采用普通机加工方法是难以甚至无法完成的。在我国，传统的方法是采用精密铸 造，可想而知其精度是低的。复杂曲面类零件如：各种叶

13、轮，导风轮，球面，各种 曲面成形模具，螺旋桨以及水下航行器的推进器，以及一些其它形状的自由曲面。 图图 2-62-6 叶轮叶轮 2.3.32.3.3 叶轮叶轮 如图 2-6 所示，这类零件均可用加工中心进行加工。铣刀作包络面来逼近球面。 复杂曲面用加工中心加工时，编程工作量较大，大多数要有自动编程技术。 异形件 异形件是外形不规则的零件，大都需要点、线、面多工位混合加工。异形件的 刚性一般较差，夹压变形难以控制，加工精度也难以保证，甚至某些零件的有的加 工部位用普通机床难以完成。用加工中心加工时应采用合理的工艺措施，一次或二 次装夹，利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，完成多道工序或全

14、部的 工序内容。 2.3.42.3.4 盘、套、板类零件盘、套、板类零件 带有键槽，或径向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盘套或轴类零件，如带法 兰的轴套，带键槽或方头的轴类零件等，还有具有较多孔加工的板类零件，如各种 电机盖等。端面有分布孔系、曲面的盘类零件宜选择立式加工中心，有径向孔的可 选卧式加工中心。 2.3.52.3.5 特殊加工特殊加工 在熟练掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工装和专用工具，利用加工中 心可完成一些特殊的工艺工作，如在金属表面上刻字、刻线、刻图案；在加工中心 的主轴上装上高频电火花电源，可对金属表面进行线扫描表面淬火；用加工中心装 上高速磨头，可实现小模数渐开线圆

15、锥齿轮磨削及各种曲线、曲面的磨削等。 2.42.4 加工中心主要技术参数加工中心主要技术参数 加工中心的主要技术参数包括工作台面积、各坐标轴行程、摆角范围、主轴转 速范围、切削进给速度范围、刀库容量、换刀时间、定位精度、重复定位精度等， 其具体内容及作用详见表 2 - 1 。 类别主要内容作用 工作台面积（长*宽） 、承重 主轴端面到工作台距离尺寸参数 交换工作台尺寸、数量及交换时间 影响加工工件的尺寸范围 （重量） 、编程范围及刀 具、工件、机床之间干涉 工作台 T 形槽数、槽宽、槽间距 主轴孔锥度、直径 最大刀具尺寸及重量 接口参数 刀库容量、换刀时间 影响工件、刀具安装及加 工适应性和效

16、率 各坐标行程及摆角范围 主轴转速范围运动参数 各坐标快进速度、切削进给速度范围 影响加工性能及编程参数 主轴电机功率 动力参数 伺服电机额定转矩 影响切削负荷 定位精度、重复定位精度 精度参数 分度精度（回转工作台） 影响加工精度及其一致性 其它参数外形尺寸、重量影响使用环境 表 2-1 加工中心主要技术参数 3.3. 加工中心的刀库系统加工中心的刀库系统 加工中心为了能在工件一次安装中完成多种甚至所有加工工序，以缩短辅助时 间和减少多次安装刀具和工件带来的误差，必须带有自动换刀装置。 3.13.1 加工中心的自动换刀装置加工中心的自动换刀装置 加工中心上的自动换刀装置由刀库和刀具交换装置组

17、成，用于交换主轴与刀库 中的刀具或工具。 3.1.13.1.1 对自动换刀装置的要求对自动换刀装置的要求 加工中心对自动换刀装置有如下具体要求： 、刀库容量适当 、换刀时间短 、换刀空间小 、动作可靠、使用稳定 、刀具重复定位精度高 、刀具识别准确 3.1.23.1.2 刀库刀库 在加工中心上使用的刀库主要有两种，一种是盘式刀库，一种是链式刀库。盘 式刀库装刀容量相对较小，一般在 124 把刀具，主要适用于小型加工中心；链 式刀库装刀容量大，一般在 1100 把刀具，主要适用于大中型加工中心。 3.1.33.1.3 换刀方式换刀方式 加工中心的换刀方式一般有两种：机械手换刀和主轴换刀。 机械手

18、换刀 由刀库选刀，再由机械手完成换刀动作，这是加工中心普遍采用的形式。机床 结构不同，机械手的形式及动作均不一样。 主轴换刀 通过刀库和主轴箱的配合动作来完成换刀，适用于刀库中刀具位置与主轴上刀 具位置一致的情况。一般是采用把盘式刀库设置在主轴箱可以运动到的位置，或整 个刀库能移动到主轴箱可以到达的位置。换刀时，主轴运动到刀库上的换刀位置， 由主轴直接取走或放回刀具。多用于采用 40 号以下刀柄的中小型加工中心。 3.1.43.1.4 刀具识别方法刀具识别方法 加工中心刀库中有多把刀具，如何从刀库中调出所需刀具，就必须对刀具进行 识别，刀具识别的方法有两种。 、刀座编码 在刀库的刀座上编有号码

19、，在装刀之前，首先对刀库进行重整设定，设定完后， 就变成了刀具号和刀座号一致的情况，此时一号刀座对应的就是一号刀具，经过换 刀之后，一号刀具并不一定放到一号刀座中（刀库采用就近放刀原则） ，此时数控 系统自动记忆一号刀具放到了几号刀座中，数控系统采用循环记忆方式。 、刀柄编码 识别传感器在刀柄上编有号码，将刀具号首先与刀柄号对应起来，把刀具装在 刀柄上，再装入刀库，在刀库上有刀柄感应器，当需要的刀具从刀库中转到装有感 应器的位置时，被感应到后，从刀库中调出交换到主轴上。 3 3.2.2 工作台自动交换装置工作台自动交换装置 根据需要，加工中心可配备工作台自动交换装置，使其携带工件在工位及机床

20、之间转换，从而有效减小定位误差，减少装夹时间，达到提高加工精度及生产效率 的目的，这也是构成 FMS 的基本手段。 3.2.13.2.1 对工作台自动交换装置的要求对工作台自动交换装置的要求 加工中心对自动换刀装置有如下具体要求： 工作台数量适当 一般单机操作采用两个工作台，多机共同操作时采用多个工作台。 交换时间短 多工作台的交换可采用机械手、机器人等以缩短时间。 交换空间小 动作可靠、使用稳定 工作台重复定位精度高 3.2.23.2.2 工作台自动交换装置的类型工作台自动交换装置的类型 回转交换式 交换空间小，多为单机时使用， 移动交换式 工作台沿导（滑）轨移至工作位置进行交换，多用于加工

21、中工位多、内容多的 情况 3.33.3 加工中心零件加工实例加工中心零件加工实例 一、加工要求 加工如图 3-1 所示零件。零件材料为 LY12 ，单件生产。零件毛坯已加工到尺 寸。 选用设备： V-80 加工中心 图图 3-13-1 加工实例加工实例 二、准备工作 加工以前完成相关准备工作，包括工艺分析及工艺路线设计、刀具及夹具的选 择、程序编制等。 三、操作步骤及内容 1、开机，各坐标轴手动回机床原点 2、刀具准备 根据加工要求选择 20 立铣刀、5 中心钻、8 麻花钻各一把，然后用弹 簧夹头刀柄装夹 20 立铣刀，刀具号设为 T01，用钻夹头刀柄装夹 5 中心钻、 8 麻花钻，刀具号设为

22、 T02、T03，将对刀工具寻边器装在弹簧夹头刀柄上，刀具 号设为 T04 。 3 、将已装夹好刀具的刀柄采用手动方式放入刀库， 即 1 ）输入 “T01 M06” ，执行 2 ）手动将 T01 刀具装上主轴 3 ）按照以上步骤依次将 T02 、 T03 、 T04 放入刀库 4、清洁工作台，安装夹具和工件 将平口虎钳清理干净装在干净的工作台上，通过百分表找正、找平虎钳，再将 工件装正在虎钳上。 5、对刀，确定并输入工件坐标系参数 1 ）用寻边器对刀，确定 X 、 Y 向的零偏值，将 X 、 Y 向的零偏值 输入到工件坐标系 G54 中， G54 中的 Z 向零偏值输为 0 ； 2 ）将 Z

23、轴设定器安放在工件的上表面上，从刀库中调出 1 号刀具装上主轴，用 这把刀具确定工件坐标系 Z 向零偏值，将 Z 向零偏值输入到机床对应的长度补偿 代码中， “+” 、 “-” 号由程序中的 G43 、 G44 来确定，如程序中长度补偿 指令为 G43 ，则输入 “-” 的 Z 向零偏值到机床对应的长度补偿代码中； 3 ）以同样的步骤将 2 号、 3 号刀具的 Z 向零偏值输入到机床对应的长度补偿 代码中。 6、 输入加工程序 将计算机生成好的加工程序通过数据线传输到机床数控系统的内存中。 7、 调试加工程序 采用将工件坐标系沿 +Z 向平移即抬刀运行的方法进行调试。 1 ）调试主程序，检查

24、3 把刀具是否按照工艺设计完成换刀动作； 2 ）分别调试与 3 把刀具对应的 3 个子程序，检查刀具动作和加工路径是否正确。 8 、自动加工 确认程序无误后，把工件坐标系的 Z 值恢复原值，将快速移动倍率开关、切 削进给倍率开关打到低档，按下数控启动键运行程序，开始加工。加工过程中注意 观察刀具轨迹和剩余移动距离。 9、取下工件，进行检测 选择游标卡尺进行尺寸检测，检测完后进行质量分析。 10、清理加工现场 11、关机 4.4. 加工中心的结构设计及特点加工中心的结构设计及特点 虽然数控机床、加工中心是由普通机床发展而来，但要满足高速、高效、高精 度又要能承受大负荷，普通机床的传统结构已不能满

25、足要求。在加工中心等机床设 计上必须采用一些适合于数控机床的结构。 4.14.1 加工中心的结构设计加工中心的结构设计 数控机床、加工中心为了适应高速、高效、高精度，受大负荷的需要，需在主 轴组件、导轨设计上改进，在传动连接件上采用胀套式，防护罩上采用全封闭式以 及在夹紧机构等上采用浮动夹紧方法等。 4.1.14.1.1 主轴组件结构主轴组件结构 （1） 前轴承原来的双联轴承（图 4-1）已满足不了大负荷的要求，应改用 三联或四联角接触球轴承（图 4-3） 。 图图 4-1 普通主轴前轴承普通主轴前轴承 图图 4-2 螺旋式密封结构螺旋式密封结构 图图 4-34-3 加工中心主轴前轴承加工中心

26、主轴前轴承 （2）原来图 4-1 中修法兰盖 1 的端面保证不了端面与孔的垂直度要求。为了 提高轴承的调整精度应改为如图 4-3 中用挡圈 5、6 修磨调整式，以便提高修磨精 度。为了保证三个轴承的外圈互相压紧，法兰盖 4 外端面外应有 0.10.15mm 间隙。 （3）图 4-1 所示的锁紧螺母 3，在锁紧时不能保证端面的垂直度，应改为如 图 4-3 中的用两个螺母 8、9。8 为调整螺母，9 为锁紧螺母，调整与锁紧分开，两 者端面不接触，等调整好后，再用螺钉把两者固定。可避免锁紧螺母的歪斜影响。 （4）为了提高轴承的寿命，防止加工时灰尘、油污进入轴承增加磨损，应如 图 4-3 所示在加工过

27、程中用压缩空气向孔口吹气，气缝口的间隙为 0.2mm。吹气能 起到很好的清洁效果。但是这种结构较复杂，要求不高时可改用图 4-2 结构，前法 兰盖与轴配合处采用螺旋密封（只适用于单向转动的主轴） ，其赶油方向要特别注 意。若把方向搞错，则不但不能密封，相反的却把冷却液赶向漏出方向，则使泄漏 量大为增加，使轴承污染更严重，即使是油脂润滑轴承，会使温升大增，并对轴承 寿命不利。图中表明了螺旋密封的赶油方向，设轴的回转方向 n 从右向左看为顺时 针方向，如欲起赶油方向向左，则螺纹加工于法兰盖 11 上的孔内时，则螺纹方向 应为右旋，反之螺纹在轴上则为左旋。螺纹以矩形螺纹最好，间隙愈小愈有利，对 矩形

28、螺纹间隙以 0.040.06 mm，对三角形螺纹以 0.020.04mm 为宜。如间隙大， 则液体不能附着于轴与孔的表面上，则螺旋密封不起赶油作用，密封无效。在法兰 盖内孔表面涂一层石墨，这样万一轴变弯而相碰仅仅刮一些石墨，而不产生金属接 触摩擦。 4.1.24.1.2 机床导轨设计机床导轨设计 从机械结构的角度来说，机床的加工精度和使用寿命很大程度上决定于机床导 轨的质量。数控机床、加工中心对导轨有更高的要求，如高速进给时不振动，低速 时不爬行，有高的灵敏度，能在重载下长期工作，耐磨性高、保持性好等。要满足 这些要求，应在导轨材料和结构上作相应的变动。设计时选用的原则如下： （1）导轨的各项

29、精度互不影响，压强小的原则从导轨制造工艺性考虑，导 轨的各项精度要互不影响，才易得到高精度。如矩形导轨顶面的直线度与侧面的直 线度制造时互不影响。而且其接触面大，当量摩擦系数比三角形导轨小，压强小磨 损小，故常为加工中心所采用。 （2）静动摩擦系数相接近的原则传统的铸铁铸铁滑动导轨副，由于其摩 擦系数平均值达 0.25，而且静动摩擦系数相差很大，限制了定位精度的提高。如 重 500kg 的部件，重复定位精度仅能达到 0.010.02 mm，满足不了精密化的要求。 这种导轨还容易产生爬行，对精度影响很大。若采用滚动导轨，则摩擦系数只有 0.0020.003，重复定位精度可达 1m 以下，灵敏度高

30、，这种导轨的缺点是抗震 性差，且难以承受大的负荷，只能用于受力较小的机床。 近年来国内外研究出了一些新的贴塑导轨，这种导轨材料是：底基为 0.8 普通 含锰低碳钢带、厚度 12mm，钢带上烧结一层0.2mm 的 ZQSn10-1 高锡青铜珠、 厚度约 0.3mm，再压上一层 0.020.04mm 图图 4-4 摩擦速度曲线摩擦速度曲线 厚的聚四氟乙烯（F-4）和二硫化钼混合粉末。并做成软带状。国外生产的以 美国霞板（Shamoan）公司的 Turcite-B 应用最广。我国广州机床研究所的 TSF 导 轨软带，也基本上赶上。摩擦系数与速度曲线见图 4-4，我厂在 THM6340 型卧式加 工中

31、心和立式加工中心上使用，情况良好，保证了机床定位精度35m 的水平。 （3）移动件来回移动时倾侧力矩最小的原则为了提高移动件来回移动的重 复精度，要求驱动件安排在导轨跨距的中间，牵引力在两导轨摩擦力的合力附近 （图 4-5） 。根据我厂应用，配合导轨贴塑，重复定位精度可达1m。 （4）导轨全封闭贴合原则为了承受 X、Y、Z 三个方向力量和倾侧力矩的影 响，加工中心等机床导轨必须设计成上下左右全封闭（图 4-5） 。这种结构已被多 种加工中心和数控机床所采用。 图图 4-5 工作台和滑座横剖面工作台和滑座横剖面 4.1.34.1.3 传动连接方式的改进传动连接方式的改进 主轴上的传动件以往用单平

32、键、双平键、花键等方法连结，使用中存在制造误 差，各个键不能同时接触，高速回转时经常发生冲击、振动和噪声。近年来改用胀 套联结方式，取得较好效果。 图图 4-64-6 传动件连接方式传动件连接方式 图 4-6 是原来常用连接方式，用双平键 1、2 传动。图 4-6（b）是整体式胀套 连接，优点是结构简单、径向尺寸小、精度高。缺点是调整时要增加紧固螺钉 3、 盖板 4 和套，不够方便，松开也较困难。而且套的胀开是靠锥面，压紧时内套缩小， 外套胀大，由于两个锥套圈没有开口，变形量只能在 0.050.1mm 之间，而且胀紧 力的均匀性与两锥面的接触情况有关，不易达到固紧力。如用开口式，固紧力虽大 但

33、精度较低。夹紧力的调整变动过程情况见图 4-7。 图图 4-7 夹紧力的调整变动情况夹紧力的调整变动情况 目前又发展了一种图 4-6（c）双锥胀紧圈式。由于内外两圈都有开口，夹紧 力较大。夹紧时只要紧固螺钉按 120三点进行均匀夹紧，在螺钉多时对零件的精 度影响较小，松开后，可把整个圈成组取出。目前数控机床和加工中心上使用较多。 其能承受切削力的大小，与下式中尺寸有关。 以 Z2（类型）38（内径）63（外径）C40-2（标准编号） ，14 个紧固螺钉 M618 为例： 承受额定负荷：轴向力 Ft=46kN；扭矩 Mt=0.88 kN*m。胀圈与轴结合面上的压 力 Pf=185N/mm2（此处

34、 Pf 仅与图 4-6（c）结构有关，而图 4-7 中 Pf 又只与图 4- 6（b）结构有关，两者不一致） 。螺钉的拧紧力矩 MA 为 14N*m。当固紧力不足时， 可增加胀圈个数，其增加的负荷系数为 2 个 m=1.8；3 个 m=2.7。 由于胀圈套有较大的胀紧力，空心轴的壁厚就不能太薄，应满足 以免变形增加，影响精度。式中：d 为胀圈内径， mm；s 为空心轴的屈服极限，N/mm2；C 为系数，当用一个胀套时为 0.6，两个时 为 0.8。目前国内江苏省靖江县机床附件厂生产，值得推广。 4.1.44.1.4 全封闭的导轨防护罩全封闭的导轨防护罩 在加工中心进行切削时，铁屑、冷却液很多，

35、极易进入导轨，增大导轨磨损， 铁屑大时，易把工作台抬起影响导轨精度。一般简易的保护罩已满足不了要求，必 须设计成全封闭式铁皮防护罩（图 4-8） 。这样，设计时下导轨长度为工作台长度、 行程长度和两端防护罩最小收缩量后的总和。防护罩设计时应作如下改进：图 4- 8（a）防护罩上的刮板要设计成橡胶唇刮板；图 4-8（b ）罩壳下导轨上要设计成 黄铜刮板；图 4-8（c）上下铁皮罩壳的连接方法，由用图中焊一个固定块螺纹 固紧式改为图中用一薄壁变形螺母，依靠螺钉固紧时的拉力使螺母前端薄壁变形 成图中在铁皮孔中胀死固定，就能达到较好效果。 图图 4-8 全封闭铁皮防护罩全封闭铁皮防护罩 4.1.54.

36、1.5 浮动夹紧机构浮动夹紧机构 精密机床的夹紧，原来存在着夹紧力、夹紧时移动件走动和引起导轨附加变形 等问题，一般难以解决，只能采用铁皮夹紧方式，但它不能承受较大负荷，不适合 加工中心使用。 现采用空气作为动力（没有热影响） ，夹紧机构采用了浮动夹紧式，见图 4- 9。 图 4-9 浮动夹紧机构 夹紧力采用增加一个增力缸，把压力增大为 981076kPa（100120 个大气压） 。夹紧方式对直线移动导轨采用图 4-9（a）结构，导轨上左右导轨锁紧处 1、2 各 设两点，共四点夹紧，采用浮动块 3 夹紧。对于回转导轨采用图 4-9（b）结构， 采用浮动气缸 4、5 上下随导轨面移动夹紧，故能

37、达到既不增加导轨变形，又不增 加移动件走动的目的，是一种巧妙的设计方式，可在加工中心、数控机床中推广使 用。 4.24.2 加工中心的工艺特点加工中心的工艺特点 与普通机床加工相比，加工中心具有许多显著的工艺特点。 工艺范围宽，能加工复杂曲面 与数控铣床一样，加工中心也能实现多坐标轴联动而容易实现许多普通机床难 以完成或无法加工的空间曲线、曲面的加工，大大增加了机床的工艺范围。 具有高度柔性，便于研制、开发新产品 所谓柔性即“灵活” 、 “可变” ， 相对“刚性”而言的。过去，许多企业采用组 合机床、专用机床进行高效、自动化生产，但 些组合机床、专用机床是专门针对 某种零件的某道工序而设计的，

38、适用于产品稳定的大批量生产，无法适应多品种、 小批量生产。现在，即便是大批量生产的产品，品种多年一成不变的历史也已一去 不复返，一旦品种发生变化，这些组合机床、专用机床基本就无法继续使用，组合 机床、专用机床的应用越来越少，正在被数控设备所取代。一般的机械仿形加工机 床能加工一些较复杂的零件，但产品变型后，必须重新设计和制造凸轮、靠模、样 板或钻黄模等，生产准备周期较长。而加工中心当加工对象改变后，只需变换加工 程序、调整刀具 数等即可进行新零件加工，生产准备周期大大缩短，给新产品的 研制开发产品的改进、改型提供了捷径。同时，由于加工中心具有自动换刀功能， 右加工各种不同种类的零件、各种各样的

39、表面方面比数控铣床更有优势。 加工精度高，表面质量好 加工的零件一致哇好，质量稳定，加工中心的脉冲当量一般为 lm，高精度的 加工中心可达。1m 其运动分辨率远高于普通机床。加工中心多采用半闭环甚至全 闭环的位置补偿功能，有较高的定位精度和重复定位精度，在加工过程中产生的尺 寸误差能及时得到补偿，能获得较高的尺寸精度；加工中心采用插补原理确定加工 轨迹，加工的零件形状精度高；在加工中心上加工，工序高度集中，一次装夹即可 加工出零件上大部分表面，精度要求高、表面质量要求好的零件宜选用加工中心加 工。 另外，加工中心的整个加工过程由程序自动控制，不受操作者 为因素的影响， 同时，没有凸轮、靠模等硬

40、件，省去了制造和使用中磨损等所造成的的误差，加上 机床的位置补偿功能、较高的定位精度和重复定位精度，加工出的零件尺寸一致性 好。这对于批量和大量生产特别有利。 生产率高 零件的加工时间包括机动时间和辅助时间，加工中心能有效地减少这两部分时 间。加工中心刚度大、功率大，主轴转速和进给速度范围大且为无级变速，所以每 道工序都可选择较大而合理的切削用量，减少了机动时间，加工中心加工时能在一 次装夹中加工出很多待加工的部位，省去了通用机床加工时原有的不少中间工序 （如划线、检验等） 。加工中心具有自动变速、自动换刀和其他辅助操作自动化等 功能，使辅助时间大为缩短。所以，它比普通机床的生产效率高 34

41、倍甚至更高， 对复杂型面零件的加工，其生产效率可提高十几倍甚至几十倍。此外，加工中心加 工出的零件也为后续工序（如装配等）带来了许多方便，其综合效率更高。 减轻了工人的体力劳动强度 一般情况下，操作者只要在机床旁边观察和监督机床的运行情况，此外再做一 些装卸零件及更换刀具的工作。当然，加工中心操作者的脑力劳动强度相应增大， 要处理许多在普通机床加工时很少见的数学问题、数控加工程序问题、微电子问题、 信息问题、自动控制技术应用问题等。 一机多用 加工中心具备了多台普通机床的功能，可自动换刀，一次装夹后，几乎可完成 全部加工部位的加工 便于实现计算机辅助制造 计算机辅助设计与制造， （CAD/CA

42、M）已成为航空航天、汽车、船舶及各种 机械工业实现现代化的必由之路。而将用计算机辅助设计出来的产品图纸及数据变 为实际产品的最有效途径，就是采取计算机辅助制造技术直接制造出零部件。加工 中心等数控设备及其加工技术正是计算机辅助制造系统的基础。 5.5.高速加工中心高速加工中心 高速切削是实现高效率制造的核心技术，工序的集约化和设备的通用化使之具 有很高的生产效率。可以说，高速切削加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加 工效率所必不可少的技术。 5.15.1 高速主轴转速分析高速主轴转速分析 高速主轴是高速加工中心最关键的部件之一。目前主轴转速在 2000040000r/min 的加工中心越来越

43、普及，一些欧洲的高速加工中心的主轴转速 已经达到 60000r/min，转速高达 r/min 以上超高速主轴也正在研制开发中。高速 加工中心的转速、马力、动态平衡、刚性、锥度孔型及热变形特性等，对高速加工 中心的刚性和热稳定性都有相当程度的影响。这样就要求高速加工中心主轴和电机 合二为一，制成电主轴，实现无中间环节的直接传动，减少传动部件，具有更高的 可靠性。 主轴轴承也是决定主轴寿命和负荷容量的关键部件。为了适应高速切削加工， 高速加工中心的主轴设计采用了先进的主轴轴承的润滑、散热技术。目前高速主轴 主要采用 3 种特殊轴承：(1)陶瓷轴承；(2)磁力轴承；(3)空气轴承。主轴轴承润 滑对主

44、轴转速的提高起着重要的作用，高速主轴一般采用油空气润滑或喷油润滑。 5 5.2.2 高速进给系统高速进给系统 提高切削进给速度是提升加工效率所必须的。目前高速加工中心的切削进给速 度一般为 2040m/min，有的直线电机驱动 X、Y 轴的立式加工中心超高速定位速 度达 140m/min，有的高速加工中心进给速度高达 208m/min。要实现并准确控制这 样高的进给速度，对高速加工中心导轨、滚珠丝杆、伺服系统、工作台结构等提出 了新的要求。直线电机的成熟应用使高速加工中心在效率、精度和实用性方面翻开 了新的一页。直线电机为非接触的直接驱动方式，移动部件少，无扭曲变形问题， 采用这种技术，机床制

45、造达到了传统滚珠丝杆所无法达到的水平。直线电机具有高 加速度和减速特性，加速度可达 2g，为传统驱动装置的 1020 倍，进给速度是传 统的 45 倍。 5 5. . 3 3 高速切削刀具分析高速切削刀具分析 高速切削(HSC)、硬切削和干切削被认为是当今切削加工中三项最具发展前景 的技术,受到人们普遍重视。世界机床行业功能部件发展迅速、单元技术水平不断 提高, 开发技术朝着高速、高效、环保、智能化、机床功能的复合化方向发展。 已发展的刀具材料主要有聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)、硬质含 金涂层刀具、陶瓷刀具等，都能适应铝合金、铸铁、钢和耐热合金的高速切削，其 切削水平如下：

46、铝合金 25005000m/min(Si 含量12%为 500 1500m/min)，铸 铁 500 1500m/min，钢 3001000m/min，淬硬钢、耐热合金 100400m/min，铁 合金 90 200m/min。刀柄系统选择也会影响自动换刀的重复精度和刀具切削刚性。 目前刀柄系统一般选择 7:24 锥度的单面夹紧刀柄系统，ISO、CAT、DIN、BT 等都 属此类，两面定位刀具系统有 HSK、KM、NC5、BIG-PLUS、WSU、ABSC 等。 5 5.4.4 高速的高速的 CNCCNC 控制系统控制系统 高速加工中心要求 CNC 控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性

47、，以 保证在高速切削(特别是 45 轴坐标联动加工复杂曲面时)仍具有良好的加工性能。 高速加工中心须选择传输速度快，CPU 运算速度快，预读单节及 NURBS 功能等适当 的 CNC 控制器，才能发挥高速切削加工的效能。OPEN 架构及 PCBased 也是发展 的一个新潮流。结合 PC 在通讯及网络上的发展，建立参数资料库系统、CAD/CAM 整合模拟系统及标准化电控模组，也是未来发展的新趋势。 高速 CNC 数控系统的数据处理能力有两个重要指标：一是单个程序段处理时间， 为了适应高速，要求单个程序段处理时间要短，为此，需使用 32 位 CPU 和 64 位 CPU，并采用多处理器；二是插补

48、精度，为了确保高速下的插补精度，要有前馈和 大数目超前程序段处理功能，此外，还可采用 NURBS(非线性 B 样条)插补、回冲加 速、平滑插补、钟型加减速等轮廓控制技术。高速切削加工 CNC 系统的功能特征包 括：(1)加减预插补；(2)前馈控制；(3)精确矢量补偿；(4)最佳拐角减速度。 5 5. . 5 5 温控系统温控系统 高速加工中心的热特性是指高速加工中心结构在其内部热源和外部热源的作用 下，产生结构变形和对加工精度影响的特性，为了改善高速加工中心的热特性，一 般采用温控循环水(或其他介质)来冷却主轴电机、主轴轴承、直线电机、液压油箱、 电气柜，有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件

49、。此外，还可采用低膨胀系数 的铸铁来做高速加工中心的主轴箱体，以减少主轴的热伸长和主轴部件的热变形。 5.65.6 高速加工技术在模具制造中的应用高速加工技术在模具制造中的应用 近年来，高速加工(High Speed Cuting)技术的发展迅速，为提高模具制造水 平、产品质量提供了新的发展方向。在高速加工中，不同工件材料和刀具直径要求 的主轴转速与进给速度不一样。表 5-1 列举出了采用不同直径的 TiAlN 涂层球头立 铣刀粗加工硬度不同的硬质钢时采用的主轴转速和进给速度。 机床的主轴转速 N 与刀具材料及切削速度和刀具尺寸有关。表 5-2 列举了使用 直径为 20mm 不同材料的立铣刀在

50、采用不同切削速度时所采用的主轴转速。 表表 5-15-1 主轴转速和进给速度和加工材料和刀具主轴转速和进给速度和加工材料和刀具 工件材料 刀具直径 (mm) 主轴转速 (r/min) 进给速度 (mm/min) 2060001300 预硬钢40HRC 10120002500 2050001000 硬质钢 4053HRC 1090001800 202000400 硬质钢 5360HRC 104000800 表表 5-25-2 不同材料的立铣刀在采用不同切削速度时所采用的主轴转速不同材料的立铣刀在采用不同切削速度时所采用的主轴转速 刀具材料 切削速度 (m/min) 主轴转速 (r/min) V=

51、DN/1000N=1000V/(D) 硬质合金 801250 有涂层的硬质合金 1602500 金刚石涂层的硬质合金 3004800 表表 5-35-3 加工参数和所用的加工时间加工参数和所用的加工时间 - 粗加工半精加工精加工 刀具TiAlN 涂层硬质合金 主轴转速(r/min) 120001200032000 进给速度(mm/min) 300030006000 加工时间(min) 19121 以注射模手机型腔模具加工为例，模具材料为 HI3，硬度为 50HRC，现用日本 牧野 HYPER5 机床进行加工，该机床主轴最高转速为 32000r/min，最大进给速度 60000mm/min。粗加

52、工和半精加工时用 6mm 球头立铣刀，精加工时用 4mm 球头立 铣刀，总的加工时间 41min。各加工阶段所采用的加工参数和所用的加工时间如表 5-3 所示。本例主要说明高速加工能缩短加工时间，提高了加工精度，减少抛光工 作量或免去了抛光工序。 6.6. 加工中心的日常维护与保养加工中心的日常维护与保养 在企业生产中，数控机床能否达到加工精度高、产品质量稳定、提高生产效 率的目标,这不仅取决于机床本身的精度和性能，很大程度上也与操作者在生产中 能否正确地对数控机床进行维护保养和使用密切相关。 6.16.1 加工中心使用中应注意的问题加工中心使用中应注意的问题 加工中心设备的正确操作和维护保养

53、是正确使用加工中心设备的关键因素 6.1.16.1.1 数控设备的使用环境数控设备的使用环境 为提高加工中心设备的使用寿命，一般要求要避免阳光的直接照射和其他热辐 射，要避免太潮湿、粉尘过多或有腐蚀气体的场所。精密数控设备要远离振动大的 设备，如冲床、锻压设备等。 6.1.26.1.2 良好的电源保证良好的电源保证 为了避免电源波动幅度大（大于10%）和可能的瞬间干扰信号等影响，加工 中心设备一般采用专线供电（如从低压配电室分一路单独供数控机床使用）或增设 稳压装置等，都可减少供电质量的影响和TodayHot电气干扰。 6.1.36.1.3 制定有效操作规程制定有效操作规程 在加工中心机床的使

54、用与管理方面，应制定一系列切合实际、行之有效的操作 规程。例如润滑、保养、合理使用及规范的交接班制度等，是加工中心设备使用及 管理的主要内容。制定和遵守操作规程是保证加工中心机床安全运行的重要措施之 一。实践证明，众多故障都可由遵守操作规程而减少。 6.1.46.1.4 数控设备不宜长期封存数控设备不宜长期封存 购买加工中心机床以后要充分利用，尤其是投入使用的第一年，使其容易出故 障的薄弱环节尽早暴露，得以在保修期内得以排除。加工中，尽量减少加工中心机 床主轴的启闭，以降低对离合器、齿轮等器件的磨损。没有加工任务时，加工中心 机床也要定期通电，最好是每周通电 12 次，每次空运行 1 小时左右

55、，以利用机 床本身的发热量来降低机内的湿度，使电子元件不致受潮，同时也能及时发现有无 电池电量不足报警，以防止系统设定参数的丢失。 6.26.2 加工中心的日常维护保养加工中心的日常维护保养 加工中心机床种类多，其维护保养的内容和规则也各有其特色，下面是一些常 见、通用的日常维护保养要点。 6.2.16.2.1 系统的维护系统的维护 （1）严格遵守操作规程和日常维护制度 加工中心设备操作人员要严格遵守操作规程和日常维护制度，操作人员的技术 业务素质的优劣是影响故障发生频率的重要因素。当机床发生故障时，操作者要注 意保留现场，并向维修人员如实说明出现故障前后的情况，以利于分析、诊断出故 障的原因

56、，及时排除。 （2）防止灰尘污物进入数控装置内部 在机床加工车间的空气中一般都会有油雾、灰尘甚至金属粉末，一旦它们落在 加工中心系统内的电路板或电子器件上，容易引起元器件间绝缘电阻下降，甚至导 致元器件及电路板损坏。有的用户在夏天为了使加工中心系统能超负荷长期工作， 采取打开数控柜的门来散热，这是一种极不可取的方法，其最终将导致加工中心系 统的加速损坏，应该尽量减少打开数控柜和强电柜门。 （3）防止系统过热 应该检查数控柜上的各个冷却风扇工作是否正常。每半年或每季度检查一次风 道过滤器是否有堵塞现象，若过滤网上灰尘积聚过多，不及时清理，会引起数控柜 内温度过高。 （4）系统的输入/输出装置的定

57、期维护 80 年代以前生产的数控机床，大多带有光电式纸带阅读机，如果读带部分被 污染，将导致读入信息出错。为此，必须按规定对光电阅读机进行维护。 （5）直流电动机电刷的定期检查和更换 直流电动机电刷的过度磨损，会影响电动机的性能，甚至造成电动机损坏。为 此，应对电动机电刷进行定期检查和更换。数控车床、数控铣床、加工中心等，应 每年检查一次。 （6）定期检查和更换存储用电池 一般数控系统内对 CMOS RAM 存储器件设有可充电电池维护电路，以保证系统 不通电期间能保持其存储器的内容。在一般情况下，即使尚未失效，也应每年更换 一次，以确保系统正常工作。电池的更换应在数控系统供电状态下进行，以防更

58、换 时 RAM 内信息丢失。 （7）备用电路板的维护 备用的印制电路板长期不用时，应定期装到数控系统中通电运行一段时间，以 防损坏。 6.2.26.2.2 机械部件的维护机械部件的维护 （1）主传动链的维护 定期调整主轴驱动带的松紧程度，防止因带打滑造成的丢转现象；检查主轴润 滑的恒温油箱、调节温度范围，及时补充油量，并清洗过滤器；主轴中刀具夹紧装 置长时间使用后，会产生间隙，影响刀具的夹紧，需及时调整液压缸活塞的位移量。 （2）滚珠丝杠螺纹副的维护 定期检查、调整丝杠螺纹副的轴向间隙，保证反向传动精度和轴向刚度；定期 检查丝杠与床身的连接是否有松动；丝杠防护装置有损坏要及时更换，以防灰尘或

59、切屑进入。 （3）刀库及换刀机械手的维护 严禁把超重、超长的刀具装入刀库，以避免机械手换刀时掉刀或刀具与工件、 夹具发生碰撞；经常检查刀库的回零位置是否正确，检查机床主轴回换刀点位置是 否到位，并及时调整；开机时，应使刀库和机械手空运行，检查各部分工作是否正 常，特别是各行程开关和电磁阀能否正常动作；检查刀具在机械手上锁紧是否可靠， 发现不正常应及时处理。 6.2.36.2.3 液压、气压系统维护液压、气压系统维护 定期对各润滑、液压、气压系统的过滤器或分滤网进行清洗或更换；定期对液 压系统进行油质化验检查、添加和更换液压油；定期对气压系统分水滤气器放水。 6.2.46.2.4 机床精度的维护

60、机床精度的维护 定期进行机床水平和机械精度检查并校正。机械精度的校正方法有软硬两种。 其软方法主要是通过系统参数补偿，如丝杠反向间隙补偿、各坐标定位精度定点补 偿、机床回参考点位置校正等；硬方法一般要在机床大修时进行，如进行导轨修刮、 滚珠丝杠螺母副预紧调整反向间隙等。 7 7加工中心的发展方向加工中心的发展方向 7 71 1 立式加工中心的发展立式加工中心的发展 立式加工中心主要的用户层面为,以看好的汽车零部件行业为首，还有模具、 飞机、医疗设备、IT、光学设备等行业。在飞机制造业因绝大多数加工件为多品种、 小批量的产品，因此五轴加工机为主的立式加工中心有潜在的需求。今后电子零部 件、精密机