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加工中心及其进给系统设计
2019-5-9  来源: 沈阳机床成套设备有限责任公司   作者:张朝麟




      摘要 :加工中心是一个高精密、高集成化的设备,它的技术水平标志着一个国家制造业的强弱,加工中心的制造能力和加工能力非常广泛和强大,并且工件加工过程中减少装卸和换刀步骤,这样体现了加工中心的复杂程度,加工中心的主传动系统和进给系统精度高,同时也复杂,它的转速和进给效率非常高,这样体现了为什么加工中心加工能力强的原因之一。
  
      关键词 :加工中心 ;主传动系统 ;进给系统

      1. 加工中心
  
      加工中心的特点就是工序集中、加工精度高、适应性非常强、生产效率高、性价比高、利用生产管理等,以上这些特点相对于普通机床而言,加工中心具有刀库,可以实现自动换刀,机床装夹后,可以实现多面位加工。加工中心的总体结构组成如图 1 所示。
  
  
图 1 加工中心的组成
  
      加工中心的数控系统主要是由 CNC 装置、PLC、伺服驱动装置这几个部分组成,CNC 控制系统可以对加工中心的功能、主轴等分别控制,实现加工范围广的特点。
  
     加工中心的结构可以分为主机部分和控制部分两种,主机部分也就是机床本体,包括床身、立柱、主轴箱等,控制部分就是对加工中心控制的各种程序,加工中心的控制系统非常强大,智能化程度也非常高。
  
     加工中心的结构特点就是刚度高、抗震性好,而对于机床刚度的设计时候,机床抵抗变形能力的计算公式如下 :
  
     
  
    作用在加工中心上的载荷有很多种,包括夹紧力、切削力、传动力等,对于这些载荷不同,可以分为静载荷和动载荷。
  
     2. 主传动系统
  
     加工中心的主传动系统设计要求是调速范围要广、转动精度要高、同时传动系统的刚度要强,特别是主轴,主轴部件耐磨性要好。

    主传动系统中的主轴变速方式有无极变速和有级变速两种,加工中心的主传动系统为了保证加工时候可以合理选择切削用量和保证加工的加工质量,一般主传动系统采用无极变速,但是为了扩大调速范围,采用齿轮和电机无极调速的结合形式,主轴传动分为带有变速齿轮的主传动,如图 2(a) 所示,带传动的主传动,如图 2(b) 所示,调速电机直接驱动,如图 2(c) 所示。
   
  
图 2 主轴传动的 3 种形式
  

    而加工中心的变速范围要大,所以选择变速齿轮的无极调速。对于加工中心主传动系统的主轴设计时候,考虑主轴需确定位高、安装可靠、连接牢固等特点,主轴的结构采用前端 7:24 的锥孔定位,而主轴的材料选择时,由于主轴选择承载时候的变形量要小,保证传动精度,选用 40Cr 作为主轴的材质,并且需要对主轴进行热处理。加工中心的主轴箱分为低传速区和高传速区,实现主轴转速的范围广,对于主轴的计算,通过以下公式计算 :

    
  
  
图 3 加工中心主传动系统


    最终确定主传动系统如图 3 所示。

    3. 进给系统

    对于加工中心,进给系统是一个非常重要的部分,如果机床整体结构和精度都非常好,但是没有进给系统,就不能完成对零件的加工,加工中心的进给系统是数字控制的直接对象,工件的坐标、工件的轮廓等都是受进给系统的控制,所以进给系统要满足以下几点要求 :
  
   (1)传动精度和刚度要高,要达到这个要求,进给系统中的丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等零件的精度要高,刚度也要强。
  
   在数控机床的进给系统设计中,能实现直线运动的滚珠丝杠副有 3 种,滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、静压蜗杆蜗条和齿轮齿条副,静压丝杠螺母副摩擦系数小,但是比滚珠丝杠的转矩小,蜗杆蜗条和齿轮齿条副的传动不够稳定,会影响加工中心的精度,所以最终加工中心选择滚珠丝杠螺母副。
  
   (2)摩擦阻力要小,进给运动过程中,如果摩擦阻力非常大,会产生摩擦热,会影响系统传动效率。
  
   (3)运动惯量要小,传动元件的惯量对伺服系统的启动和制动都有影响。
  
    结语
  
    加工中心的技术要求就是高精度、高转速、高刚度等特性,而要实现这几个要求,就需要从每个零件着手,主传动系统中的主轴、轴承,进给系统中丝杠,这些都是需要去提高,加工中心的整体结构中,主传动系统和进给系统是非常重要的,主轴转速不够,那么加工能力就不行、效率慢,但是加工中心也不能只是提高这两个方面,只有综合提高,才能使加工中心更上一层楼。
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