数控铣床概述

本章要点概述数控铣床的结构及总体布局第3章数控铣床数控铣床的传动及其结构特点数控铣床的辅助装置3.1

概述Anoverview数控机床结构及应用第3章

数控铣床CNCmillingmachine3.1.1数控铣床的主要功能数控铣床除了缺少自动换刀功能和刀库外，其它方面均与加工中心相似，也可以对工件进行钻、扩、铰、锪、镗以及攻螺纹等，但它主要还是用来进行型面的铣削加工。其主要加工对象有以下几种：平面类零件：加工面平行或垂直于水平面，或加工面与水平面的夹角为定角的零件称为平面类零件，其特点是各个加工面是平面或可以展开成平面。平面类零件是最简单的一类零件，一般只需两坐标联动的三坐标数控铣床就可以加工出来。轮廓面M凸台侧面N斜面P3.1.1数控铣床的主要功能曲面类零件：加工面为空间曲面的零件，如叶片、螺旋桨等。曲面加工可在三轴、四轴或五轴数控机床上完成，其中三轴曲面加工最为常见。三轴曲面加工通常采用“行切法”完成。

三轴曲面行切加工

四轴或五轴曲面加工

3.1.1数控铣床的主要功能变斜角类零件：加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件。其特点是：加工面不能展开为平面，但在加工中，加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条直线。加工这类零件最好采用四坐标或五坐标数控铣床摆角加工。3.1.2数控铣床的分类中型大型卧式立卧两用式两轴半控制三轴控制多轴控制小型立式按体积分按主轴布局形式分按控制坐标的联动轴数分经济型全功能型高速铣削型按数控系统的功能分3.1.2数控铣床的分类1.按主轴的位置分类(1)立式数控铣床

立式数控铣床一般可进行3坐标联动加工，目前3坐标数控立式铣床占大多数。此外，还有的机床主轴可以绕X、Y、Z坐标轴中其中一个或两个作数控回转运动的4坐标和5坐标数控立式铣床。数控立式铣床也可以附加数控转盘、采用自动交换台、增加靠模装置等来扩大它的功能、加工范围及加工对象，进一步提高生产效率。3.1.2数控铣床的分类(2)卧式数控铣床

卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现四、五坐标加工。这样不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来，而且可以实现在一次安装中，通过转盘改变工位，进行“四面加工”。3.1.2数控铣床的分类(3)立、卧两用数控铣床这类铣床的主轴方向可以进行立、卧变换，能实现在一台机床上既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，使其应用范围更广，功能更全，选择加工对象的余地更大，给用户带来了很大的方便。3.1.2数控铣床的分类2.按数控铣床构造分类

1)工作台升降式数控铣床2）主轴头升降式数控铣床3）龙门式数控铣床

3.1.3数控铣床床的结构构特点1.高刚度和和高抗振振性提高数控控铣床结结构刚度度的措施施：1)提高铣床床构件的的静刚度度和固有有频率2)改善数控控铣床结结构的阻阻尼特性性3)采用新材材料和钢钢板焊接接结构2.减少铣床床热变形形的影响响常用措施施有以下下几种。。1)改进铣床床布局和和结构2)控制温度度3)对切削部部位采取取强冷措措施4)热位移补补偿3.传动系统统机械结结构简化化4.高传动效效率和无无间隙传传动装置置5.低摩擦系系数的导导轨数控机床床结构及及应用3.2

数控铣床的结构及总体布局ThestructureoftheCNCmillingmachineandgenerallayout第3章数控铣床床CNCmillingmachine3.2数控铣床床的结构构及总体体布局确定铣床床的总体体布局时时,需要考虑虑多方面面的问题题：一方方面是要要从铣床床的加工工原理即即铣床各部部件的相相对运动动关系，结合考考虑工件件的形状状、尺寸寸和重量量等因素素，来确确定各主主要部件件之间的的相对位位置关系系和配置置。另一一方面还还要全面面考虑铣床的外外部因素素，例如外外观形状状、操作作维修、、生产管管理和人人机关系系等问题题对铣床床总布局局的要求求。多数的数控控铣床的的总体布布局与和和它类似似的普通通铣床的的总布局局是基本本相同或或相似的的，只是是随着生生产要求求与科学学技术的的发展，，还会不不断有所所改进。。数控铣铣床的总总体布局局是铣床设计计中带有有全局性性的问题题，它的好好坏对铣铣床的制制造和使使用都有有很大的的影响。。3.2.1总布局与与工件的的关系铣削进给给运动可可由工件件运动，，也可以以由刀具具运动来来完成，，或者部部分由工工件运动动，部分分由刀具具运动来来完成，，这样就就影响到到了部件件的配置置和总体体关系。。这都取取决于被被加工工工件的尺寸、形状和重量，根据工工件的重重量和尺尺寸的不不同，可可有四种种布局：：（1）加工件件较轻的的升降台台铣床，，由工件件完成三三个方向向的进给给运动，，分别由由工作台台、滑鞍鞍和升降降台来实实现。（2）当加工工件较重重或者尺尺寸较高高时，应应由铣头头带着刀刀具来完完成垂直直进给运运动。（3）龙门式式数控铣铣床，工工作台载载着工件件作一个个方向的的进给运运动，其其他两个个方向的的进给运运动由多多个刀架架即铣头头部件在在立柱与与横梁上上移动来来完成。。这样的的布局适适用于重重量大的的工件。。（4）加工更更大更重重的工件件时，全全部进给给运动均均由铣头头运动来来完成，，这种布布局形式式可以减减小铣床床的结构构尺寸和和重量。。3.2.2运动分配配与部件件的布局局数控铣床床的运动动数目，，尤其是是进给运运动数目目的多少少，直接接与表面面成形运运动和铣铣床的加加工功能能有关。。运动的的分配与与部件的的布局是是铣床总总布局的的中心问问题。3.2.2运动分配配与部件件的布局局以数控镗镗铣床为为例，一一般都有有四个进进给运动动的部件件，要根根据加工工的需要要来配置置这四个个进给运运动部件件。如果果需要对对工件的的顶面进进行加工工，则铣铣床主轴轴应布局局成立式式的。在在三个直直线进给给坐标之之外，再再在工作作台上加加一个既既可立式式也可卧卧式安装装的数控控转台或或分度工工作台作作为附件件。如果果需要对对工件的的多个侧侧面进行行加工，，则主轴轴应布局局成卧式式的，同同样是在在三个直直线进给给坐标之之外再加加一个数数控转台台，以便便在一次次装夹时时集中完完成多面面的铣、、镗、钻钻、铰、、攻螺纹纹等多工工序加工工。3.2.2运动分配配与部件件的布局局对五轴联联动的数数控铣床床，由于于进给运运动数目目较多，，且加工工工件的的形状、、大小、、重量和和工艺要要求差异异也很大大。因此此这类数数控铣床床很难有有某种固固定的布布局模式式。在布布局时可可以遵循的原原则是：获得得较好的的加工精精度、表表面粗糙糙度和较较高的生生产率；；转动坐坐标的摆摆动中心心到刀具具端面的的距离不不要过大大，这样样可使坐坐标轴摆摆动引起起的刀具具切削点点直角坐坐标的改改变量小小，最好好是能布布局成摆摆动时只只改变刀刀具轴线线向量的的方位，，而不改改变切削削点的坐坐标位置置；工件件的尺寸寸与重量量较大时时，摆角角进给运运动由装装有刀具具的部件件来完成成，其目目的是要要使摆动动坐标部部件的结结构尺寸寸较小，，重量较较轻；两两个摆角角坐标的的合成矢矢量应能能在半个个空间范范围的任任意方位位变动；；同样，，布局方方案应保保证铣床床各部件件或总体体上有较较好的结结构刚度度、抗振振性和热热稳定性性；由于于摆动坐坐标带着着工件或或刀具摆摆动的结结果，将将使加工工工件的的尺寸范范围有所所减少，，这一点点也是在在总布局局时需要要考虑的的问题。。3.2.3总布局与与铣床的的结构性性能数控铣床床的总体体布局应应能同时时保证铣铣床具有有良好的的精度、刚刚度、抗抗振性和和热稳定定性等结构性性能。数数控铣床床的运动动要求虽虽然与加加工功能能相同，，但是结结构的总总体布局局却各不不相同，，因而其其结构性性能是有有差异的的。3.2.3总布局与与铣床的的结构性性能立柱带着着主轴箱箱作Z向进给运运动的方方案其优优点是能能使数控控转台、、工作台台和床身身为三层层结构。。但是当当铣床的的尺寸规规格较大大，立柱柱较高较较重，再再加上主主轴箱部部件，将将使Z轴进给的的驱动功功率增大大，而且且立柱过过高时，，部件移移动的稳稳定性将将变差。。综上所述述，在加加工功能能与运动动要求相相同的条条件下，，数控铣铣床的总总布局方方案是多多种多样样的，以以铣床的的刚度、、抗振性性和热稳稳定性等等结构性性能作为为评价指指标，可可以判别别出布局局方案的的优劣。。3.2.4铣床的使使用要求求与总布布局在考虑数数控铣床床总体布布局时，，除遵循循铣床布布局的一一般原则则外，还还应该考考虑在使使用方面面的特定定要求：：(1)便于同时时操作和和观察数数控铣床床的操作作按钮和和开关都都放在数数控装置置上。(2)数控铣床床刀具和和工件的的装卸及及夹紧松松开，均均由操作作者来完完成，要要求易于于接近装装卸区域域，而且且装夹机机构要省省力简便便。(3)数控铣床床效率高高，切屑屑多，铣铣床结构构布局要要便于排排屑。数控铣床床一般都都采用大大流量与与高压力力的冷却却和排屑屑措施；；铣床的的运动部部件也采采用自动动润滑装装置，为为了防止止切屑与与切削液液飞溅，，避免润润滑油外外泄，将将铣床做做成全封封闭结构构，只在在工作区区处留有有可以自自动开闭闭的门窗窗，用于于观察和和装卸工工件。数控机床床结构及及应用3.3

数控铣床的传动及其结构特点ThetransmissionandthestructureoftheCNCmillingmachine第3章数控铣床床CNCmillingmachine3.3.1数控铣床床的主传传动系统统1.主传动系系统结构构特点数控铣床床的主传传动系统统一般采采用交直直流主轴轴电动机机，通过过带传动动和主轴轴箱的变变速齿轮轮带动主主轴旋转转。由于于这种电电动机调调速范围围广，又又可无级级调速，，使得主主轴箱的的结构大大为简化化。主轴轴电动机机在额定定转速时时输出全全部功率率和最大大转矩，，在调压压范围内内为恒转转矩，功功率随转转速成正正比例下下降。在在调速范范围内为为恒功率率，转矩矩随转速速升高成成正比例例减小。。这种变变化规律律是符合合正常加加工要求求的，即即低速切切削所需需转矩大大，高速速切削消消耗功率率大。同同时也可可以看出出电动机机的有效效转速范范围并不不一定能能完全满满足主轴轴的工作作需要。。主轴箱箱一般仍仍需要设设置2-4档。3.3.1数控铣床床的主传传动系统统2.主传动系系统的分分类目前主传传动系统统大致可可以分为三类类。1)二级以上上变速的的主传动动系统多多采采用齿轮轮变速结结构。2)一级变速速器的主主传动系系统多多采采用同步步齿形带带。3)调速电动动机直接接驱动的的主传动动系统其其优优点是结结构紧凑凑，占用用空间少少，转换换频率高高。但是是主轴转转速的变变化及转转矩的输输出和电电动机的的输出特特性完全全一致。。3.3.1数控铣床床的主传传动系统统3.主轴部件件结构1)对数控铣铣床主轴轴部件的的要求数数控控铣床的的主轴部部件是铣铣床重要要组成部部分之一一。除了了与普通通铣床一一样要求求其具有有良好的的旋转精精度、、静刚刚度、、抗振振性、、热稳稳定性性及耐耐磨性性外，由由于数数控铣铣床在在加工工过程程中不不进行行人工工调整整，且且数控控铣床床要求求的转转速更更高，，功率率更大大，所所以数数控铣铣床的的主轴轴部件件在上上述几几方面面要求求更高高、更更严格格，2)主轴轴轴承常常用配配置形形式(1)采用双双列圆圆柱滚滚子轴轴承和和60°°角接触触球轴轴承组组合；；(2)前轴承承采用用高精精度调调心球球轴承承；(3)双列和和单列列圆锥锥滚子子轴承承作为为主轴轴前后后支承承。3.3.2数控铣铣床的的进给给传动动系统统1.对进给给系统统的性性能要要求进给系系统将将伺服服电动动机旋旋转运运动变变为工工作台台直线线运动动，主主要包包括减减速装装置、、丝杠杠螺母母副及及导向向元件件。数控铣铣床通通常对进给给系统统的要要求有三点点：传动精精度、、系统统的稳稳定性性和动动态响响应特特性(灵敏度度)。传动动精度度包括括动态态误差差、稳稳态误误差和和静态态误差差。系系统的的稳定定性指指系统统在启启动状状态或或受外外界干干扰作作用下下，经经过几几次衰衰减振振荡后后迅速速地稳稳定在在新的的或原原来的的平衡衡状态态的能能力。。动态态响应应特性性指系系统的的响应应时间间以及及驱动动装置置的加加速能能力。。这要要求驱驱动装装置机机械结结构必必须消消除间间隙，，减少少摩擦擦，减减少运运动惯惯量，，提高高精度度和刚刚度。。3.3.2数控铣床的进进给传动系统统2.滚珠丝杠螺母母副滚珠丝杠螺母母副是回转运动与直直线运动相互互转换的传动装置。。它的结构特特点是在具有有螺旋槽的丝丝杠螺母间装装有滚珠作为为中间传动元元件，以减少少摩擦。当丝丝杠与螺母相相对运动时。。滚珠沿螺旋旋槽向前滚动动，在丝杠上滚过数数圈以后通过过回程引导装置，逐逐个地又滚回回到丝杠和螺母之间间。构成一个个闭合的回路管道。。3.3.2数控铣床的进进给传动系统统滚珠丝杠螺母副优点1)传动效率高，，摩擦损失小小。2)运动平稳无爬爬行。3)传动精度高，，反向时无空空程。4)磨损小，精度度保持性好，，使用寿命长长。5)具有运动的可可逆性。3.3.2数控铣床的进进给传动系统统丝杠（螺母））旋转，滚珠珠在封闭滚道道内沿滚道滚滚动、迫使螺螺母（丝杠））轴向移动，，从而实现将将旋转运动变变换成直线运运动。(1)滚珠丝杠螺母母副的原理3.3.2数控铣床的进进给传动系统统滚珠循环方式式常用的有两两种：外循环：滚珠在循环过过程中有时与与丝杠脱离接接触3.3.2数控铣床的进进给传动系统统内循环：始终与丝杠保保持接触。内循环结构：：反向器尺寸寸较长，承载载钢球数减少少，且钢球高高速时流畅性性差；而外循循环插管式结结构简单，承承载能力大，，不受导程限限制。3.3.2数控铣床的进进给传动系统统(2)双螺母丝杠消消除间隙方法法：1)垫片调隙式。。调整垫片厚度度使左右两螺螺母产生方向向相反位移，，使两个螺母母中的滚珠分分别贴紧在螺螺旋滚道的两两个相反的侧侧面上，即可可消除间隙和和产生预紧力力。这种方法法结构简单，，刚性好，但但调整不便，，滚道有磨损损时不能随时时消除间隙和和进行预紧。。2)螺纹调隙式。。这种调整方法法具有结构简简单、工作可可靠、调整方方便的优点，，但调整预紧紧量不能控制制。3)齿差调隙式。。在左右两个螺螺母的凸缘上上各加工有圆圆锥齿轮，分分别与左右内内齿圈相啮合合，内齿圈相相啮合紧固在在螺母座左右右端面上，故故左右螺母不不能转动。两两螺母凸缘齿齿轮的齿数不不相等，相差差一个齿。调调整时，先取取下内齿圈，，让两个螺母母相对于螺母母座同方向都都转动一个齿齿，然后再插插入内齿圈并并紧固花螺母母座上，则两两个螺母便产产生相对角位位移，使两螺螺母轴向间距距改变，实现现消除间隙和和预紧。3.3.2数控控铣铣床床的的进进给给传传动动系系统统(2)单螺螺母丝丝杠杠消消除除间间隙隙方方法法：4）单单螺螺母母变变位位螺螺距距预预紧紧5）单单螺螺母母螺螺钉钉预预紧紧螺母母在在专专业业生生产产工工厂厂完完成成精精磨磨之之后后，，沿沿径径向向开开一一薄薄槽槽，，通通过过内内六六角角调调整整螺螺钉钉实实现现间间隙隙的的调调整整和和预预紧紧。。间间隙隙的的调调整整和和预预紧紧极极为为方方便便。。3.3.2数控控铣铣床床的的进进给给传传动动系系统统(3)滚珠珠丝丝杠杠副副的的参参数数及及选选择择3.3.2数控控铣铣床床的的进进给给传传动动系系统统1)公称称直直径径滚珠珠与与螺螺纹纹滚滚道道在在理理论论接接触触角角状状态态时时包包络络滚滚珠珠球球心心的的圆圆柱柱直直径径，，它它是是滚滚珠珠丝丝杠杠副副的的特特性性尺尺寸寸。。2)基本导程丝杠相对于于螺母旋转转弧度时，，螺母上的的基准点的的轴向位移移。3)接触角滚珠与滚道道在接触点点处的公法法线与螺纹纹轴线的垂垂直线间的的夹角，理理想接触角角＝45°。滚珠丝杠各各工作圈的的滚珠所受受的轴向负负载不相等等，第一圈圈滚珠承受受总负载的的50％左右，第第二圈约承承受30％，第三圈圈约为20％。因此，，外循环滚滚珠丝杠副副中的滚珠珠工作圈数数取为=2.5～3.5圈，工作圈圈数大于3.5无实际意义义。为提高高滚珠的流流畅性，滚滚珠数目应应小于150个，且不得得超过3.5圈。3.3.2数控铣床的的进给传动动系统(4)滚珠丝杠副副的标记方方法3.3.2数控铣床的的进给传动动系统(5)滚珠丝杠副副的安装支支承方式数控铣床的的进给系统统要获得较较高的传动动刚度，除除了加强滚滚珠丝杠副副本身的刚刚度外，滚滚珠丝杠的的正确安装装及支承结结构的刚度度也是不可可忽视的因因素。如为为减少受力力后的变形形，螺母座座应有加强强肋，增大大螺母座与与铣床的接接触面积，，并且要连连接可靠。。采用高刚刚度的推力力轴承以提提高滚珠丝丝杠的轴向向承载能力力。3.3.2数控铣床的的进给传动动系统(6)滚珠丝杠的的防护润滑剂来可可提高滚珠珠丝杠副的的耐磨性及及传动效率率，可分为为润滑油和和润滑脂两两类。润滑滑脂一般加加在螺纹滚滚道和安装装螺母的壳壳体空间内内，润滑油油经过壳体体上的油孔孔注入螺母母的空间内内。滚珠丝杠副副应避免灰灰尘或切屑屑污物进入入。如果滚滚珠丝杠副副在铣床上上外露，应应采取封闭闭的防护罩罩。安装时时将防护罩罩的一端连连接在滚珠珠螺母的端端面，另一一端固定在在滚珠丝杠杠的支承座座上。如果果处于隐蔽蔽的位置，，则可采用用密封圈防防护。密封封圈装在滚滚珠螺母的的两端。接接触式的弹弹性密封圈圈用耐油橡橡胶或尼龙龙制成，其其内孔做成成与丝杠螺螺纹滚道相相配合的形形状。接触触式密封圈圈的防尘效效果好，但但因有接触触压力，使使摩擦力矩矩略有增加加。非接触触式的密封封圈又称迷迷宫式密封封圈，是用用硬质塑料料制成，其其内孔与丝丝杠螺纹滚滚道的形状状相反，并并稍有间隙隙，这样可可避免摩擦擦力矩，但但防尘效果果差。3.3.2数控铣床床的进给给传动系系统3.进给系统统传动齿齿轮间隙隙的消除除数控铣床床在加工工过程中中，经常常变换移移动方向向。当铣铣床的进进给方向向改变时时，由于于齿侧存存在间隙隙会造成成指令脉脉冲丢失失，并产产生反向向死区从从而影响响加工精精度，因因此必须须采取措措施消除除齿轮传传动中的的间隙。。(1)存在间隙隙的危害害：1.在开环系系统中会会造成进进给运动动的位移移值滞后后于指令令值；反反向时，，会出现现反向死死区，影影响加工工精度。。2.在闭环系系统中，，由于有有反馈作作用，滞滞后量可可得到补补偿，但但反向时时会使伺伺服系统统产生振振荡而不不稳定。。3.3.2数控铣床床的进给给传动系系统（1）直齿圆圆柱齿轮轮传动图3-22是最简单单的偏心轴套套式消除除间隙结构。电电动机2通过偏心心套1安装在壳壳体上。。转动偏偏心套使使电动机机中心轴轴线的位位置向上上，而从从动齿轮轮轴线位位置固定定不变，，所以两两啮合齿齿轮的中中心距减小，从从而消除除了齿侧侧间隙。。3.3.2数控铣床床的进给给传动系系统（1）直齿圆圆柱齿轮轮传动图3-23是用轴向垫垫片来消消除间隙隙的结构。。两个啮啮合着的的齿轮1和2的节圆直直径沿齿齿宽方向向制成略略带锥度度形式，，使其齿齿厚沿轴轴线方向向逐渐变变厚。装装配时，，两齿轮轮按齿厚厚相反变变化走向向啮合。。改变调调整垫片片3的厚度，，使两齿齿轮沿轴轴线方向向产生相相对位移移，从而而消除间间隙。3.3.2数控铣床床的进给给传动系系统（2）斜齿圆圆柱齿轮轮传动图3-25为斜齿轮轮垫片调调整法，，其原理理与错齿齿调整法法相同。。斜齿轮轮1和2的齿形拼拼装在一一起加工工，装配配时在两两薄片齿齿轮间装装入已知知厚度为为t的垫片3，这样它它的螺旋旋线便错错开了，，使两薄薄片齿轮轮分别与与宽齿轮轮4的左、右右齿面贴贴紧，消消除了间间隙。垫垫片3的厚度t与齿侧间间隙的的关系可可用下式式表示：t=△cotββt式中β—螺旋角。。3.3.2数控铣床床的进给给传动系系统（3）锥齿轮轮传动锥齿轮同同圆柱齿齿轮一样样可用上上述类似似的方法法来消除除齿侧间间隙。图图3-27为轴向压压簧调整整法。两两个啮合合的锥齿齿轮1和2，其中中在装装锥齿齿轮1的传动动轴5上装有有压簧簧3，锥齿齿轮在在弹簧簧力的的作用用下可可稍做做轴向移动，，从而而消除除间隙隙。弹弹簧力力的大大小由螺螺母4调节。。3.3.2数控铣铣床的的进给给传动动系统统（4）预加加负载载双齿齿轮-齿条传传动在大型型数控控铣床床（如如大型型数控控龙门门铣床床）中中，工工作台台的行行程很很长，，因此此，它它的进进给运运动不不宜采采用滚滚珠丝丝杠副副传动动。一一般的的齿轮轮齿条条结构构是铣铣床上上常用用的直直线运运动机机构之之一，，它的的效率率高，，结构构简单单，从从动件件易于于获得得高的的移动动速度度和长长行程程。适适合在在工作作台行行程长长的大大型铣铣床上上用作作直线线运动动机构构。但但一般般齿轮轮齿条条传动动机构构的