数控机床结构2

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德国国DEN480L型数数控车床床底座和和床身示示意图2.数控控机床应应有更小小的热变变形图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。主轴冷却风管对机床热源进行强制冷却1、减减少发发热2、控控制温温升:对机机床热热源进进行强强制冷冷却3、改改善机机床机机构:采用用热对对称结结构4、丝丝杠预预拉伸伸5、热热位移移补偿偿控制热热变形形的措措施热对称称结构构立柱柱3.传动灵灵敏：数控控机床床运动动件之之间的的摩擦擦要小小，要要消除除传动动系统统的间间隙，，达到到低速速时无无爬行行，高高速时时快速速响应应。4.数控机机床结结构要要人性性化一、主主传动动系统统作用用是将电电动机机的扭扭矩或或功率率传递递给主主轴部部件，，使安安装在在主轴轴内的的工件件或刀刀具实实现主切削削运动动。主轴：：指带带动刀刀具和和工件件旋转转，产产生切切削运运动且且消耗功功率最最大的运动动轴。。二、主传动动系统统组成成：主轴电电动机机、传传动系系统和和主轴轴部件件5.2主主传传动系系统三、对对主传传动系系统的的要求求1.足足够的的转速速范围围2.足足够的的功率率和扭扭矩3.各零零部件件应具具有足足够的的精度度、强度、、刚度度和抗抗振性性4.噪噪声低低、运运行平平稳四、主主轴的的驱动动方式式1.采采用变变速齿齿轮传传动这是大大中型型数控控机床床较常常采用用的配配置方方式，，通过过少数数几对对齿轮轮传动动，扩扩大变变速范范围。。滑移移齿轮轮的移移位大大都采采用液液压拨拨叉或或直接接由液液压缸缸带动动齿轮轮来实实现。。2.采采用同同步齿齿形带带传动动这种传传动主主要用用在转转速较较高、、变速速范围围不大大的机机床。。它适适用于于高速速低转转矩特特性的的主轴轴。3.用两两个电电动机机分别别驱动动主轴轴这是上上述两两种方方式的的混合合传动动，具具有上上述两两种性性能(见图图5-2c)。。高速速时，，由一一个电电动机机通过过带传传动；；低速速时，，由另另一个个电动动机通通过齿齿轮传传动，，齿轮轮起到到降速速和扩扩大变变速范范围的的作用用，这这样就就使恒恒功率率区增增大，，扩大大了变变速范范围，，避免免了低低速时时转矩矩不够够且电电动机机功率率不能能充分分利用用的问问题。。但两两个电电动机机不能能同时时工作作，也也是一一种浪浪费。。4.采采用主主轴电电机直直接驱驱动（（一体体化主主轴，，电主主轴））主轴与与电机机转子子合二二为一一，从从而使使主轴轴部件件结构构更加加紧凑凑，重重量轻轻，惯惯量小小，有有效地地提高高了主主轴部部件的的刚度度，提提高了了主轴轴启动动、停停止的的响应应特性性，目目前高高速加加工机机床主主轴多多采用用这种种方式式，这这种类类型的的主轴轴也称称为电电主轴轴。图5-2数控机床主传动的四种配置方式a)齿轮变速b)带传动c)两个电动机分别驱动d)内装电动机主轴传动结构图5-7内装电动机主轴车床用用电主主轴铣床用用电主主轴

氯丁橡胶同步带

聚氨酯同步带

圆弧齿工业同步带

双面齿同步带五．主主轴调调速方方法数控机机床常常用机机电结结合的的方法法，即即同时时采用用电动动机和和机械械齿轮轮变速速两种种方法法。其其中齿齿轮减减速以以增大大输出出扭矩矩，并并利用用齿轮轮换挡挡来扩扩大调调速范范围。。1、电电动机机调速速用于主主轴驱驱动的的调速速电动动机主主要有有直流流电动动机和和交流流电动动机两两大类类。（1））直流流电动动机主主轴调调速（2））交流流电动动机主主轴调调速2、机机械齿齿轮变变速数控机机床常常采用用1-4挡齿齿轮变变速与与无级级调速速相结结合的的方式式，即即所谓谓分段段无级级变速速。采采用机机械齿齿轮减减速，，增大大了输输出扭扭矩，，并利利用齿齿轮换换挡扩扩大了了调速速范围围。自动换换挡执执行机机构是是一种种电———机机转换换装置置，常常用的的有液液压拨拨叉和和电磁磁离合合器。。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、主主轴轴部件件主轴部部件是是机床床的一一个关关键部部件，，它包包括主轴的的支承承、安装装在主主轴上上的传动零零件等。对于数数控机机床尤尤其是是自动动换刀刀数控控机床床，为为了实实现刀刀具在在主轴轴上的的自动动装卸卸与夹夹持，，还必必须有有刀具具的自动夹夹紧装装置、、主轴轴准停停装置置和主主轴孔孔的清清理装装置等结构构。1、主主轴端端部的的结构构形状状主轴端端部用用于安安装刀刀具或或夹持持工件件的夹夹具，，在设设计要要求上上，应应能保保证定定位准准确、、安装装可靠靠、联联接牢牢固、、装卸卸方便便，并并能传传递足足够的的转矩矩。主主轴端端部的的结构构形状状都已已标准准化。。(a)车床床主轴轴端部部；(b)铣、、镗类类机床床主轴轴端部部；(c)外圆圆磨床床砂轮轮主轴轴端部部；(d)内圆圆磨床床砂轮轮主轴轴端部部；(e)普通通镗杆杆装在在钻床床主轴轴上的的端部部；(f)组合合机床床主轴轴端部部2、主主轴部部件的的支承承机床主主轴带带着刀刀具或或夹具具在支支承中中作回回转运运动，，应能能传递递切削削转矩矩承受受切削削抗力力，并并保证证必要要的旋旋转精精度。。机床床主轴轴多采采用滚动轴轴承作为支支承，，对于于精度度要求求高的的主轴轴则采采用动压或或静压压滑动动轴承承作为支支承。。下面面着重重介绍绍主轴轴部件件所用用的滚滚动轴轴承。。主轴滚滚动轴轴承的的配置置前支承承采用用双列列短圆圆柱滚滚子轴轴承和和60°角角接触触双列列向心心推力力球轴轴承，，后支支承采采用成成对向向心推推力球球轴承承。能能使主主轴获获得较较大的的径向向和轴轴向刚刚度，，可以以满足足机床床强力力切削削的要要求，，普遍遍应用用于各各类数数控机机床的的主轴轴，如如数控控车床床、数数控铣铣床、、加工工中心心等。。这种种配置置的后后支承承也可可用圆圆柱滚滚子轴轴承，，进一一步提提高后后支承承径向向刚度度。图5-14数控机床主轴轴承配置形式如图5-14b所示示的配配置前前支承承采用用多个个高精精度向向心推推力球球轴承承，后后支承承采用用球轴轴承，，没有有如图图5-14a所所示的的主轴轴刚度度大，，但这这种配配置提提高了了主轴轴的转转速，，适合合主轴轴要求求在较较高转转速下下工作作的数数控机机床。。目前，，这种种配置置形式式在立立式、、卧式式加工工中心心机床床上得得到广广泛应应用，，满足足了这这类机机床转转速范范围大大、最最高转转速高高的要要求。。为提提高这这种形形式配配置的的主轴轴刚度度，前前支承承可以以用四四个或或更多多个的的轴承承相组组配，，后支支承用用两个个轴承承相组组配。。如图5-14c所示示的配配置形形式，，前支支承采采用双双列圆圆锥滚滚子轴轴承，，后支支承为为单列列圆锥锥滚子子轴承承。能能使主主轴承承受较较重载载荷(尤其其是承承受较较强的的动载载荷)，径径向和和轴向向刚度度高，，安装装和调调整性性好。。但这这种配配置相相对限限制了了主轴轴最高高转速速和精精度，，适用用于中中等精精度、、低速速与重重载的的数控控机床床主轴轴。3、主主轴的的材料料和热热处理理主轴材材料可可根据据强度度、刚刚度、、耐磨磨性、、载荷荷特点点和热热处理理变形形大小小等因因素来来选择择。主主轴刚刚度与与材质质的弹弹性模模量E有关关。无无论是是普通通钢还还是合合金钢钢其E值基基本相相同。。因此此，对对于一一般要要求的的机床床其主主轴可可用价价格便便宜的的中碳碳钢、、45钢，，进行行调质质处理理后硬硬度为为22～28HRC；当当载荷荷较大大或存存在较较大的的冲击击时，，或者者精密密机床床的主主轴为为减少少热处处理后后的变变形，，或者者需要要作轴轴向移移动的的主轴轴为了了减少少它的的磨损损时，，则可可选用用合金金钢。。常用用的合合金钢钢有：：40Cr进行行淬硬硬硬度度达到到40～50HRC，或或者用用20Cr进行行渗碳碳淬硬硬使硬硬度达达到56～～62HRC。。某些些高精精度机机床的的主轴轴材料料则选选用38CrMoAl进进行氮氮化处处理，，使硬硬度达达到850～1000HV。。图5-19加加工中心心主轴组件图5-18数控车床主轴组件七、主轴准停停主轴准停功能能又称主轴定定向功能(SpindleSpecifiedPositionStop)，其作用用是使主轴每每次都准确地地停在固定不不变的周向位位置上，以保保证自动换刀刀时主轴上的的端面键能对对准刀柄上的的键槽，同时时使每次装刀刀时刀柄与主主轴的相对位位置不变，提提高刀具的重重复安装精度度，从而可提提高加工的一一致性。另外，一些特特殊工艺要求求，如在通过过前壁小孔镗镗内壁的同轴轴大孔，或进进行反倒角等等加工时，也也要求