加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)方案的確定

2加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)方案的確定2.1加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)是由主軸電動(dòng)機(jī)、主軸傳動(dòng)系統(tǒng)以及主軸組件組成。他是加工中心的主要組成部分。和常規(guī)機(jī)床主軸系統(tǒng)相比，加工中心主軸系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)速、更高的回轉(zhuǎn)精度以及更高的結(jié)構(gòu)剛性和抗振性。2.2對(duì)加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求由于加工中心具有更高的加工效率，更寬的使用范圍，更高的加工精度，因此，它的主軸系統(tǒng)必須滿足如下要求：調(diào)速功能為了適應(yīng)不同工序、各種工件材料及刀具等各切削要求，主軸必須有一定的調(diào)速范圍并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，以保證加工時(shí)選用合理的切削用量，從而獲得最佳切削效率、加工精度和表面質(zhì)量。調(diào)速范圍的指標(biāo)主要由各種加工工藝對(duì)主軸最低速度和最高速度的要求來(lái)確定。精度和剛度要求具有較高的精度和剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。加工中心加工精度與主軸系統(tǒng)精度密切相關(guān)。主軸部件的精度包括旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動(dòng)精度。旋轉(zhuǎn)精度指裝配好后，在無(wú)載荷和低速轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，主軸前端工作部件的徑向和軸向跳動(dòng)值。主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度取決于部件中各個(gè)零件的幾何精度、裝配精度和調(diào)整精度。運(yùn)動(dòng)精度指主軸在工作情況下旋轉(zhuǎn)精度，這個(gè)精度通常和靜止或低速狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)精度有較大的差別，它表現(xiàn)在工作時(shí)主軸中心位置的不斷變化，即主軸軸心漂移。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)精度取決于主軸的工作速度、軸承性能和主軸部件的平衡。靜態(tài)剛度反應(yīng)了主軸部件或零件抵抗外載的能力。加工中心多采用抗彎剛度作為衡量主軸部件剛度的指標(biāo)。影響主軸部件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸形態(tài)，主軸軸承的類型、數(shù)量、配置形式、預(yù)緊情況、支撐跨距、主軸前端的懸伸量等。（3） 動(dòng)態(tài)影響性能要求升降速時(shí)間短，調(diào)速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。對(duì)有的機(jī)床需同時(shí)能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)切削，則要求反向時(shí)均可自動(dòng)進(jìn)行加減速控制。（4） 抗振性和熱穩(wěn)定性要求加工中心在加工時(shí)，由于斷續(xù)切削、加工余量大且不均勻、運(yùn)動(dòng)部件速度高且不平衡，以及切削過(guò)程中的自振等原因引起的沖擊力和交變力的干擾，會(huì)使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工進(jìn)度和表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具和主軸系統(tǒng)中的零件。主軸系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生熱變形，破壞相對(duì)位置精度和運(yùn)動(dòng)精度，造成加工誤差。為此，主軸部件要較高的固有頻率，保持合適的配合間隙并進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑等。（5）具有刀具自動(dòng)夾緊功能 加工中心突出的特點(diǎn)是自動(dòng)換刀功能。為保證過(guò)程連續(xù)實(shí)施，加工中心主軸系統(tǒng)與其它主軸相比，必須具有刀具自動(dòng)夾緊功能。（6） 功率要求要求主軸具有足夠的輸出功率或輸出轉(zhuǎn)矩，能在整個(gè)速度范圍內(nèi)提供切削所需功率和轉(zhuǎn)矩，以滿足機(jī)床強(qiáng)力切削時(shí)的要求。（7） 主軸定位功能要求主軸準(zhǔn)停功能又稱為主軸定位功能。即當(dāng)主軸停止時(shí)，控制主軸停在固定的位置，這是自動(dòng)換刀所必須的功能。在自動(dòng)換刀的數(shù)控篷銖加工中心上，切削轉(zhuǎn)矩通常是通過(guò)刀桿的斷面鍵來(lái)傳遞的，這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位于圓周上特定角度的功能。此外，在通過(guò)前臂小孔鐲內(nèi)壁的同軸大孔，或進(jìn)行反倒角等加工時(shí)，要求主軸實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停，使刀尖停在固定的方位上，以便主軸偏移一定尺寸后大刀刃能通過(guò)前臂小孔進(jìn)入箱體內(nèi)對(duì)打孔進(jìn)行僚削。2.3主傳動(dòng)的類型及方案選擇加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)主要有以下四種形式。（1）二級(jí)齒輪變速傳動(dòng)低速主軸通過(guò)采用齒輪變速機(jī)構(gòu)或同步帶傳動(dòng)降速，增大輸出轉(zhuǎn)矩，以滿足主軸輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求。這種主軸電機(jī)通過(guò)二級(jí)齒輪變速，使主軸獲得低速和高速兩種轉(zhuǎn)速系列，這是大中型加工中心機(jī)床采用較多的一種配置方式。這種分段無(wú)級(jí)變速，確保低速時(shí)的大轉(zhuǎn)矩，滿足機(jī)床內(nèi)轉(zhuǎn)矩特性的要求?；讫X輪通常液壓撥叉或電磁離合器來(lái)改變其位置。本次設(shè)計(jì)的加工中心即采用二級(jí)齒輪變速傳動(dòng)，具體選擇法案及原理將在后文詳述。定比傳動(dòng)該傳動(dòng)方式經(jīng)定比傳動(dòng)傳遞給主軸，定比傳動(dòng)采用齒輪傳動(dòng)或帶傳動(dòng)。帶傳動(dòng)主要用于小型機(jī)床上，可以避免齒輪傳動(dòng)的噪聲與振動(dòng)。它使用于高速、低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。常用的是V帶和同步齒輪帶。由主軸電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)該種傳動(dòng)方式的電動(dòng)機(jī)軸與主軸用聯(lián)軸器同軸連接。這種方式大大簡(jiǎn)化了主軸結(jié)構(gòu)，有效的提高了主軸剛度。但主軸輸出轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱對(duì)主軸的精度影響大。內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸高速主軸要求在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)升降速，在制定位置快速準(zhǔn)停，這就要求主軸具有很高的角加減速度。通過(guò)齒輪或傳送帶這種中間環(huán)節(jié)，常常會(huì)引起較大振動(dòng)和較大噪聲，而且增加了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。為此將主軸電動(dòng)機(jī)與主軸合而為一，制成電主軸，即主軸與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體。電動(dòng)機(jī)的軸就是主軸本身，而電動(dòng)機(jī)的定子被拼入在主軸內(nèi)。實(shí)現(xiàn)無(wú)中間環(huán)節(jié)的直接驅(qū)動(dòng)，是主軸高速單元的理想結(jié)構(gòu)。電主軸是最近幾年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)，它與直線電機(jī)技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，將把高速加工推向一個(gè)新時(shí)代。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件:電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤(rùn)滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置等。電主軸所融合的技術(shù)有以下幾個(gè)方面。1） 高速軸承技術(shù)電主軸通常采用復(fù)合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時(shí)也采用電磁懸浮軸承，或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無(wú)限長(zhǎng)。2） 高速電機(jī)技術(shù)電主軸是電機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電機(jī)的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一臺(tái)高速電機(jī)，其關(guān)鍵技術(shù)是高速下的動(dòng)平衡。3） 潤(rùn)滑電主軸的潤(rùn)滑一般采用定時(shí)定量油氣潤(rùn)滑；也可以采用脂潤(rùn)滑，但相應(yīng)速度要受到影響。所謂定時(shí)，就是每隔一定的時(shí)間間隔注一次油，所謂定量，就是通過(guò)一個(gè)叫做定量閥的器件,精確地控制每次潤(rùn)滑油的注油量。而油氣潤(rùn)滑，指的是潤(rùn)滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少起不到潤(rùn)滑作用；太多在軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)因油的阻力而發(fā)熱。4） 冷卻裝置為了盡快給高速運(yùn)行的電主軸散熱，通常對(duì)電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。5） 內(nèi)置脈沖編碼器為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀及剛性攻絲，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的相位控制以及進(jìn)給配合。6） 自動(dòng)換刀裝置為了適用于加工中心，電主軸配備了能進(jìn)行自動(dòng)換刀的裝置，包括碟形簧、拉刀油缸。7） 高速刀具的裝卡方式常用的BT、ISO刀具，己不適合于高速加工。這種情況下出現(xiàn)了HSK、SKI等高速刀柄。8） 變速變頻裝置要實(shí)現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用高頻變頻裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)電主軸的內(nèi)置高速電機(jī)，變頻器的輸出頻率甚至達(dá)到幾千赫茲。本次設(shè)計(jì)的加工中心主軸的轉(zhuǎn)速范圍為60?3000i7min,主軸電動(dòng)機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)型交流調(diào)速主軸電動(dòng)機(jī)，采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)以滿足機(jī)床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性。其傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2.1所示。圖2.1傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖2.4主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件切削性能參考值（工件材料45）：面銖時(shí)，刀具直徑lOOinm,刀齒數(shù)5,切削深度4mm,切削寬度70mm,主軸轉(zhuǎn)速750rpm,進(jìn)給速度600nnn/niin；鉆孔時(shí)，刀具直徑（高速鋼）30mm,主軸轉(zhuǎn)速400ipm,進(jìn)給速率lOOimn/min；采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)；主軸錐度BT40o3主傳動(dòng)變速系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算3.1計(jì)算切削功率由《屬切削手冊(cè)》P4-112例3,對(duì)面f先這種典型加工情況。平均切削厚度0（平均=金屬切削率Zw=S分tB=600X4X7=1.68X105mni7nim由圖4-17查得，單位切削功率在（2.0?3.0）X10'5kw/（nun3/inm）。考慮到工件材料強(qiáng)度不高，取Ns=2.78X10'5kw/（nnn3/inm）,5IO:切削功率 PC=NSZW=2.78X105X1.68X105^4.67kw由《金屬切削手冊(cè)》P4-112例2,對(duì)鉆孔這種典型加工情況。每分進(jìn)給量 S分=100/400=0.25mm/t平均切削厚度a平均=金屬切削率Zw=TTnsD’/4=3.14X400X0.25X30力=7.06X104mni3/inin由圖4-17查得，單位切削功率在(5.5?7.5)X10'5kw/(nun3/inm)范圍內(nèi)，綜合工件材料分析，取Ns=6.6X10"kw/(mni3/min),則：切削功率 Pc=MZw=6.6X105X7.06XW4=4.66kw綜上，可取切削功率Pc=4.6kw3.2計(jì)算主傳動(dòng)功率機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)有動(dòng)力參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。動(dòng)力參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，運(yùn)動(dòng)參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)的范圍。(1) 主傳動(dòng)功率機(jī)床主傳動(dòng)的功率P可根據(jù)切削功率Pc與主運(yùn)動(dòng)傳送鏈的總效率ri來(lái)確定P=Pc/q加工中心的加工范圍一般比較大，切削功率已可根據(jù)有代表性的加工情況，由其主切削抗力Fz按下式來(lái)確定Pc=Fzv/60000=Mii/655000(kw)式中Fz一主切削力的切向分力，N；V—切削速度，m/min;M一切削轉(zhuǎn)矩，N-cni；n一主軸轉(zhuǎn)速，r/min。加工中心主傳動(dòng)的總效率一般可取為F|=0.70?0.85,加工中心的主傳動(dòng)多用調(diào)速電機(jī)和有限的機(jī)械變速傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳動(dòng)鏈較短，因此，效率可取較大值。主傳動(dòng)中各傳動(dòng)件的尺寸都是根據(jù)其傳動(dòng)效率確定的，如果傳動(dòng)效率定的過(guò)大，將使傳動(dòng)件的尺寸粗大而造成浪費(fèi)，電動(dòng)機(jī)常在低負(fù)載下工作，功率因素很小而浪費(fèi)資源。如果功率定的過(guò)小，將限制機(jī)床的切削加工性能而降低生產(chǎn)率。因此，要較準(zhǔn)確合適地傳動(dòng)功率。由于加工情況多變，切削用量變化范圍較大，加之對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)因摩擦的因素消耗的功率也難于掌握，因此，單純用計(jì)算的方法來(lái)確定功率尚有困難，通常要用類比、測(cè)試、理論計(jì)算等幾種方法相互比較來(lái)確定。這里按較高的傳動(dòng)效率取值，取ri=0.83,貝ij：主傳動(dòng)功率 p=R/q=4.6/0.83e5.54kw取P=5