数控机床结构及应用第3章

MMTCNC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MMTCNC3.1概述Anoverview数控机床结构及应用第3章数控铣床CNCmillingmachineMMTCNC3.1.1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：1.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PMMTCNC3.1.1数控铣床的主要功能2.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MMTCNC3.1.1数控铣床的主要功能3.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。MMTCNC3.1.2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MMTCNC3.1.2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。MMTCNC3.1.2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”。MMTCNC3.1.2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。MMTCNC3.1.2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MMTCNC3.1.3数控铣床的结构特点1.高刚度和高抗振性提高数控铣床结构刚度的措施：1)提高铣床构件的静刚度和固有频率2)改善数控铣床结构的阻尼特性3)采用新材料和钢板焊接结构2.减少铣床热变形的影响常用措施有以下几种。1)改进铣床布局和结构2)控制温度3)对切削部位采取强冷措施4)热位移补偿3.传动系统机械结构简化4.高传动效率和无间隙传动装置5.低摩擦系数的导轨MMTCNC数控机床结构及应用3.2数控铣床的结构及总体布局ThestructureoftheCNCmillingmachineandgenerallayout第3章数控铣床CNCmillingmachineMMTCNC3.2数控铣床的结构及总体布局确定铣床的总体布局时,需要考虑多方面的问题：一方面是要从铣床的加工原理即铣床各部件的相对运动关系，结合考虑工件的形状、尺寸和重量等因素，来确定各主要部件之间的相对位置关系和配置。另一方面还要全面考虑铣床的外部因素，例如外观形状、操作维修、生产管理和人机关系等问题对铣床总布局的要求。多数的数控铣床的总体布局与和它类似的普通铣床的总布局是基本相同或相似的，只是随着生产要求与科学技术的发展，还会不断有所改进。数控铣床的总体布局是铣床设计中带有全局性的问题，它的好坏对铣床的制造和使用都有很大的影响。MMTCNC3.2.1总布局与工件的关系铣削进给运动可由工件运动，也可以由刀具运动来完成，或者部分由工件运动，部分由刀具运动来完成，这样就影响到了部件的配置和总体关系。这都取决于被加工工件的尺寸、形状和重量，根据工件的重量和尺寸的不同，可有四种布局：（1）加工件较轻的升降台铣床，由工件完成三个方向的进给运动，分别由工作台、滑鞍和升降台来实现。（2）当加工件较重或者尺寸较高时，应由铣头带着刀具来完成垂直进给运动。（3）龙门式数控铣床，工作台载着工件作一个方向的进给运动，其他两个方向的进给运动由多个刀架即铣头部件在立柱与横梁上移动来完成。这样的布局适用于重量大的工件。（4）加工更大更重的工件时，全部进给运动均由铣头运动来完成，这种布局形式可以减小铣床的结构尺寸和重量。MMTCNC3.2.2运动分配与部件的布局数控铣床的运动数目，尤其是进给运动数目的多少，直接与表面成形运动和铣床的加工功能有关。运动的分配与部件的布局是铣床总布局的中心问题。MMTCNC3.2.2运动分配与部件的布局以数控镗铣床为例，一般都有四个进给运动的部件，要根据加工的需要来配置这四个进给运动部件。如果需要对工件的顶面进行加工，则铣床主轴应布局成立式的。在三个直线进给坐标之外，再在工作台上加一个既可立式也可卧式安装的数控转台或分度工作台作为附件。如果需要对工件的多个侧面进行加工，则主轴应布局成卧式的，同样是在三个直线进给坐标之外再加一个数控转台，以便在一次装夹时集中完成多面的铣、镗、钻、铰、攻螺纹等多工序加工。MMTCNC3.2.2运动分配与部件的布局对五轴联动的数控铣床，由于进给运动数目较多，且加工工件的形状、大小、重量和工艺要求差异也很大。因此这类数控铣床很难有某种固定的布局模式。在布局时可以遵循的原则是：获得较好的加工精度、表面粗糙度和较高的生产率；转动坐标的摆动中心到刀具端面的距离不要过大，这样可使坐标轴摆动引起的刀具切削点直角坐标的改变量小，最好是能布局成摆动时只改变刀具轴线向量的方位，而不改变切削点的坐标位置；工件的尺寸与重量较大时，摆角进给运动由装有刀具的部件来完成，其目的是要使摆动坐标部件的结构尺寸较小，重量较轻；两个摆角坐标的合成矢量应能在半个空间范围的任意方位变动；同样，布局方案应保证铣床各部件或总体上有较好的结构刚度、抗振性和热稳定性；由于摆动坐标带着工件或刀具摆动的结果，将使加工工件的尺寸范围有所减少，这一点也是在总布局时需要考虑的问题。MMTCNC3.2.3总布局与铣床的结构性能数控铣床的总体布局应能同时保证铣床具有良好的精度、刚度、抗振性和热稳定性等结构性能。数控铣床的运动要求虽然与加工功能相同，但是结构的总体布局却各不相同，因而其结构性能是有差异的。MMTCNC3.2.3总布局与铣床的结构性能立柱带着主轴箱作Z向进给运动的方案其优点是能使数控转台、工作台和床身为三层结构。但是当铣床的尺寸规格较大，立柱较高较重，再加上主轴箱部件，将使Z轴进给的驱动功率增大，而且立柱过高时，部件移动的稳定性将变差。综上所述，在加工功能与运动要求相同的条件下，数控铣床的总布局方案是多种多样的，以铣床的刚度、抗振性和热稳定性等结构性能作为评价指标，可以判别出布局方案的优劣。MMTCNC3.2.4铣床的使用要求与总布局在考虑数控铣床总体布局时，除遵循铣床布局的一般原则外，还应该考虑在使用方面的特定要求：(1)便于同时操作和观察数控铣床的操作按钮和开关都放在数控装置上。(2)数控铣床刀具和工件的装卸及夹紧松开，均由操作者来完成，要求易于接近装卸区域，而且装夹机构要省力简便。(3)数控铣床效率高，切屑多，铣床结构布局要便于排屑。数控铣床一般都采用大流量与高压力的冷却和排屑措施；铣床的运动部件也采用自动润滑装置，为了防止切屑与切削液飞溅，避免润滑油外泄，将铣床做成全封闭结构，只在工作区处留有可以自动开闭的门窗，用于观察和装卸工件。MMTCNC数控机床结构及应用3.3数控铣床的传动及其结构特点ThetransmissionandthestructureoftheCNCmillingmachine第3章数控铣床CNCmillingmachineMMTCNC3.3.1数控铣床的主传动系统1.主传动系统结构特点数控铣床的主传动系统一般采用交直流主轴电动机，通过带传动和主轴箱的变速齿轮带动主轴旋转。由于这种电动机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。主轴电动机在额定转速时输出全部功率和最大转矩，在调压范围内为恒转矩，功率随转速成正比例下降。在调速范围内为恒功率，转矩随转速升高成正比例减小。这种变化规律是符合正常加工要求的，即低速切削所需转矩大，高速切削消耗功率大。同时也可以看出电动机的有效转速范围并不一定能完全满足主轴的工作需要。主轴箱一般仍需要设置2-4档。MMTCNC3.3.1数控铣床的主传动系统2.主传动系统的分类目前主传动系统大致可以分为三类。1)二级以上变速的主传动系统多采用齿轮变速结构。2)一级变速器的主传动系统多采用同步齿形带。3)调速电动机直接驱动的主传动系统其优点是结构紧凑，占用空间少，转换频率高。但是主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性完全一致。MMTCNC3.3.1数控铣床的主传动系统3.主轴部件结构1)对数控铣床主轴部件的要求数控铣床的主轴部件是铣床重要组成部分之一。除了与普通铣床一样要求其具有良好的旋转精度、静刚度、抗振性、热稳定性及耐磨性外，由于数控铣床在加工过程中不进行人工调整，且数控铣床要求的转速更高，功率更大，所以数控铣床的主轴部件在上述几方面要求更高、更严格，2)主轴轴承常用配置形式(1)采用双列圆柱滚子轴承和60°角接触球轴承组合；(2)前轴承采用高精度调心球轴承；(3)双列和单列圆锥滚子轴承作为主轴前后支承。MMTCNC3.3.2数控铣床的进给传动系统1.对进给系统的性能要求进给系统将伺服电动机旋转运动变为工作台直线运动，主要包括减速装置、丝杠螺母副及导向元件。数控铣床通常对进给系统的要求有三点：传动精度、系统的稳定性和动态响应特性(灵敏度)。传动精度包括动态误差、稳态误差和静态误差。系统的稳定性指系统在启动状态或受外界干扰作用下，经过几次衰减振荡后迅速地稳定在新的或原来的平衡状态的能力。动态响应特性指系统的响应时间以及驱动装置的加速能力。这要求驱动装置机械结构必须消除间隙，减少摩擦，减少运动惯量，提高精度和刚度。MMTCNC3.3.2数控铣床的进给传动系统2.滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的传动装置。它的结构特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。当丝杠与螺母相对运动时。滚珠沿螺旋槽向前滚动，在丝杠上滚过数圈以后通过回程引导装置，逐个地又滚回到丝杠和螺母之间。构成一个闭合的回路管道。MMTCNC3.3.2数控铣床的进给传动系统滚珠丝杠螺母副优点1)传动效率高，摩擦损失小。2)运动平稳无爬行。3)传动精度高，反向时无空程。4)磨损小，精度保持性好，使用寿命长。5)具有运动的可逆性。MMTCNC3.3.2数控铣床的进给传动系统丝杠（螺母）旋转，滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母（丝杠）轴向移动，从而实现将旋转运动变换成直线运动。(1)滚珠丝杠螺母副的原理MMTCNC3.3.2数控铣床的进给传动系统滚珠循环方式常用的有两种：外循环：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触MMTCNC3.3.2数控铣床的进给传动系统内循环：始终与丝杠保持接触。内循环结构：反向器尺寸较长，承载钢球数减少，且钢球高速时流畅性差；而外循环插管式结构简单，承载能力大，不受导程限制。MMTCNC3.3.2数控铣床的进给传动系统(2)双螺母丝杠消除间隙方法：1)垫片调隙式。调整垫片厚度使左右两螺母产生方向相反位移，使两个螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上，即可消除间隙和产生预紧力。这种方法结构简单，刚性好，但调整不便，滚道有磨损时不能随时消除间隙