數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)

第五章數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)基礎大件主傳動系統(tǒng)進給系統(tǒng)刀具系統(tǒng)輔助結(jié)構(gòu)5.1對數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的基本要求5.2主傳動系統(tǒng)5.3進給傳動系統(tǒng)5.4換刀裝置5.1對數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的基本要求動、靜剛度高熱變形小傳動靈敏人性化1.數(shù)控機床應具有更高的靜、動剛度

機床的剛度是指機床結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。靜剛度：根據(jù)機床所受載荷性質(zhì)的不同，機床在靜態(tài)力（重力、機構(gòu)之間的相互作用力等）作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機床的靜剛度；動剛度：在動態(tài)力（切削力）作用下所表現(xiàn)的剛度稱為動剛度。影響機床剛度的主要因素是：各構(gòu)件、部件本身的剛度以及相互間的接觸剛度。提高動靜剛度的措施為了提高機床大件的剛度，采用封閉界面的床身，并采用重錘或液力平衡減少移動部件因位置變動造成的機床變形。封閉整體箱形結(jié)構(gòu)為了提高數(shù)控機床主軸的剛度，不但經(jīng)常采用三支撐結(jié)構(gòu)，而且選用鋼性很好的雙列短圓柱滾子軸承和角接觸向心推力軸承，以減小主軸的徑向和軸向變形；數(shù)控車床上加盡量縮短主軸端部受力懸伸長度以減少所受彎矩。為了提高機床各部件的接觸剛度，增加機床的承載能力，采用刮研的方法增加單位面積上的接觸點，并在結(jié)合面之間施加足夠大的預加載荷，以增加接觸面積。這些措施都能有效地提高接觸剛度。提高動態(tài)剛度的方法：提高系統(tǒng)的剛度、增加阻尼以及調(diào)整構(gòu)件的自振頻率等。試驗表明，提高阻尼系數(shù)是改善抗振性的有效方法。鋼板的焊接結(jié)構(gòu)既可以增加靜剛度、減輕結(jié)構(gòu)重量，又可以增加構(gòu)件本身的阻尼。因此，近年來在數(shù)控機床上采用了鋼板焊接結(jié)構(gòu)的床身、立柱、橫梁和工作臺。封砂鑄件也有利于振動衰減，對提高抗振性也有較好的效果。

在大件內(nèi)腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，在振動時因摩擦力較大而耗散振動能量。也可采用阻尼層法，即在大件表面噴涂一層具有高阻尼和較高彈性的黏滯彈性材料，涂層越厚，阻尼越大。QC11NJDK數(shù)控液壓閘式剪板機

機架采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，經(jīng)振動消除內(nèi)應力，有足夠的強度與剛性這是加工大型零件的超重型設備。結(jié)構(gòu)特點：

工作臺徑向采用高精度雙列短滾子軸承定心；軸向采用每腔一泵式恒流靜壓導軌。

主傳動箱采用二級機械變速和立式直流電機驅(qū)動。

橫梁配有卸荷梁；用靜壓卸荷絲桿升降。

刀架移動采用消除間隙的雙齒輪傳動；滑枕移動采用滾珠絲桿傳動。

機床橫梁、床身和立柱為焊接件結(jié)構(gòu)，并采用了阻尼減振措施。CK53系列數(shù)控單柱移動立式車床和車銑鏜立式車床人造大理石床身（混凝土聚合物）圖5－3德德國DEN480L型數(shù)數(shù)控車床底座座和床身示意意圖2.數(shù)控機床床應有更小的的熱變形圖5-110m/min進給速度，多次往復運動時的滾柱絲杠發(fā)熱情況，溫度分布圖的溫度顯示為25攝氏至40攝氏度，若沒有補償措施，則將使工件產(chǎn)生嚴重缺陷。主軸冷卻風管對機床熱源進行強制冷卻1、減少發(fā)熱熱2、控制溫升升:對機床熱熱源進行強制制冷卻3、改善機床床機構(gòu):采用用熱對稱結(jié)構(gòu)構(gòu)4、絲杠預拉拉伸5、熱位移補補償控制熱變形的的措施熱對稱結(jié)構(gòu)立立柱3.傳動靈敏：數(shù)控機床運運動件之間的的摩擦要小，，要消除傳動動系統(tǒng)的間隙隙，達到低速速時無爬行，，高速時快速速響應。4.數(shù)控機床結(jié)構(gòu)構(gòu)要人性化一、主傳動系系統(tǒng)作用是將電動機的的扭矩或功率率傳遞給主軸軸部件，使安安裝在主軸內(nèi)內(nèi)的工件或刀刀具實現(xiàn)主切削運動。主軸：指帶動動刀具和工件件旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生生切削運動且且消耗功率最大大的運動軸。二、主傳動系統(tǒng)組組成：主軸電動機、、傳動系統(tǒng)和和主軸部件5.2主主傳動系統(tǒng)三、對主傳動動系統(tǒng)的要求求1.足夠的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍2.足夠的功功率和扭矩3.各零部部件應具有足足夠的精度、、強度、剛度和和抗振性4.噪聲低、、運行平穩(wěn)四、主軸的驅(qū)驅(qū)動方式1.采用變速速齒輪傳動這是大中型數(shù)數(shù)控機床較常常采用的配置置方式，通過過少數(shù)幾對齒齒輪傳動，擴擴大變速范圍圍?；讫X輪輪的移位大都都采用液壓撥撥叉或直接由由液壓缸帶動動齒輪來實現(xiàn)現(xiàn)。2.采用同步步齒形帶傳動動這種傳動主要要用在轉(zhuǎn)速較較高、變速范范圍不大的機機床。它適用用于高速低轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩特性的主主軸。3.用兩個個電動機分別別驅(qū)動主軸這是上述兩種種方式的混合合傳動，具有有上述兩種性性能(見圖5-2c)。。高速時，由由一個電動機機通過帶傳動動；低速時，，由另一個電電動機通過齒齒輪傳動，齒齒輪起到降速速和擴大變速速范圍的作用用，這樣就使使恒功率區(qū)增增大，擴大了了變速范圍，，避免了低速速時轉(zhuǎn)矩不夠夠且電動機功功率不能充分分利用的問題題。但兩個電電動機不能同同時工作，也也是一種浪費費。4.采用主軸軸電機直接驅(qū)驅(qū)動（一體化化主軸，電主主軸）主軸與電機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子合二為一一，從而使主主軸部件結(jié)構(gòu)構(gòu)更加緊湊，，重量輕，慣慣量小，有效效地提高了主主軸部件的剛剛度，提高了了主軸啟動、、停止的響應應特性，目前前高速加工機機床主軸多采采用這種方式式，這種類型型的主軸也稱稱為電主軸。。圖5-2數(shù)控機床主傳動的四種配置方式a)齒輪變速b)帶傳動c)兩個電動機分別驅(qū)動d)內(nèi)裝電動機主軸傳動結(jié)構(gòu)圖5-7內(nèi)裝電動機主軸車床用電主軸軸銑床用電主軸軸

氯丁橡膠同步帶

聚氨酯同步帶

圓弧齒工業(yè)同步帶

雙面齒同步帶五．主軸調(diào)速速方法數(shù)控機床常用用機電結(jié)合的的方法，即同同時采用電動動機和機械齒齒輪變速兩種種方法。其中中齒輪減速以以增大輸出扭扭矩，并利用用齒輪換擋來來擴大調(diào)速范范圍。1、電動機調(diào)調(diào)速用于主軸驅(qū)動動的調(diào)速電動動機主要有直直流電動機和和交流電動機機兩大類。（1）直流電電動機主軸調(diào)調(diào)速（2）交流電電動機主軸調(diào)調(diào)速2、機械齒輪輪變速數(shù)控機床常采采用1-4擋齒輪變速速與無級調(diào)速速相結(jié)合的方方式，即所謂謂分段無級變變速。采用機機械齒輪減速速，增大了輸輸出扭矩，并并利用齒輪換換擋擴大了調(diào)調(diào)速范圍。自動換擋執(zhí)行行機構(gòu)是一種種電——機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換裝置，常常用的有液壓壓撥叉和電磁磁離合器。圖2－3三位液壓撥叉工作原理圖1、5－液壓缸2－活塞桿3－撥叉4－套筒六、主軸部部件主軸部件是機機床的一個關(guān)關(guān)鍵部件，它它包括主軸的支承、安裝在主軸軸上的傳動零件等。對于數(shù)控機床床尤其是自動動換刀數(shù)控機機床，為了實實現(xiàn)刀具在主主軸上的自動動裝卸與夾持持，還必須有有刀具的自動夾緊裝置置、主軸準停停裝置和主軸軸孔的清理裝裝置等結(jié)構(gòu)。1、主軸端部部的結(jié)構(gòu)形狀狀主軸端部用于于安裝刀具或或夾持工件的的夾具，在設設計要求上，，應能保證定定位準確、安安裝可靠、聯(lián)聯(lián)接牢固、裝裝卸方便，并并能傳遞足夠夠的轉(zhuǎn)矩。主主軸端部的結(jié)結(jié)構(gòu)形狀都已已標準化。(a)車床主主軸端部；(b)銑、鏜鏜類機床主軸軸端部；(c)外圓磨床床砂輪主軸端端部；(d)內(nèi)圓磨磨床砂輪主軸軸端部；(e)普通鏜桿桿裝在鉆床主主軸上的端部部；(f)組組合機床主軸軸端部2、主軸部件件的支承機床主軸帶著著刀具或夾具具在支承中作作回轉(zhuǎn)運動，，應能傳遞切切削轉(zhuǎn)矩承受受切削抗力，，并保證必要要的旋轉(zhuǎn)精度度。機床主軸軸多采用滾動軸承作為支承，對對于精度要求求高的主軸則則采用動壓或靜壓滑滑動軸承作為支承。下下面著重介紹紹主軸部件所所用的滾動軸軸承。主軸滾動軸承承的配置前支承采用雙雙列短圓柱滾滾子軸承和60°角接觸觸雙列向心推推力球軸承，，后支承采用用成對向心推推力球軸承。。能使主軸獲獲得較大的徑徑向和軸向剛剛度，可以滿滿足機床強力力切削的要求求，普遍應用用于各類數(shù)控控機床的主軸軸，如數(shù)控車車床、數(shù)控銑銑床、加工中中心等。這種種配置的后支支承也可用圓圓柱滾子軸承承，進一步提提高后支承徑徑向剛度。圖5-14數(shù)控機床主軸軸承配置形式如圖5-14b所示的配配置前支承采采用多個高精精度向心推力力球軸承，后后支承采用球球軸承，沒有有如圖5-14a所示的的主軸剛度大大，但這種配配置提高了主主軸的轉(zhuǎn)速，，適合主軸要要求在較高轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下工作的的數(shù)控機床。。目前，這種配配置形式在立立式、臥式加加工中心機床床上得到廣泛泛應用，滿足足了這類機床床轉(zhuǎn)速范圍大大、最高轉(zhuǎn)速速高的要求。。為提高這種種形式配置的的主軸剛度，，前支承可以以用四個或更更多個的軸承承相組配，后后支承用兩個個軸承相組配配。如圖5-14c所示的配配置形式，前前支承采用雙雙列圓錐滾子子軸承，后支支承為單列圓圓錐滾子軸承承。能使主軸軸承受較重載載荷(尤其是是承受較強的的動載荷)，，徑向和軸向向剛度高，安安裝和調(diào)整性性好。但這種種配置相對限限制了主軸最最高轉(zhuǎn)速和精精度，適用于于中等精度、、低速與重載載的數(shù)控機床床主軸。3、主軸的的材料和熱熱處理主軸材料可可根據(jù)強度度、剛度、、耐磨性、、載荷特點點和熱處理理變形大小小等因素來來選擇。主主軸剛度與與材質(zhì)的彈彈性模量E有關(guān)。無無論是普通通鋼還是合合金鋼其E值基本相相同。因此此，對于一一般要求的的機床其主主軸可用價價格便宜的的中碳鋼、、45鋼，，進行調(diào)質(zhì)質(zhì)處理后硬硬度為22～28HRC；當當載荷較大大或存在較較大的沖擊擊時，或者者精密機床床的主軸為為減少熱處處理后的變變形，或者者需要作軸軸向移動的的主軸為了了減少它的的磨損時，，則可選用用合金鋼。。常用的合合金鋼有：：40Cr進行淬硬硬硬度達到到40～50HRC，或者用用20Cr進行滲碳碳淬硬使硬硬度達到56～62HRC。。某些高精精度機床的的主軸材料料則選用38CrMoAl進進行氮化處處理，使硬硬度達到850～1000HV。圖5-19加加工工中心心主軸軸組件件圖5-18數(shù)控車床主軸組件七、主主軸準準停主軸準準停功功能又又稱主主軸定定向功功能(SpindleSpecifiedPositionStop)，其其作用用是使使主軸軸每次次都準準確地地停在在固定定不變變的周周向位位置上上，以以保證證自動動換刀刀時主主軸上上的端端面鍵鍵能對對準刀刀柄上上的鍵鍵槽，，同時時使每每次裝裝刀時時刀柄柄與主主軸的的相對對位置置不變變，提提高刀刀具的的重復復安裝裝精度度，從從而可可提高高加工工的一一致性性。另外，，一些些特殊殊工藝藝要求求，如如在通通過前前壁小小孔鏜鏜內(nèi)壁壁的同同軸大大孔，，或進進行反反倒角角等加加工時時，也也要求求主軸軸實現(xiàn)現(xiàn)準停停，使使刀尖尖停在在一個個固定定的方方位上上，以以便主主軸偏偏移一一定尺尺寸后后，使使大刀刀刃能能通過過前壁壁小孔孔進入入箱體體內(nèi)對對大孔孔進行行鏜削削。圖5-28主軸軸準停停換刀刀示意意圖圖5-29主主軸軸準停停鏜背背孔示示意圖圖主軸準準停可可分為為機械準準停與電氣準準停，它們們的控控制過過程是是一樣樣的。。目前國國內(nèi)外外中高高檔數(shù)數(shù)控系系統(tǒng)均均采用用電氣氣準停停控制制，采采用電電氣準準?？乜刂朴杏腥缦孪聝?yōu)點點：：(1)簡化化機械械結(jié)構(gòu)構(gòu)(2)縮短短準停停時間間(3)可靠靠性