立式加工中心主轴组件的总体设计方案

摘 要

加工中心由于备有刀库并能自动更换刀具，使得工件在一次装夹中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人为干预，当机床开始执行程序后，它将一直运行到程序结束。加工中心还赋予了专业化车间一些诸多优点，如：降低机床的故障率，提高生产效率，提高加工精度，削减废料量，缩短检验时间，降低刀具成本，改善库存量等。由于加工中心的众多优势，所以它深受全球制造企业的青睐。

加工中心主要由主轴组件、回转工作台、移动工作台、刀库及自动换刀装置以及其它机械功能部件组成。其中的主轴组件是机床重要的组成部分，其运动性能直接影响机床加工精度与表面粗糙度。本文在查阅大量国内外文献的基础上，通过研究分析不同加工中心主轴组件的性能，综合地比较了其特点，并拟定了一个较为合理的主轴组件结构方案。同时，还就主轴、轴承以及丝杠等重要零件的机械性能进行了探讨，并对这些零件的刚度和强度进行了校核。此外，本设计中所采用的陶瓷轴承能有效地增加主轴的刚度，从而提高了加工中心的可靠性和稳定性。 关键词 主轴组件；加工中心；数控机床

Abstract

Machining center evolved from the need to be able to perform a variety of operations and machining sequences on a workpiece on a single machine in one setup. Machining center requires little operator intervention, and once the machine has been set up, it will machine without stopping until the end of the program is reached. Some of the other advantages that machining centers give a manufacturing shop are greater machine uptime, increased productivity, maximum part accuracy, reduced scrap, less inspection time, lower tooling costs, less inventory and so on. Because of their many advantages, machining centers become widely accepted by manufacturing enterprises in the world.

Machining centers are equipped with spindle units, rotary workbench, moving workbench, tool magazines and automatic tool changers, and other mechanical function components. Spindle unit is the important motion part of the metal cutting machine tool. Its movement behavior affects the machining accuracy and surface roughness of part to be machined. Through referring to a variety of technical literatures, the characteristics of some kinds of spindle units are compared with each other based on analysis and research work on different machining centers. A reasonable scheme can be studied out. Meanwhile, the mechanical behaviors of principle parts such as the spindle, bearings and lead screw are discussed. Their rigidity and strength are calculated and examined here. Morever, a kind of advanced ceramic bearings is introduced into the spindle unit, which can effectively enhance the rigidity of spindle units. They will improve the reliability and stability of machining centers.

Key words spindle unit;machining center; NC machine tool

目 录

摘 要 .......................................................... I Abstract ....................................................... II 第1章 绪 论 ............................................... - 1 -

1.1 加工中心的发展状况 .................................. - 1 -

1.1.1 加工中心的国内外发展 .......................... - 1 - 1.1.2 主轴部件的研究进展 ............................ - 2 - 1.3 课题拟解决的关键问题 ................................ - 3 - 1.4 解决上述问题的策略 .................................. - 4 - 第2章 方案拟定 ............................................. - 5 -

2.1 加工中心主轴组件的组成 .............................. - 5 - 2.2 机械系统方案的确定 .................................. - 5 -

2.2.1 主轴传动机构 .................................. - 5 - 2.2.2 主轴进给机构 .................................. - 6 - 2.2.3 主轴准停机构 .................................. - 7 - 2.3 加工中心主轴组件总体设计方案的确定 .................. - 9 - 第3章 主轴组件的主运动部件 ............................... - 10 -

3.1 主轴电动机的选用 ................................... - 10 -

3.1.1 主电机功率估算 ............................... - 10 - 3.1.2 主电机选型 ................................... - 11 - 3.2 主轴 ............................................... - 11 -

3.2.1 主轴的结构设计 ............................... - 11 -

3.2.1.1 主轴轴径的确定 .......................... - 12 - 3.2.2 主轴受力分析 ................................. - 12 - 3.2.3 主轴的强度校核 ............................... - 14 - 3.2.4 主轴的刚度校核 ............................... - 15 - 3.2.5 轴承的配合 ................................... - 16 -

3.2.6 主轴轴承设计计算 ............................. - 17 -

3.2.6.1 轴承受力分析 ............................ - 17 - 3.2.6.2 轴承7017AC寿命计算 ..................... - 17 - 3.2.6.3 轴承7015AC寿命计算 ..................... - 18 -

3.3同步带的设计计算 ................................... - 18 - 第4章 主轴组件的进给运动部件 ............................. - 22 -

4.1 进给电动机的选用 ................................... - 22 -

4.1.1 进给电动机功率的估算 ......................... - 22 - 4.1.2 进给电动机的选用 ............................. - 22 - 4.2 联轴器的设计计算 ................................... - 23 - 4.3 垂直方向伺服进给系统的设计计算 ..................... - 23 -

4.3.1 切力削估算 ................................... - 23 - 4.3.2 滚珠丝杠副的设计计算 ......................... - 23 -

4.3.2.1 滚珠丝杠的导程的确定 .................... - 23 - 4.3.2.2 确定丝杠的等效转速 ...................... - 24 - 4.3.2.3 确定丝杠的等效负载 ...................... - 24 - 4.3.2.4 确定丝杠所受的最大动载荷 ................ - 25 -

结 论 ..................................................... - 26 - 致 谢 ..................................................... - 28 - 参考文献 ................................................... - 29 - 附录1 ......................................... 错误！未定义书签。 附录2 ......................................... 错误！未定义书签。

第1章 绪 论

1.1 加工中心的发展状况

1.1.1 加工中心的国内外发展

对于高速加工中心，国外机床在进给驱动上，滚珠丝杠驱动的加工中心快速进给大多在40m/min以上，最高已达到90m/min。采用直线电机驱动的加工中心已实用化，进给速度可提高到80~100m/min，其应用范围不断扩大。国外高速加工中心主轴转速一般都在12000~25000r/min，由于某些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承，预计转速上限可提高到100000r/min。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在1s左右，高的已达0.5s，甚至更快。在结构上，国外的加工中心都采用了适应于高速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。在加工精度上，国外卧式加工中心都装有机床精度温度补偿系统，加工精度比较稳定。国外加工中心定位精度基本上按德国标准验收，行程1000mm以下，定位精度可控制在0.006~0.01mm之内。此外，为适应未来加工精度提高的要求，国外不少公司还都开发了坐标镗精度级的加工中心。

相对而言，国内生产的高速加工中心快速进给大多在30m/min左右，个别达到60m/min。而直线电机驱动的加工中心仅试制出样品，还未进入产量化，应用范围不广。国内高速加工中心主轴转速一般在6000~18000r/min，定位精度控制在0.008~0.015mm之内，重复定位精度控制在0.005~0.01mm之内。在换刀速度方面，国内机床多在4~5s，无法与国际水平相比[1～3]。

虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步，但与国外同类产品相比，仍存在着不少差距，造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。

国产数控机床与国外产品相比，差距主要在机床的高速、高效和精密上。除此之外，在机床可靠性上也存在着明显差距，国外机床的平均无故障时间（MTBF）都在5000小时以上，而国产机床大大低于这个数字，国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一。

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