毕业论文-五轴联动高速数控雕铣机的进给系统及床身的设计

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目录

第一章 概述

1.1 国内外相关技术现状------------------1 1.2 小组课题内容简介--------------------6 1.3 课题内容简介------------------------11 第二章 具体设计方案

2.1 设计参数计算-----------------------13 2．1．1滚珠丝杠选择--------------------13 2．1．2导轨的选择----------------------16 2．1．3电机的选择----------------------21 2．1．4联轴器的选择--------------------22 2.2 结构设计---------------------------22 第三章 PRO/ENGINEER简介-------------------24 第四章 总结与致谢--------------------------27 参考文献------------------------------------29

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第一章 概述

1.1 国内外相关技术现状：

为了适应21世纪动态多变的全球化市场的激烈竞争，制造企业必须快速响应市场的需求，具备质量高，成本低，服务优的环抱产品和交货迅速的制造能力。这驱使制造加工技术朝着快速、低耗、优质和高精度的方向发展。在这一进程中，高速切削技术将发挥关键的作用。

从20世纪60年代后，美国、德国、日本等发达国家相继投入了大量的人力、物力、财力、研究开发高速切削技术及相关技术。在1979年，美国国防高技术研究所总署规划了超高速切削基础技术的研究，研究切削速度超过塑性波的超高速切削，为快速切除金属材料提供科学依据。近几年成立的隶属于美国国家科学研究委员会的“2010年及其以后国防制造工业委员会”，提出把生产加工工艺作为重大公关领域，将超高速切削列为与民用工业共用的先进制造基础技术，日本尖端技术研究学会也把超高速切削列为五大现代加工技术之一。目前，德国、日本、美国在超高速磨削的研究、开发和应用方面做了大量工作，在实验室已开发了500m/s的超高速砂轮，已超过音速。中国的东北大学也建造了200m/s的超高速磨削试验台，着手进行超高速磨削机理的研究。

高速切削机床是实现高速和超高速切削的必要条件之一，为了适应粗精加工、轻重切削和快速移动，同时保证高精度（定位精度+/-0.005mm），它必须满足高速加工对机床的要求：如高速主轴部件及其驱动系统，快速反应的数控伺服系统和进给部件，具

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有NURBS插补功能和预处理能力的控制系统，高压大流量喷射冷却系统，静刚度、动刚度、热刚度特性都很好的机床支承件等。目前适用于进行高速切削的加工中心和数控机床，其主轴转速一般都在1000r/min以上，有的高达60000---100000r/min，主电机功率达到15——80KW。滚珠丝杠的快速进给速度可达40—60m/min,直线电机的快速进给速度高达90—120m/min。此外，高速机床的主轴和工作台还要具有良好的加速度性能，主轴从启动到最高转速的时间只用1—2s,工作台的加速度达到1—10g。

近年来，高速切削技术以其高效率、高质量、的优异性能而广泛应用于航天、航空、汽车、模具和机床等行业中，各种切削方式、各种材料几乎无所不能，尤其是高速铣削和高速车削发展神速。目前，工业发达国家的航空、汽车、动力装置、模具、轴承、机床等行业的产品质量明显提高，成本大幅度降低，市场竞争优势明显，都受惠于高速切削加工技术。近年来，航空航天、汽车工业、模具加工等对高速数控机床的需求量与日俱增，工业发达国家已生产多种商品化高速机床。近年来国际上高速机床的主要产品有德国EX-CELL-O的XHC241卧式加工中心、MIKROMAT的8VHSC立式数控铣床、GUHRING的FD612高速平面磨床，美国的INGERSOLL的HVM800卧式加工中心、BRIDGEPORT的VMC1500龙门型立式加工中心、CINCINNATI MILACRON的HYPERMATH卧式加工中心，日本的MAZAK的FF-510卧式加工中心、新泻铁工所的VZ40加工中心，法国的FOREST-LINE的MINUMAC-TH8五坐标龙门高速铣床。

五轴联动数控加工中心是功能强，结构复杂，技术含量高的

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机床，它广泛应用于航天、航海、汽车等领域，在现代工业中有非常重要的应用价值。

在五轴联动数控加工中心的开发过程中，自动万能铣头是关键技术，目前国内只有很少数几个厂家正在开发和生产自动万能铣头，主要还处于搜集技术资料和研究阶段。而国外一些发达国家中，自动万能铣头已经普遍应用于立式和龙门式数控铣床以及数控加工中心。使铣床达到五轴联动，实现四面体和五面体加工，可以大大提高铣床的自动化水平和工艺范围以及工作效率。研究开发五轴加工中心要求具有较高的性能技术指标，不仅要具有多坐标复杂曲面的加工功能，而且还要满足高速度、高刚度和高精度的要求。而发达国家在进出口技术含量高的五轴联动加工中心方面，对我国进行限制，因此，五轴联动数控加工中心的研究开发是一个难度比较大的项目。

为了跟踪国外的技术发展，北京机床研究所，在立式加工中心和卧式加工中心的基础上，加上有10多个工件位置的自动交换工作台（APC）。组成了柔性制造单元JCS-FMC-1、2。北京机床研究所还建立了一条以五台国产数控机床组成的、以直流伺服电机的轴类、法兰盘类、刷架体类等12种零件为加工对象的FMS。1985年以后，我国的数控机床，在引进、消化国外技术的基础上，进行了大量的开发工作。到1989年底，我国数控机床的可控品种已超过300种，其中数控车床占40%，加工中心占27%，其他的品种为重型机床，镗铣床，电加工机床，磨床，齿轮加工机床及拉床等。

一些较高档次的数控系统，如五轴联动的数控系统，分辨率为0.02微米的高精度车床用数控系统，数字仿型的数控系统，为

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柔性制造单元配套的数控系统，也陆续开发了出来，并制造出了样机。经过30年的努力，我过数控机床的生产已经初步建立了以中、低档数控机床为主的产业体系，为90年代向高档数控机床逐步发展奠定了基础。

在我国现在比较先进的相关机床主要有：

沈阳机床集团的HS-60卧式加工中心。主轴最高转速达18 0O0r／min，快移速度高达60m／min，加速度达1g。

北京机床研究所的KT1300VB型立式加工中心，主轴最高转速达12000r／min,换刀时间为1.5s，快移速度为40m／min。

北京机电研究院的VMC750 II/VMC1000 II立式加工中心。它具有以下特点：

1） 先进的设计，用CAD/CAM系统完成最优的结构设计。 2） 高刚性结构，基础大件为铸件，主要零部件经有限元分析，确保高刚性。

3）主轴轴承采用进口的油气润滑装置进行油气润滑。 4）采用凸轮机械手换刀，换刀时间仅2s。 5） 刀库容量24把。

6） 采用A2100或FANUC数控系统，也可按用户需求选装。

北京机电研究院的VMC750F/VMC750F II五轴联动立式加工中心。它具有以下特点：

1）这种五轴联动立式加工中心是在立式加工中心上配置可倾回转工作台，可对各种空间立体型面进行五轴联动加工，特别适用于加工叶轮类零件，用于机械制造、航空航天、汽车、摩托车、模具等高技术行业。

2） 加工范围大，工件安装空间可达?420x?370x300。转台

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台面在倾斜轴下40mm，工件安装偏离摆动中心距离小，加工误差小，加工时Y轴附加行程减小。 3）具有10个通道，50个伺服轴，8轴联动。

此外，北京第一机床,桂林机床厂、北京第三机床厂等的数控高速铣床，主轴转速均达10 000r／min以上。常州机床总厂的五轴联动的数控龙门式加工中心采用电主轴最高转速10O00r／min，功率18kW／15k。汉江机床厂和华中数控公司的5轴联动的卧式加工中心。北京机床研究所的世界先进水平的高精度高速数控车削中心，主轴回转精度小于0.2μm，主轴最高转速8 0O0r／min。

1.2 课题研究内容：

本次设计的主要任务是五轴数控高速雕铣机的进给系t

统及床身设计。 该机床 用于高速加工复杂模具的型腔或凸模，采用直径为8～10mm的双刃圆鼻刀（允许线速度380米/min）用于粗加工，用6～8mm的双刃球刀精加工。在2003年的北京机床展览会上，四开公司展出的5060小型高速雕铣机床（见图1——1），在现场高速加工一个小型手机的模具，该零件有许多按键及屏幕的凹的型腔，是一个复杂多曲面的典型零件，模具的材料为T10工具钢，刀具为德国瓦尔特公司的带涂层的R3双刃球头刀，刀具线速度200米/min，主轴转速1.1～2.0万转/min，刀具吃刀深度0.5mm～0.8mm,进给速度5米/min，刀具间隔量粗加工0.5～5mm；精加工0.1～0.2mm，加工时间共1小时12分钟。 浙江黄岩地区、江苏江阴地区的用户将该机器用于精密复杂的中小型模具（如各种汽车灯具的小曲面）的高速精加工；福建晋江、浙江瑞安地区的用户大多将该机器用于高速加工鞋模。本小组此

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次毕业设计课题为五轴数控高速雕铣机，即在传统的三轴雕铣机的基础上另外增加两轴，即主轴铣头的摆动和转动，这样可以更精确方便的加工各种复杂曲面，另外的结构大体上仍采用传统三轴雕铣机的结构，只是在铣头的连接部分做些必要的改动。五轴的雕铣机在国内还没有投入市场，具有很大的市场空间。另外在技术上也代表了世界上较为先进的机械设计制造水平，因此本课题的拟定很有意义。五轴数控高速雕铣机采用了CNC控制系统，这也适应了当今世界上机床数控化的趋势。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等，都是建立在数控技术之上，离开了数控技术，先进制造技术就成为了无本之木。同时，数控技术关系到国家战略地位，是体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。专家们曾预言：机械制造的竞争，其实质是数控的竞争。另外五轴数控机床也是当今世界数控机床中档次较高的，在国外已经有大量此次类产品出现，但在国内此类产品还是只占有较小的一部分市场，本次毕业设计所做的课题产品“五轴联动高速数控雕铣机”在国内更是一片空白。所以此次产品如果设计制造成功，则将是国内产的首例五轴联动高速数控雕铣机。

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图1——1

同样适应今后机床的发展趋势，其高速体现在主轴的转速上，转速可达1000——20000r/min，因此，主轴采用了现在世界上最普遍采用的电主轴。电主轴是高速加工机床最理想的选择，也是当今世界上一个热门的数控机床功能部件。电主轴的驱动方式是电机对主轴直接驱动，省去了传统的皮带、齿轮、联轴器等一切中间传动环节，代之以无级宽调速交流变频电机来实现数控机床主轴的变速（见图1—2），它实现了机床主轴的零传动，可以使交流主轴电机在较大的范围内保持恒功率，在低速下具有较大的扭矩，还可以得到高的角加（减）速度值，进而实现瞬时升降速，

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图1—2

指定位置快速准停及C轴插补功能等对机床主轴的要求，国外近几年生产的高速数控机床中，几乎无一例外的采用这种电机与主轴合二为一的电主轴结构。工业发达国家生产的高速加工中心，主轴最高转速普遍达20000~100000rpm，主电机功率一般为12KW~45KW，电主轴已经处于商品化、专业化、系列化生产阶段。一些著名的轴承厂如瑞典的SKF公司，德国的FAG公司和日本的NSK公司都有系列电主轴单元作为商品出售。

图1—3表示卧式加工中心的五轴加工，A轴和B轴为回转工作台，回转工作台置于B的上面。因此五轴指的是X、Y、Z、A和B。A、B轴实现被加工零件的回转运动，X、Y、Z实现刀具的直线运动。在这种情况下，刀具中心线与X、Y轴的坐标关系并不改变A、B轴的位置关系，这样便大大简化了五轴加工软

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图1—3

件中刀具的补偿功能，在本例中，采用复合转台作为A、B轴的方法，也可以应用到立式加工中心中。

图1—4

图1—4表示加工中心主轴轴线处于卧式或立式的倾斜状态，A轴设定为主轴的倾斜，B轴为被加工零件的回转运动，请注意：Z轴垂直于X、Y坐标，但由于A轴原来是回转运动，这样就改变了刀具中心线与X、Y轴的位置关系，无论在什么时间，一旦刀具偏离水平或垂直位置，沿着刀具中心线的任何运动，不再由Z轴的运动来产生，而必须由控制Y、Z轴的运动来产生。

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