數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)(PPT 47頁)

1、第五章第五章 數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu) 基礎(chǔ)大件基礎(chǔ)大件 主傳動系統(tǒng)主傳動系統(tǒng) 進給系統(tǒng)進給系統(tǒng) 刀具系統(tǒng)刀具系統(tǒng) 輔助結(jié)構(gòu)輔助結(jié)構(gòu) 5.1 對數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的基本要求對數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的基本要求 5.2 主傳動系統(tǒng)主傳動系統(tǒng) 5.3 進給傳動系統(tǒng)進給傳動系統(tǒng) 5.4 換刀裝置換刀裝置5.1 對數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的基本要求對數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的基本要求動、靜剛度高動、靜剛度高熱變形小熱變形小傳動靈敏傳動靈敏人性化人性化1.數(shù)控機床應(yīng)具有更高的靜、動剛度數(shù)控機床應(yīng)具有更高的靜、動剛度是指機床結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。是指機床結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。：根據(jù)機床所受載荷性質(zhì)的不同，機床在：根據(jù)機床所受載荷性質(zhì)的不同

2、，機床在 靜態(tài)力（重力、機構(gòu)之間的相互作用靜態(tài)力（重力、機構(gòu)之間的相互作用 力等）作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機床力等）作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機床 的的靜剛度靜剛度；在動態(tài)力（切削力）作用下所表現(xiàn)的剛在動態(tài)力（切削力）作用下所表現(xiàn)的剛 度稱為度稱為動剛度動剛度。影響機床剛度的主要因素是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。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提高動靜剛度的措施 為了提高機床大件的剛度，為了提高機床大件的剛度，采用采用封閉封閉界面界面的床身，并采用的床身，并采用重錘或液力平衡重錘或液力平衡減少移減少移動部件因位置變動造成的機床變

3、形。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)封閉整體箱形結(jié)構(gòu) 為了提高數(shù)控機床主軸的剛度為了提高數(shù)控機床主軸的剛度，不但經(jīng)常采，不但經(jīng)常采用用三支撐結(jié)構(gòu)三支撐結(jié)構(gòu)，而且選用鋼性很好的，而且選用鋼性很好的雙列短雙列短圓柱滾子軸承和角接觸向心推力軸承圓柱滾子軸承和角接觸向心推力軸承，以減，以減小主軸的徑向和軸向變形；數(shù)控車床上加盡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量縮短主軸端部受力懸伸長度懸伸長度以減少所受彎以減少所受彎矩。矩。 為了提高機床各部件的接觸剛度，增加機床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的承載能力，采用刮研的方法

4、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上的接觸點，并在結(jié)合面之間施加足夠大的預(yù)加載荷，以增加接觸面積。這些措施都能預(yù)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。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、提高動態(tài)剛度的方法：提高系統(tǒng)的剛度、增加阻尼增加阻尼以以及及調(diào)整構(gòu)件的自振頻率調(diào)整構(gòu)件的自振頻率等。試驗表明，提高阻尼系數(shù)等。試驗表明，提高阻尼系數(shù)是是改善抗振性改善抗振性的有效方法。的有效方法。 鋼板的焊接結(jié)構(gòu)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，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)控機又可以增加構(gòu)件本身的阻

5、尼。因此，近年來在數(shù)控機床上采用了床上采用了鋼板焊接結(jié)構(gòu)鋼板焊接結(jié)構(gòu)的床身、立柱、橫梁和工作的床身、立柱、橫梁和工作臺。臺。 封砂鑄件封砂鑄件也有利于振動衰減，對提高抗振性也有較好也有利于振動衰減，對提高抗振性也有較好的效果。的效果。 在大件內(nèi)腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，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。性的黏滯彈性材料，涂層越厚，阻尼越大。QC11NJDK數(shù)控液壓閘式

6、剪板機數(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)機架采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，經(jīng)振動消除內(nèi)應(yīng)力，有足夠的強度與剛性應(yīng)力，有足夠的強度與剛性 這是加工大型零件的超重型設(shè)這是加工大型零件的超重型設(shè)備。備。結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點：工作臺徑向采用高精度雙列短工作臺徑向采用高精度雙列短滾子軸承定心；軸向采用每腔滾子軸承定心；軸向采用每腔一泵式恒流靜壓導(dǎo)軌。一泵式恒流靜壓導(dǎo)軌。主傳動箱采用二級機械變速和主傳動箱采用二級機械變速和立式直流電機驅(qū)動。立式直流電機驅(qū)動。橫梁配有卸荷梁；用靜壓卸荷橫梁配有卸荷梁；用靜壓卸荷絲桿升降。絲桿升降。刀架移動采用消除間隙的雙齒刀架移動采用消除間隙的雙齒輪傳動；滑枕移動采用

7、滾珠絲輪傳動；滑枕移動采用滾珠絲桿傳動。桿傳動。機床橫梁、床身和立柱為焊接機床橫梁、床身和立柱為焊接件結(jié)構(gòu)，并采用了阻尼減振措件結(jié)構(gòu)，并采用了阻尼減振措施。施。CK53系列數(shù)控單柱移動立式系列數(shù)控單柱移動立式車床和車銑鏜立式車床車床和車銑鏜立式車床人造大理石床身（混凝土聚合物）圖53德國DEN480L型數(shù)控車床底座和床身示意圖 2.數(shù)控機床應(yīng)有更小的熱變形數(shù)控機床應(yīng)有更小的熱變形圖圖5-1 10m/min進給速度，多次往復(fù)運動時的進給速度，多次往復(fù)運動時的滾柱絲杠發(fā)熱情況，溫度分布圖的溫度顯示滾柱絲杠發(fā)熱情況，溫度分布圖的溫度顯示為為25攝氏至攝氏至40攝氏度，若沒有補償措施，則攝氏度，若沒有

8、補償措施，則將使工件產(chǎn)生嚴重缺陷將使工件產(chǎn)生嚴重缺陷。主軸冷卻風(fēng)管對機床熱源進行強制冷卻1、減少發(fā)熱、減少發(fā)熱2、控制溫升、控制溫升:對機床熱源進行強制冷卻對機床熱源進行強制冷卻3、改善機床機構(gòu)、改善機床機構(gòu):采用熱對稱結(jié)構(gòu)采用熱對稱結(jié)構(gòu)4、絲杠預(yù)拉伸、絲杠預(yù)拉伸 5、熱位移補償、熱位移補償控制熱變形的措施控制熱變形的措施熱對稱結(jié)構(gòu)立柱3.傳動靈敏傳動靈敏：數(shù)控機床運動件之間：數(shù)控機床運動件之間的摩擦要小，要消除傳動系統(tǒng)的間的摩擦要小，要消除傳動系統(tǒng)的間隙，達到低速時無爬行，高速時快隙，達到低速時無爬行，高速時快速響應(yīng)。速響應(yīng)。4 . .數(shù)控機床結(jié)構(gòu)要人性化數(shù)控機床結(jié)構(gòu)要人性化一、主傳動系統(tǒng)作

9、用是將電動機的扭矩或功率傳遞給主軸部件，使安裝在主軸內(nèi)的工件或刀具實現(xiàn)主切削運動。主軸：指帶動刀具和工件旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生切削運動且消耗功率最大的運動軸。二、主傳動系統(tǒng)組成主傳動系統(tǒng)組成：主軸電動機、主軸電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件傳動系統(tǒng)和主軸部件 5.2 主傳動系統(tǒng)主傳動系統(tǒng)三、對主傳動系統(tǒng)的要求三、對主傳動系統(tǒng)的要求 1.足夠的轉(zhuǎn)速范圍足夠的轉(zhuǎn)速范圍2.足夠的功率和扭矩足夠的功率和扭矩3.各零部件應(yīng)具有足夠的精度、各零部件應(yīng)具有足夠的精度、 強度、剛度和抗振性強度、剛度和抗振性4.噪聲低、運行平穩(wěn)噪聲低、運行平穩(wěn) 四、主軸的驅(qū)動方式四、主軸的驅(qū)動方式1.1.采用變速齒輪傳動采用變速齒輪傳動這是大中

10、型數(shù)控機床較常采用的配置這是大中型數(shù)控機床較常采用的配置方式，通過少數(shù)幾對齒輪傳動，擴大方式，通過少數(shù)幾對齒輪傳動，擴大變速范圍?；讫X輪的移位大都采用變速范圍。滑移齒輪的移位大都采用液壓撥叉或直接由液壓缸帶動齒輪來液壓撥叉或直接由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn)。實現(xiàn)。 2.2.采用同步齒形帶傳動采用同步齒形帶傳動這種傳動主要用在轉(zhuǎn)速較高、變這種傳動主要用在轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的機床。它適用于高速范圍不大的機床。它適用于高速低轉(zhuǎn)矩特性的主軸。速低轉(zhuǎn)矩特性的主軸。 3 .3 .用兩個電動機分別驅(qū)動主軸用兩個電動機分別驅(qū)動主軸 這是上述兩種方式的混合傳動，具有上述兩種這是上述兩種方式的混合傳動，具有上述兩

11、種性能性能(見圖見圖5-2c)。高速時，由一個電動機通過帶。高速時，由一個電動機通過帶傳動；低速時，由另一個電動機通過齒輪傳動，傳動；低速時，由另一個電動機通過齒輪傳動，齒輪起到降速和擴大變速范圍的作用，這樣就齒輪起到降速和擴大變速范圍的作用，這樣就使恒功率區(qū)增大，擴大了變速范圍，避免了低使恒功率區(qū)增大，擴大了變速范圍，避免了低速時轉(zhuǎn)矩不夠且電動機功率不能充分利用的問速時轉(zhuǎn)矩不夠且電動機功率不能充分利用的問題。但兩個電動機不能同時工作，也是一種浪題。但兩個電動機不能同時工作，也是一種浪費。費。 4.4.采用主軸電機直接驅(qū)動（一采用主軸電機直接驅(qū)動（一體化主軸，電主軸）體化主軸，電主軸） 主軸與

12、電機轉(zhuǎn)子合二為一，從而使主軸主軸與電機轉(zhuǎn)子合二為一，從而使主軸部件結(jié)構(gòu)更加緊湊，重量輕，慣量小，部件結(jié)構(gòu)更加緊湊，重量輕，慣量小，有效地提高了主軸部件的剛度，提高了有效地提高了主軸部件的剛度，提高了主軸啟動、停止的響應(yīng)特性，目前高速主軸啟動、停止的響應(yīng)特性，目前高速加工機床主軸多采用這種方式，這種類加工機床主軸多采用這種方式，這種類型的主軸也稱為電主軸。型的主軸也稱為電主軸。圖圖5-2 數(shù)控機床主傳動的四種配置方式數(shù)控機床主傳動的四種配置方式a)齒輪變速齒輪變速 b)帶傳動帶傳動c)兩個電動機分別驅(qū)動兩個電動機分別驅(qū)動d)內(nèi)裝電動機主軸傳動結(jié)構(gòu)內(nèi)裝電動機主軸傳動結(jié)構(gòu) 圖圖5-7 內(nèi)裝電動機主軸

13、內(nèi)裝電動機主軸車床用電主軸車床用電主軸銑床用電主軸銑床用電主軸 氯丁橡膠同步帶氯丁橡膠同步帶 聚氨酯同步帶聚氨酯同步帶 圓弧齒工業(yè)同步帶圓弧齒工業(yè)同步帶 雙面齒同步帶雙面齒同步帶五主軸調(diào)速方法五主軸調(diào)速方法 數(shù)控機床常用機電結(jié)合的方法，即同時采數(shù)控機床常用機電結(jié)合的方法，即同時采用電動機和機械齒輪變速兩種方法。其中用電動機和機械齒輪變速兩種方法。其中齒輪減速以增大輸出扭矩，并利用齒輪換齒輪減速以增大輸出扭矩，并利用齒輪換擋來擴大調(diào)速范圍。擋來擴大調(diào)速范圍。 1、電動機調(diào)速、電動機調(diào)速 用于主軸驅(qū)動的調(diào)速電動機主要有直用于主軸驅(qū)動的調(diào)速電動機主要有直流電動機和交流電動機兩大類。流電動機和交流電動

14、機兩大類。 （1）直流電動機主軸調(diào)速）直流電動機主軸調(diào)速 （2）交流電動機主軸調(diào)速）交流電動機主軸調(diào)速 2、機械齒輪變速、機械齒輪變速 數(shù)控機床常采用數(shù)控機床常采用1- 4擋齒輪變速與無級擋齒輪變速與無級調(diào)速相結(jié)合的方式，即所謂分段無級調(diào)速相結(jié)合的方式，即所謂分段無級變速。采用機械齒輪減速，增大了輸變速。采用機械齒輪減速，增大了輸出扭矩，并利用齒輪換擋擴大了調(diào)速出扭矩，并利用齒輪換擋擴大了調(diào)速范圍。范圍。 自動換擋執(zhí)行機構(gòu)是一種電自動換擋執(zhí)行機構(gòu)是一種電機轉(zhuǎn)機轉(zhuǎn)換裝置，常用的有液壓撥叉和電磁離換裝置，常用的有液壓撥叉和電磁離合器。合器。圖23 三位液壓撥叉工作原理圖1、5液壓缸 2活塞桿 3撥

15、叉 4套筒六、六、 主軸部件主軸部件 主軸部件是機床的一個關(guān)鍵部件，它主軸部件是機床的一個關(guān)鍵部件，它包括包括主軸的支承主軸的支承、安裝在主軸上的、安裝在主軸上的傳傳動零件動零件等。等。 對于數(shù)控機床尤其是自動換刀數(shù)控機對于數(shù)控機床尤其是自動換刀數(shù)控機床，為了實現(xiàn)刀具在主軸上的自動裝床，為了實現(xiàn)刀具在主軸上的自動裝卸與夾持，還必須有刀具的卸與夾持，還必須有刀具的自動夾緊自動夾緊裝置、主軸準停裝置和主軸孔的清理裝置、主軸準停裝置和主軸孔的清理裝置裝置等結(jié)構(gòu)。等結(jié)構(gòu)。 1、主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀、主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀主軸端部用于安裝刀具或夾持工件的夾具，在設(shè)計主軸端部用于安裝刀具或夾持工件的夾具，在設(shè)計

16、要求上，應(yīng)能保證定位準確、安裝可靠、聯(lián)接牢固、要求上，應(yīng)能保證定位準確、安裝可靠、聯(lián)接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩。主軸端部的結(jié)構(gòu)裝卸方便，并能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩。主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標準化。形狀都已標準化。(a)車床主軸端部；車床主軸端部；(b)銑、鏜類機床主軸端部；銑、鏜類機床主軸端部；(c)外圓磨床砂輪主軸端部；外圓磨床砂輪主軸端部；(d)內(nèi)圓磨床砂輪主軸端部；內(nèi)圓磨床砂輪主軸端部；(e)普通鏜桿裝在鉆床主軸上的端部；普通鏜桿裝在鉆床主軸上的端部；(f)組合機床主軸端部組合機床主軸端部 2、主軸部件的支承、主軸部件的支承 機床主軸帶著刀具或夾具在支承中作回轉(zhuǎn)機床主軸帶著刀具或夾具在支

17、承中作回轉(zhuǎn)運動，應(yīng)能傳遞切削轉(zhuǎn)矩承受切削抗力，運動，應(yīng)能傳遞切削轉(zhuǎn)矩承受切削抗力，并保證必要的旋轉(zhuǎn)精度。機床主軸多采用并保證必要的旋轉(zhuǎn)精度。機床主軸多采用滾動軸承滾動軸承作為支承，對于精度要求高的主作為支承，對于精度要求高的主軸則采用軸則采用動壓或靜壓滑動軸承動壓或靜壓滑動軸承作為支承。作為支承。下面著重介紹主軸部件所用的滾動軸承。下面著重介紹主軸部件所用的滾動軸承。主軸滾動軸承的配置 前支承采用雙列短圓柱滾子前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和軸承和60角接觸雙列向心角接觸雙列向心推力球軸承，后支承采用成推力球軸承，后支承采用成對向心推力球軸承。能使主對向心推力球軸承。能使主軸獲得較大的徑向和軸向

18、剛軸獲得較大的徑向和軸向剛度，可以滿足機床強力切削度，可以滿足機床強力切削的要求，普遍應(yīng)用于各類數(shù)的要求，普遍應(yīng)用于各類數(shù)控機床的主軸，如數(shù)控車床、控機床的主軸，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等。這數(shù)控銑床、加工中心等。這種配置的后支承也可用圓柱種配置的后支承也可用圓柱滾子軸承，進一步提高后支滾子軸承，進一步提高后支承徑向剛度。承徑向剛度。圖圖5-5-14 數(shù)控機床主軸軸承配置形式數(shù)控機床主軸軸承配置形式 如圖如圖5-14b所示的配置前支承采用多個高精所示的配置前支承采用多個高精度向心推力球軸承，后支承采用球軸承，沒度向心推力球軸承，后支承采用球軸承，沒有如圖有如圖5-14a所示的主軸剛度大，

19、但這種配所示的主軸剛度大，但這種配置提高了主軸的轉(zhuǎn)速，適合主軸要求在較高置提高了主軸的轉(zhuǎn)速，適合主軸要求在較高轉(zhuǎn)速下工作的數(shù)控機床。轉(zhuǎn)速下工作的數(shù)控機床。 目前，這種配置形式在立式、臥式加工中心目前，這種配置形式在立式、臥式加工中心機床上得到廣泛應(yīng)用，滿足了這類機床轉(zhuǎn)速機床上得到廣泛應(yīng)用，滿足了這類機床轉(zhuǎn)速范圍大、最高轉(zhuǎn)速高的要求。為提高這種形范圍大、最高轉(zhuǎn)速高的要求。為提高這種形式配置的主軸剛度，前支承可以用四個或更式配置的主軸剛度，前支承可以用四個或更多個的軸承相組配，后支承用兩個軸承相組多個的軸承相組配，后支承用兩個軸承相組配。配。 如圖如圖5-14c所示的配置形式，前支承采用雙所示的配

20、置形式，前支承采用雙列圓錐滾子軸承，后支承為單列圓錐滾子列圓錐滾子軸承，后支承為單列圓錐滾子軸承。能使主軸承受較重載荷軸承。能使主軸承受較重載荷(尤其是承受尤其是承受較強的動載荷較強的動載荷)，徑向和軸向剛度高，安裝，徑向和軸向剛度高，安裝和調(diào)整性好。但這種配置相對限制了主軸和調(diào)整性好。但這種配置相對限制了主軸最高轉(zhuǎn)速和精度，適用于中等精度、低速最高轉(zhuǎn)速和精度，適用于中等精度、低速與重載的數(shù)控機床主軸。與重載的數(shù)控機床主軸。3、主軸的材料和熱處理、主軸的材料和熱處理 主軸材料可根據(jù)強度、剛度、耐磨性、載荷特主軸材料可根據(jù)強度、剛度、耐磨性、載荷特點和熱處理變形大小等因素來選擇。主軸剛度與點和熱

21、處理變形大小等因素來選擇。主軸剛度與材質(zhì)的彈性模量材質(zhì)的彈性模量E有關(guān)。無論是普通鋼還是合金有關(guān)。無論是普通鋼還是合金鋼其鋼其E值基本相同。因此，對于一般要求的機床值基本相同。因此，對于一般要求的機床其主軸可用價格便宜的中碳鋼、其主軸可用價格便宜的中碳鋼、45鋼，進行調(diào)質(zhì)鋼，進行調(diào)質(zhì)處理后硬度為處理后硬度為2228HRC；當(dāng)載荷較大或存在；當(dāng)載荷較大或存在較大的沖擊時，或者精密機床的主軸為減少熱處較大的沖擊時，或者精密機床的主軸為減少熱處理后的變形，或者需要作軸向移動的主軸為了減理后的變形，或者需要作軸向移動的主軸為了減少它的磨損時，則可選用合金鋼。常用的合金鋼少它的磨損時，則可選用合金鋼。常

22、用的合金鋼有：有：40Cr進行淬硬硬度達到進行淬硬硬度達到4050HRC，或者，或者用用20Cr進行滲碳淬硬使硬度達到進行滲碳淬硬使硬度達到5662HRC。某些高精度機床的主軸材料則選用某些高精度機床的主軸材料則選用38CrMoAl進進行氮化處理，使硬度達到行氮化處理，使硬度達到8501000HV。主電機同步帶同步帶輪主軸同步帶輪圖5-19 加工中心主軸組件圖圖5-5-18 數(shù)控車床主軸組件數(shù)控車床主軸組件七、主軸準停七、主軸準停 主軸準停功能又稱主軸定向功能主軸準停功能又稱主軸定向功能(Spindle Specified Position Stop)，其作用是使主軸每，其作用是使主軸每次都準確地停在固定不變的周向位置上，以保次都準確地停在固定不變的周向位置上，以保證自動換刀時主軸上的端面鍵能對準刀柄上的證自動換刀時主軸上的端面鍵能對準刀柄上的鍵槽，同時使每次裝刀時刀柄與主軸的相對位鍵槽，同時使每次裝刀時刀柄與主軸的相對位置不變，提高刀具的重復(fù)安裝精度，從而可提置不變，提高刀具的重復(fù)安裝精度，從而可提高加工的一致性。高加工的一致性。 另外，一些特殊工藝要求，如在通過前壁小孔另外，一些特殊工藝要求，如在通過前壁小孔鏜內(nèi)壁的同軸大孔，或進行反倒角等加工時，鏜內(nèi)壁的同軸大孔，或進行反倒角等加