立式加工中心主轴组件的结构设计开题报告共17页

立式加工中心主轴组件的结构设计

1 综述

1.1 本课题研究的目的和意义

装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。

总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。

加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到了高度重视。本课题的目的是进行立式加工中心主轴组件的结构设计，主轴组件作为加工中心的执行元件，它带动刀具进行切削加工、传递运动、动力及承受切削力等，并需满足相关的技术指标要求。 1.2 本课题拟解决的关键问题

各类机床对其主轴组件的要求，主要是精度问题，就是要保证机床在

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一定的载荷与转速下，主轴能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这一性能。主轴组件的设计和制造，都是围绕着解决这个基本问题出发的。为了达到相应的精度要求，通常，主轴组件应符合以下几点设计要求： 1） 旋转精度

指机床在空载低速旋转时，主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求。目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。 2） 刚度

指主轴组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。刚度不足时，不仅影响加工精度和表面质量，还容易引起振动。恶化传动件和轴承的工作条件。设计时应在其它条件允许的条件下，尽量提高刚度值。 3） 抗振性

指主轴组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率，应尽量提高。 4） 温升和热变形

温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转中心的相对位置发生变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损。 5） 耐磨性

指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式[1]。

设计时应综合考虑以上几项要求，注意吸收新技术，以获得满意的设

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计方案。

1.3 加工中心的发展状况 1.3.1 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，100000r/min。

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。

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。

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。

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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[2～4]。 1.3.2 本课题涉及的主轴部件的研究进展

典型加工中心的机械结构主要有基础支承件、加工中心主轴系统、进给传动系统、工作台交换系统、回转工作台、刀库及自动换刀装置以及其他机械功能部件组成[5]。图1.1所示为立式加工中心结构图。

图1.1 立式加工中心结构图

1-切削箱 2-X轴伺服电机 3-Z轴伺服电机 4-主轴电机

5-主轴箱 6-刀库 7-数控柜 8-操纵面板 9-驱动电柜 10-工作台 11-滑座 12-立柱 13-床身 14-冷却水箱 15-间歇润滑油箱 16-机械手

主轴系统为加工中心的主要组成部分，它由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件成。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统要具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。

主轴组件是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成的。机床加工时，主轴带动工件或刀具参与表面成形运动，所以主轴的精度、刚度和热变形对加工质量和生产效率等有着重要的影响[5]。由于加工中心在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。

机床主轴轴承发展，经历了滚、陶、气浮、磁浮等阶段。滚动轴承发展到陶瓷轴承，即钢球改为陶瓷球，滚道加TiN或CrNi金属。由于陶瓷球具有高刚度、高硬度、低密度以及低热胀和低导热系数等特点，同时所

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用油脂为一次性，终身润滑，大大地提高了滚动轴承的性能，所以被广泛采用[3]。

目前，一般中小规格的数控机床（如车床、铣床、钻镗床、加工中心、磨床等）的主轴部件多采用成组高精度滚动轴承重型数控机床采用液体静压轴承，高精度数控机床（如坐标磨床）采用气体静压轴承，转速达

2~10?104r/min的主轴则可采用磁力轴承或氮化硅材料的陶瓷滚珠轴承。

数控机床的转速高，为减少主轴的发热，必须改善轴承的润滑方式。在数控机床上的润滑一般采用高级油脂封入方式润滑，每加一次油脂可使用7~10年。也有用油气润滑，除在轴承中加入少量润滑油外，还引入压缩空气，使滚动体上包有油膜起到润滑作用，再用空气循环冷却[4]。

2 方案论证

2.1 主轴

主轴是主轴组件的重要组成部分,机床主轴的转速﹑功率﹑动态平衡﹑刚性及热变形特性等对机床的刚性和热稳定性都有相当程度的影响。因此，设计高速数控机床的主轴组件时，主轴应满足高速度和高刚性的要求；设计高精度数控机床时，主轴应满足高精度低温升的要求等[6]。

主轴的主要尺寸参数包括：主轴的直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据时主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适用范围。主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素确定，主轴材料常采用的有45钢、GCr15等，须经渗氮和感应加热淬火[7]。

机床主轴的轴端一般用于安装刀具、夹持工件或夹具。在结构上，应

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