一种高速卧式加工中心的整机结构设计
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协 作工作 。从 机床 的整体 结构现 状来 看 ，一 个回转 轴一 般都 由工作
０ 前言
目前高速切 削技术被认 为是实现高生产率和 高精 度的关键制造技 术之一 。而作为提供高速加 工中心技术的主体 目 前运 用于汽车工业 、 ３ 高速 卧式加工 中心传 动系统设计相关技术研究分析 航 空航 天工业、模具制造业 、精 密加工、薄壁易变形零 件、难 加工的 ３ ． １ 高 速 电 主 轴 技 术 复合及合金材料 等领域 已开 始广泛应用。 机床 主轴工作主要是 负责传递并承受动 力和 切削工作 ，机床整体 的工作性 能、工作精密度 以及 工作 效率与机床主轴 有着重要的联系 。 １ 高速切 削与高速加工中心概述 高速 卧式加 工中心的主轴的转速通常情况下要达 到 １ ０ ０ ０ ０ ｒ ／ ａ ｒ ｉ ｎ以上 ， 高速切削 以高切 削速度 、高进给速度和高加 工精度 为主要特征 。 铣 削的速度要达 到 ４ ０ ０ ０ ０ ～ ５ ０ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ 。 目前看来 ，这些速 度仍有上升 高速加 工技术作为近年来迅 速发展的一项高新技术 ，因其可 以大幅度 的趋势 。所 以要想提升卧式加 工中心的速度 ，高速主轴 是设计中重要 提高机 床的加工效率 、降低加 工成本、提高零件 的加 工表面 质量和加 的一个环节 。 工精度一 即提 高生产率 。 在 国际上通常采用的高速、高效、高性能的数控机床主要是电主轴 实现 加工的高速性 能最主 要是 对高速切削机床 的研 究和 开发。实 单元 ， 见下 图。电主 轴单元在多工件复合加工机床、并联机床、多轴联 现高 速加工中心高速 、高效 、高精 、复合化的发展趋势对机 床的设计 动多面体加工机床以及柔性加工单元中，有着不可比拟的优势体现。 理论 、方 法和技术手段 等层 面都提 出了新 的要求。 电主轴 它是通过 内装 电机 进行 直接的驱动工作 ，由电机组件、测 从 世 界 上 的 加工 中心 目前 的 发 展趋 势 来 看 ，主要 向着 高 速、 角 系统 、外壳、轴承等部分组 成，与 此同时还有冷 却系统和润滑系统 精 密 的 方 向发 展 。以德 国 ＤＭＧ 公 司生 产 的 高速 立 式加 工 中心 为 配备而成 。 例 ，该加 工中心 的主 轴转速 高达 ４ ２ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ，快 速移动 速度可 达到 主轴 的转速特征值一般可 以用 来衡量主轴转速特 性 ，它的计算公 ９ ０ ｍ／ ｍ ｉ ｎ ，体现 了 国际一流 加工 中心 的水 平 。与 世界 上 的发达 国家 式为 ：转速特征值 ＝轴径 × 转速 。 的数控 加工技 术中心 技术 研究 相比 ，我国还 处于较 为落 后的 阶段 ， 目前 的滚 珠轴 承 运转 速度 可 以达 到 １ ×，磁浮 轴承 的运 转 速度 有 着较大 的发 展空 间。 目前 国 内加工 中心 机床 的主轴 转速在 ６ ０ ０ ０ ｒ ／ 可 以达 到 ４ ×。轴 径 为 ３ ０ ａ ｒ ｍ 的 最 高 的运 转速 度 可 以达 到 ３ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ｒ ／ ｍｉ ｎ到 １ ６ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍｉ ｎ的范 围内 ，快 速移 动的速度在 ３ ０ ｍ／ ｍｉ ｎ到 ４ ０ ｍ／ ｍｉ ｎ 一１ ３ ０ ０ Ｏ ｆ ／ ａｉ ｒ ｎ 。 ａｉ ｒ ｎ的范 围内 。综 上所 述 国内与 国外相 比高速 加工 中心还 存在着 技 轴承 的零件好坏能够直接 影响到主轴 的运转速 度。在国外对轴承 术 、产 品性能 上的落 后 ，有 关 的结构设 计 的理论及 技术研 究还有 缺 以及 抽成 的分布预防都 已经进 行了对应的测试 ，探 寻最高运转速度下 乏之 处 。 的最大轴 承选择 。在加工结构 零件的时候 ，想要提 高效率 ，就要选择 功率大 的电机来提升金属去 除率 ，而金属去 除率和 功率有着直接 的关 ２ 高速 卧式加工中心的结构布局分析 系 ，想要有 大的功率 ，电机就会大 ，紧接着 电机大会带 来大传动轴和 对机 床的形式进行选择 ，对机 床的机构布置主要是对机 床安排在 刀具 系统 ，轴承越大主轴 的转速就会变低 。所 以在 进行高速卧式加 工 各 个的部件所在位置 ，并合理 分配运动 。机床机构 的好 坏对 机床的工 中心 的整 机结构设计时 ，要考 虑的是轴承与速度 相协调的最大速度和 艺方案 实现有着重要影 响，零件和 部件也是在此基础之 上进 行设计 ， 效率 ，从而进一步选择满足 高速 的结 构设计的需求。 在整体机床 的设计 中影 响较大 。 ３ ． ２ 高速进给 系统设计 卧式 加工 中心 的主要 运动 包括 三个移 动轴 （ ｘ 、Ｙ 、Ｚ ）和 一个 高速进 给系 统是 高速 卧式加 工中心 整机 机构 的一个 重要组 成部 回转轴 （ Ｂ轴 ），在 四个运 动轴 的分 配上 ，四个 相对运 动有 三种 分 配 方式 ，一是 分配给 道具 ，二是 分配给 工件 ，三是 道具和 工件 相互 分 。在高速 加工中心的技术不 断发展的今天 ，高速 进给系统也再不 断
工 业 技 Leabharlann 一山 泉工案 技术
３ ３
种高速卧式加工 中心的整机结构设计
李 永强 （ １ ．兰州理工 大学机 电工程学院；２ ． 兰州理工大学技术工程 学院 ， 兰州 ７ ３ ０ ０ ５ ０ ）
摘 要：高 速 加工 中心 高速 、高效 、高精 、复合化 的发 展趋势对机床 的设计 理论 、方法和技术手段等层 面都提 出 了 新 的要 求，本文以 高速 卧式 加 工中心传动 系统设计 过程 中高速 电主轴技 术和高速进给 系统设 计为主要对象 ，在 系统研究的基础上 ，对相关技 术进行 了分析 。 关键词 ：高速 卧式加 工中心；结构设 计；研 究分析
０ 前言
目前高速切 削技术被认 为是实现高生产率和 高精 度的关键制造技 术之一 。而作为提供高速加 工中心技术的主体 目 前运 用于汽车工业 、 ３ 高速 卧式加工 中心传 动系统设计相关技术研究分析 航 空航 天工业、模具制造业 、精 密加工、薄壁易变形零 件、难 加工的 ３ ． １ 高 速 电 主 轴 技 术 复合及合金材料 等领域 已开 始广泛应用。 机床 主轴工作主要是 负责传递并承受动 力和 切削工作 ，机床整体 的工作性 能、工作精密度 以及 工作 效率与机床主轴 有着重要的联系 。 １ 高速切 削与高速加工中心概述 高速 卧式加 工中心的主轴的转速通常情况下要达 到 １ ０ ０ ０ ０ ｒ ／ ａ ｒ ｉ ｎ以上 ， 高速切削 以高切 削速度 、高进给速度和高加 工精度 为主要特征 。 铣 削的速度要达 到 ４ ０ ０ ０ ０ ～ ５ ０ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ 。 目前看来 ，这些速 度仍有上升 高速加 工技术作为近年来迅 速发展的一项高新技术 ，因其可 以大幅度 的趋势 。所 以要想提升卧式加 工中心的速度 ，高速主轴 是设计中重要 提高机 床的加工效率 、降低加 工成本、提高零件 的加 工表面 质量和加 的一个环节 。 工精度一 即提 高生产率 。 在 国际上通常采用的高速、高效、高性能的数控机床主要是电主轴 实现 加工的高速性 能最主 要是 对高速切削机床 的研 究和 开发。实 单元 ， 见下 图。电主 轴单元在多工件复合加工机床、并联机床、多轴联 现高 速加工中心高速 、高效 、高精 、复合化的发展趋势对机 床的设计 动多面体加工机床以及柔性加工单元中，有着不可比拟的优势体现。 理论 、方 法和技术手段 等层 面都提 出了新 的要求。 电主轴 它是通过 内装 电机 进行 直接的驱动工作 ，由电机组件、测 从 世 界 上 的 加工 中心 目前 的 发 展趋 势 来 看 ，主要 向着 高 速、 角 系统 、外壳、轴承等部分组 成，与 此同时还有冷 却系统和润滑系统 精 密 的 方 向发 展 。以德 国 ＤＭＧ 公 司生 产 的 高速 立 式加 工 中心 为 配备而成 。 例 ，该加 工中心 的主 轴转速 高达 ４ ２ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ，快 速移动 速度可 达到 主轴 的转速特征值一般可 以用 来衡量主轴转速特 性 ，它的计算公 ９ ０ ｍ／ ｍ ｉ ｎ ，体现 了 国际一流 加工 中心 的水 平 。与 世界 上 的发达 国家 式为 ：转速特征值 ＝轴径 × 转速 。 的数控 加工技 术中心 技术 研究 相比 ，我国还 处于较 为落 后的 阶段 ， 目前 的滚 珠轴 承 运转 速度 可 以达 到 １ ×，磁浮 轴承 的运 转 速度 有 着较大 的发 展空 间。 目前 国 内加工 中心 机床 的主轴 转速在 ６ ０ ０ ０ ｒ ／ 可 以达 到 ４ ×。轴 径 为 ３ ０ ａ ｒ ｍ 的 最 高 的运 转速 度 可 以达 到 ３ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ｒ ／ ｍｉ ｎ到 １ ６ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍｉ ｎ的范 围内 ，快 速移 动的速度在 ３ ０ ｍ／ ｍｉ ｎ到 ４ ０ ｍ／ ｍｉ ｎ 一１ ３ ０ ０ Ｏ ｆ ／ ａｉ ｒ ｎ 。 ａｉ ｒ ｎ的范 围内 。综 上所 述 国内与 国外相 比高速 加工 中心还 存在着 技 轴承 的零件好坏能够直接 影响到主轴 的运转速 度。在国外对轴承 术 、产 品性能 上的落 后 ，有 关 的结构设 计 的理论及 技术研 究还有 缺 以及 抽成 的分布预防都 已经进 行了对应的测试 ，探 寻最高运转速度下 乏之 处 。 的最大轴 承选择 。在加工结构 零件的时候 ，想要提 高效率 ，就要选择 功率大 的电机来提升金属去 除率 ，而金属去 除率和 功率有着直接 的关 ２ 高速 卧式加工中心的结构布局分析 系 ，想要有 大的功率 ，电机就会大 ，紧接着 电机大会带 来大传动轴和 对机 床的形式进行选择 ，对机 床的机构布置主要是对机 床安排在 刀具 系统 ，轴承越大主轴 的转速就会变低 。所 以在 进行高速卧式加 工 各 个的部件所在位置 ，并合理 分配运动 。机床机构 的好 坏对 机床的工 中心 的整 机结构设计时 ，要考 虑的是轴承与速度 相协调的最大速度和 艺方案 实现有着重要影 响，零件和 部件也是在此基础之 上进 行设计 ， 效率 ，从而进一步选择满足 高速 的结 构设计的需求。 在整体机床 的设计 中影 响较大 。 ３ ． ２ 高速进给 系统设计 卧式 加工 中心 的主要 运动 包括 三个移 动轴 （ ｘ 、Ｙ 、Ｚ ）和 一个 高速进 给系 统是 高速 卧式加 工中心 整机 机构 的一个 重要组 成部 回转轴 （ Ｂ轴 ），在 四个运 动轴 的分 配上 ，四个 相对运 动有 三种 分 配 方式 ，一是 分配给 道具 ，二是 分配给 工件 ，三是 道具和 工件 相互 分 。在高速 加工中心的技术不 断发展的今天 ，高速 进给系统也再不 断
工 业 技 Leabharlann 一山 泉工案 技术
３ ３
种高速卧式加工 中心的整机结构设计
李 永强 （ １ ．兰州理工 大学机 电工程学院；２ ． 兰州理工大学技术工程 学院 ， 兰州 ７ ３ ０ ０ ５ ０ ）
摘 要：高 速 加工 中心 高速 、高效 、高精 、复合化 的发 展趋势对机床 的设计 理论 、方法和技术手段等层 面都提 出 了 新 的要 求，本文以 高速 卧式 加 工中心传动 系统设计 过程 中高速 电主轴技 术和高速进给 系统设 计为主要对象 ，在 系统研究的基础上 ，对相关技 术进行 了分析 。 关键词 ：高速 卧式加 工中心；结构设 计；研 究分析
