机械制造技术基础2014-10

1、Contents加工中心3作业34数控机床32第10讲 车床典型部件及数控机床与加工中心 本章考试类型35CA6140型卧式车床主轴箱简介31本讲要求了解CA6140主轴箱主轴部件的基本要求及结构了解数控机床的特点及其加工原理和组成；了解数控机床的分类。明确加工中心的特点及其与数控机床的区别。掌握本章内容的考试类型及要点。前一讲内容回顾1.传动原理图2.传动框图3.传动系统图4.转速分布图2.3.3 CA6140型卧式车床主轴箱简介主轴箱是一个比较复杂的部件。用于支承主轴和传动机构，并使其实现旋转、启动、停止、变速、和换向等功用。主轴箱通常包含传动机构，主轴部件，启动、停止以及换向装置，制动装

2、置，操纵机构和润滑装置等。 CA6140型普通车床主轴箱展开图主轴组件卸荷带轮双向多片摩擦离合器制动器及其操纵机构变速操纵机构所谓展开图，就是按照传动轴传递运动的先后顺序，沿其轴心线剖开，并将其展开在一个平面上而形成的一种结构图。 仅用主轴箱展开图是不足以清楚反映主轴箱部件结构的，这是因为展开图不能表示出各传动件的空间位置及其它机构(如操纵机构、润滑装置等等)。所以，必须通过装配图及必要的向视图及剖面图来加以补充说明 CA6140型普通车床主轴箱展开图主轴箱主轴箱三支承结构1机床主轴部件的基本要求主轴部件是机床的重要部件之一。主轴部件由主轴、主轴支承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成。机床工

3、作时，主轴带动工件或刀具直接参加表面成形运动，并传递动力，它所传递的功率约占整台机床的80。主轴部件又是工件或刀具的支承件，承受切削力、进给力驱动力及工件或刀具的重力等，并要保证与机床其它有关部件间有精确的相对位置。主轴转速在很大程度上影响着机床的生产率；其旋转的精度在很大程度上影响着工件的加工精度。1）主轴部件的基本要求各种机床主轴的一个共同的要求，就是主轴在工作负载下，应能长期保持所需要的稳定工作精度，以保证工件合格的加工精度和表面粗糙度。1机床主轴部件的基本要求（1）旋转精度 主轴部件的旋转精度是指机床在空载低速时，在主轴端安装工件、夹具或刀具部位上用千分表测得的径向跳动量和轴向跳动量。

4、它是机床的一项主要精度指标，直接影响被加工零件的几何精度和表面粗糙度。主轴部件的旋转精度取决于主轴部件的主要零件(如主轴、轴承等)的制造和装配精度。主轴部件的旋转精度是在静态下测量的，能在一定程度上起到保证受载时主轴动态旋转精度的作用。对于高精度机床还需作动态旋转精度测定。1机床主轴部件的基本要求（2）静刚度 主轴部件的静刚度是指在外力作用下抵抗变形的能力，也就是在外力作用下，主轴应仍能保持一定的工作精度。主轴部件刚度的大小通常是以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所需施加的作用力的大小来表示的。它综合地反映了主轴和轴承的变形。在主轴端部加以作用力P(N)，如主轴端部产生的位移为y(m)，则

5、主轴部件的刚度值为Py(Nm)。因为这个位移量直接与加工精度有关，但与工件或刀具的安装方式及其尺寸无关，因而它比较能反映主轴部件的结构性能。影响主轴部件静刚度的因素较多，一般有主轴的结构尺寸、轴承的类型和装置方式、轴承间隙的大小、传动件的布置方式、以及主轴部件的制造和装配质量等。1机床主轴部件的基本要求（3）抗振性 主轴部件的抗振性是指机床进行切削时，抵抗振动保持平稳地运转的工作能力。振动会影响工件的表面质量、刀具耐用度和主轴轴承的寿命，还会产生噪声，影响工作环境。主轴部件在运转时应尽量减少振动，这对高速和高精度机床更为重要。影响主轴部件抗振性的主要因素是主轴部件的阻尼、刚度和固有频率，并与主

6、轴的传动方式、轴承类型、主轴部件质量的分布情况、齿轮与轴承等零件制造与装配的质量有关。1机床主轴部件的基本要求（4）温升和热变形 主轴部件的热变形是指机床工作时，因各相对运动处的摩擦等发热造成各部分间的温差，使主轴部件在形状和位置上产生的畸变。热变形应以主轴部件运转一段时间后因发热而造成的各部分位置变化来度量，也可用各部分的温升近似地表示。主轴部件在运转中温升过高会引起加工精度变化和抱轴的不良后果。使主轴部件产生温升和热变形的热源，主要是主轴支承中的径向和轴向轴承、润滑油以及直接装在主轴上的电动机。按JB227878规定：主轴在最高转速运转达到稳定温度(温度上升不超过每小时5)时，滑动轴承温度

7、不得超过60，温升不得超过室温30；滚动轴承温度不得超过70，温升不得超过室温40。高精度机床(如坐标镗床)主轴轴承的温度不得超过室温10。1机床主轴部件的基本要求（5）精度持久性 主轴部件的精度持久性是指长期保持其原来制造精度的能力。为此主轴部件的各滑动表面，包括主轴轴颈和滑动轴承配合面、钻镗床等轴向移动的主轴部件的导向表面以及主轴端部和内锥孔等都必须具有一定的耐磨性。1、卸荷带轮电动机经皮带将运动传至轴I左端的带轮2。带轮2与花键套1用螺钉连接成一体，支承在法兰3内的两个深沟球轴承上。法兰3固定在主轴箱体4上，这样带轮2可通过花键1带动轴I旋转，皮带的拉力则经轴承和法兰3传至箱体4。轴I的

8、花键部分只传递转距，从而可避免因皮带拉力而使轴I产生弯曲变 形。这种带轮是卸荷的（既把径向载荷卸给箱体）。2、主轴组件 近年来，CA6140型卧式车床的主轴部件在结构上做了较大改进，由原来的三支承结构改为两支承结构；由前端轴向定位改为后端轴向定位。前轴承为D级精度的双列短圆柱滚子轴承，用于承受径向力。后轴承为一个推力球轴承和角接触球轴承，分别用于承受轴向力和径向力。 D3182121D46215D82152、主轴组件轴承的间隙调整 前轴承：松开支承右端的螺母(前端螺母)，拧动支承左端带锁紧螺钉的调整螺母，这时轴承内环相对于主轴锥面向右移动，轴承的内环很薄，且内孔也和主轴锥面一样，具有1:12的

9、锥度，因此，内环在轴向移动的同时作径向弹性膨胀，以调整轴承径向间隙，调整妥当后，拧紧前端螺母，然后稍微松动调整螺母，以免推力轴承过紧，最后，拧紧调整螺母的锁紧螺钉。主轴的径向跳动及轴向跳动允差都是0.01 mm。主轴的径向跳动影响加工表面的圆度或同轴度；轴向跳动影响加工端面的平面度及螺距精度。当主轴的跳动量超过允许值时，一般情况下，只需适当地调整前支承的间隙，就可使主轴跳动量调整到允许值内。如径向跳动仍达不到要求，应调整后轴承。D3182121D46215D82152、主轴组件螺钉1预先将锁紧盘2固定在主轴3上（不拧紧）双头螺栓5一端固定在卡盘（或卡盘座）4上，另一端预置螺母6该结构装卸卡盘方

10、便、工作可靠、定心精度高，且主轴前端的悬伸长度短，有利于提高主轴组件的刚度。3、开停与换向装置-摩擦片式离合器CA6140摩擦离合器1双联齿轮，2外片，3内片，4调整片，5键，6元宝销，7拉杆，8压套，9螺母，10、11止推片CA6140摩擦离合器CA6140摩擦离合器与制动器的联动CA6140摩擦离合器与制动器的联动2外片，3内片，5键，6元宝销，7拉杆，12滑套，13调节螺钉，14杠杆，15制动带，16制动轮，17扇齿轮，18手柄，19轴，20杆，21曲轴，22齿条，23拨叉CA6140摩擦离合器与制动器的联动主轴变速操纵机构动画CA6140主轴变速机构之一主轴变速机构之二CA6140进给

11、箱图进给箱2. 4 数控机床与加工中心2.4.1 数控机床是计算机通过数字化信息实现对机床自动控制的机电一体化产品。即CNC系统。它综合应用微电子技术、计算机自动控制、精密检测、伺服驱动、机械设计与制造技术等多方面的最新成果，是一种先进的机械加工设备。数控机床不仅能提高产品的质量，提高生产效率，降低生产成本，还能大大改善工人的劳动条件。1数控机床的特点（1）适应性广 适应性即柔性，指数控机床随生产对象而变化的适应能力。数控机床的加工对象改变时，只需重新编制相应的加工程序，输入计算机就可以自动地加工出新的工件。为解决多品种、中小批量零件的自动化加工提供了极好的生产方式。广泛的适应性是数控机床最突

12、出的优点。随着数控技术的迅速发展，数控机床的柔性也在不断地扩展，逐步向多工序集中方向发展。（2）加工精度高、质量稳定 数控机床是按数字指令脉冲自动工作的，这就消除了操作者人为的误差。目前数控装置的脉冲当量普遍达到了0.001mm，进给传动链的反向间隙与丝杠导程误差等均可由数控装置进行补偿，所以可获得较高的加工精度。尤其提高了同一批零件生产的一致性，使产品质量稳定。（3）生产率高 数控机床能有效地减少零件的加工切削时间和辅助时间。数控机床的功率和刚度高，可采用较大的切削用量；同时可以自动换刀、自动变换切削用量、快速进退、自动装夹工件等；能在一台数控机床上进行多个表面的、不同工艺方法的连续加工；可

13、自动控制工件的加工尺寸和精度，而不必经常停机检验。（4）减轻劳动强度、改善劳动条件 应用数控机床时，操作者只需编程序、调整机床、装卸工件等，而后就由数控系统来自动控制机床，免除了繁重的手工操作。机床一般是封闭式加工，清洁、安全。（5）实现复杂零件的加工 数控机床可以完成普通机床难以加工或根本不能加工的复杂曲面的零件加工、可以实现几乎是任意轨迹的运动和加工任何形状的空间曲面，因此特别适用于各种复杂形面的零件加工。（6）便于现代化的生产管理 用计算机管理生产是实现管理现代化的重要手段。数控机床采用数字信息与标准代码处理、传递信息，特别是在数控机床上使用计算机控制，为计算机辅助设计、辅助制造和计算机

14、管理一体化奠定了基础。 2. 数控机床的工作原理及组成数控机床加工零件时，首先按照加工零件图纸的要求，编制加工程序，即数控机床的工作指令。把这种信息记录在信息载体上（例如穿孔带、磁带或磁盘），输送给数控装置。数控装置对输入的信息进行处理之后，向机床各坐标的伺服系统发出数字信息，控制机床主运动的启停、变速，进给运动的方向、速度和位移，以及其它诸如换刀、工件装夹、冷却润滑等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格按数控程序规定的顺序，路线和参数，自动地加工出符合图样要求的工件。数控加工的过程是围绕信息的交换进行的。从零件图到加工出工件需经过信息的输入、信息的输出和对机床的控制等几个主要环节。所有这些工

15、作都由计算机进行合理的组织，使整个系统有条不紊地工作。数控机床的基本结构图2.52 数控机床基本结构框图数控机床的基本结构主要有控制介质、计算机数控装置、伺服驱动系统和机床机械部件组成。 1）控制介质 数控加工程序是数控机床自动加工零件的工作指令。在对零件进行工艺分析的基础上，应确定：零件坐标系，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的顺序；主运动的启停、换向、变速等；进给运动的速度、方向、位移量等工艺参数；辅助装置的动作。这些加工信息用标准的数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。编制数控程序可由人工进行，也可由计算机或数控装置完成。程序记录在控制介

16、质（如纸带、磁带或磁盘）上。2）计算机数控装置 数控装置是数控机床的中枢。它接受输入装置送来的控制介质上的信息，经数控系统进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令给伺服驱动系统和主运动控制部分，控制机床的各部分进行有序的动作。3）伺服驱动系统 伺服驱动系统是数控机床的执行部分，包括伺服驱动电动机、各种驱动元件和执行部件等。它的作用是根据来自数控装置的指令发出脉冲信号，控制执行部件的进给速度、方向和位移量，是执行部件按规定轨迹移动或精确定位，加工出符合图样要求的工件。每个作进给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。每个脉冲信号使机床执行部件的位移量叫脉冲当量，常用的脉冲当量有0.01、0

17、.005、0.001mm/脉冲。伺服系统的性能是决定数控加工精度的生产效率的主要因素之一。4）机床的机械部件 主要包括：主运动部件、进给运动（如工作台、刀架等）、支承部件（如床身、立柱等）及其它辅助装置（冷却、润滑、转位、夹紧、换刀等部件）。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。数控机床的机械部件的结构强度、刚度、精度和抗振性等方面的要求很高，且传动和变速系统要便于实现自动化控制。1脚踏开关 2对刀仪 3主轴卡盘 4主轴箱 5机床防护门 6压力表 7对刀仪防护罩8导轨防护罩 9对刀仪转臂 10操作面板 11回转刀架 12尾座 13滑板 14床身数控车床的外观图3

18、. 数控机床的分类1）按运动轨迹的方式 可分为点位控制、直线控制和轮廓控制三类。（1）点位控制系统只要求获得准确的加工坐标点位置，在移动过程中并不进行加工，所以运动轨迹不需要严格控制。例如数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床就采用点位控制系统。（2）直线控制系统除了要求位移起、终点的定位准确外，还要求控制两坐标点之间的位移轨迹是一条直线，并能实现平行于坐标轴的直线切削加工。例如，数控铣床铣削平面，数控车床车削台阶轴等。（3）轮廓控制系统能够对两个或两个以上坐标方向的运动同时进行连续控制并切削加工。例如在数控铣床上加工一个三维曲面。 2）按伺服系统的类型 可分为开环控制、闭环控制和半闭环控制。（1）

19、开环控制采用开环伺服系统，一般由步进电机、配速齿轮和丝杆螺母副等组成。伺服系统没有检测反馈装置，不能进行误差校正，故机床加工精度不高。但系统结构简单、维修方便、价格低，适用于经济型数控机床。2）按伺服系统的类型 可分为开环控制、闭环控制和半闭环控制。（2）闭环控制采用闭环伺服系统，通常由直流（或交流）伺服电机、配速齿轮、丝杆螺母副和位移检测装置等组成。安装在工作台上的位移检测装置将工作台的实际位移值反馈到数控装置中，与指令要求的位置进行比较，用差值进行控制，可保证达到很高的位移精度。但系统复杂，调整维修困难，一般用于高精度的数控机床上。2）按伺服系统的类型 可分为开环控制、闭环控制和半闭环控制

20、。（3）半闭环控制类似闭环控制，但位移检测装置安装在传动丝杆上。丝杆螺母传动机构及工作台不在控制环内，其误差无法校正，故精度不如闭环控制的。但系统结构简单，稳定性好，调试容易，因此应用比较广泛。具有自动换刀装置的数控机床通常称为加工中心，其主要特征是带有一个容量较大的刀库（一般有10120把刀具）和自动换刀机械手。工件在一次装夹后，数控系统能控制机床按不同要求自动选择和更换刀具，自动连续完成铣（车）、钻、镗、铰、锪、攻螺纹等多工种多工序的加工。适用于加工箱体、支架、盖板、壳体、模具、凸轮、叶片等复杂零件的多品种小批量加工。加工中心通常以主轴在加工时的空间位置分为卧式、立式和万能加工中心。2.4

21、.2 加工中心JCS-018A型立式加工中心的外观图1直流伺服电机 2换刀机械手 3数控柜 4盘式刀库 5主轴箱 6操作面板 7驱动电源柜 8工作台 9滑座 10床身JCS-018A型立式加工中心床身10上有滑座9，作前后运动（X轴）；工作台8在滑座上9做左右运动（Y轴）；主轴箱 5在立柱导轨上做上下运动（Z轴）。立柱左前部有刀库4（16把刀具）和换刀机械手2，左后部是数控柜3，内有数控系统。立柱右侧驱动电源柜7，有电源变压器、强电系统和伺服装置。操作面板6悬伸在机床右前方，以便操作。数控机床发展继镗铣加工中心之后，还有车削加工中心、钻削加工中心和复合加工中心等。车削加工中心用来加工轴类零件，

22、是数控车床在扩大工艺范围方面的发展。除了车削工艺外，还集中了铣键槽、铣扁、铣六角、铣螺旋槽、钻横向孔、端面分度钻孔、攻螺纹等工艺功能。钻削加工中心主要进行钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹等，也可进行小面积的端面铣削。复合加工中心的主轴头可绕45轴自动回转。主轴可转成水平，也可转成竖直。当主轴转为水平，配合转位工作台，可进行四个侧面和侧面上孔的加工；主轴转为竖直，可加工顶面和顶面上的孔，故也称为“五面加工复合加工中心”。现代加工中心配备越来越多的各种附件，以进一步增加加工中心的功能。例如，新型的加工中心可供选择的附件有：工件自动测量装置、尺寸调整装置、镗刀检验装置以及刀具破损监测装置等。为改善加工中心的

23、功能，出现了自动更换工作台、自动更换主轴头、自动更换主轴箱和自动更换刀库的加工中心等。自动更换工作台的加工中心一般有两个工作台，一个工作台上的工件在进行加工时，另一个工作台上可进行工件的装卸、调整等工作。自动更换主轴头的加工中心可以进行卧铣、立铣、磨削和转位铣削等加工，机床除了刀库外，还有主轴头库，由工业机器人或机械手进行更换。自动更换主轴箱的加工中心一般有粗加工和精加工主轴箱，以便提高加工精度和加工范围。自动更换刀库的加工中心，刀库容量大，便于进行多工序复杂箱体类零件的加工。各类主要机床的主参数和折算系数机床主参数名称主参数折算系数第二主参数卧式车床床身上最大回转直径1/10最大工件长度立式

24、车床最大车削直径1/100最大工件高度摇臂钻床最大钻孔直径1/1最大跨距卧式镗铣床镗轴直径1/10-坐标镗床工作台面宽度1/10工作台面长度外圆磨床最大磨削直径1/10最大磨削长度内圆磨床最大磨削孔径1/10最大磨削深度矩台平面磨床工作台面宽度1/10工作台面长度齿轮加工机床最大工件直径1/10最大模数龙门铣床工作台面宽度1/100工作台面长度升降台铣床工作台面宽度1/10工作台面长度龙门刨床最大刨削宽度1/100最大刨削长度插床及牛头刨床最大插削及刨削长度1/10-拉床额定拉力（t）1/1最大行程1、写出主传动路线的表达式；2、计算主轴的转速级数；3、计算主轴的最高转速nmax和最低转速nm

25、in 。分析C620-1型普通车床的传动机构：（主轴）反转右正转左电动机-5050505080205050802052204428363636362450)(39513456)(26013021VVff6432-1、主传动路线表达式（主轴）反转右正转左电动机-5050505080205050802052204428363636362450)(39513456)(26013021VVff6432-（2）主轴的转速级数 正转：23(22-1)+1=24级 反转：13(22-1)+1=12级 （3）主轴的转速运动平衡式为： 主轴最高转速为： n主1455130/260（1-0.02) 56/3436

26、/36 50/501175 r/min 主轴最低转速为： n主1455130/260 （1-0.02) 51/3920/52 20/80 20/80 32/64 11.2 r/min1、写出主传动路线的表达式；2、计算主轴的转速级数；3、计算主轴的最高转速nmax和最低转速nmin （不考虑带轮打滑系数）。分析如图所示机床的传动机构：主轴电动机-6024285642303636482456203838200140ff7025-1、主传动路线表达式 （2）主轴的转速级数 23 2=12级 （3）主轴的转速： 主轴最高转速为： n主1500140/20038/3836/36 56/2825/70= r/min 主轴最低转速为： n主1500140/200 20/5624/4824/6025/70 = r/min主轴电动机-6024285642303636482456203838200140ff7025-分析X6132型万能升降台铣床的传动机构：1、写出主传动路线的表