加工中心及其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張朝麟

摘 要：加工中心是一個(gè)高精密、高集成化的設(shè)備，它的技術(shù)水平標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的強(qiáng)弱，加工中心的制造能力和加工能力非常廣泛和強(qiáng)大，并且工件加工過(guò)程中減少裝卸和換刀步驟，這樣體現(xiàn)了加工中心的復(fù)雜程度，加工中心的主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)精度高，同時(shí)也復(fù)雜，它的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給效率非常高，這樣體現(xiàn)了為什么加工中心加工能力強(qiáng)的原因之一。

關(guān)鍵詞：加工中心；主傳動(dòng)系統(tǒng)；進(jìn)給系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TG502 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.加工中心

加工中心的特點(diǎn)就是工序集中、加工精度高、適應(yīng)性非常強(qiáng)、生產(chǎn)效率高、性價(jià)比高、利用生產(chǎn)管理等，以上這些特點(diǎn)相對(duì)于普通機(jī)床而言，加工中心具有刀庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，機(jī)床裝夾后，可以實(shí)現(xiàn)多面位加工。

加工中心的總體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

加工中心的數(shù)控系統(tǒng)主要是由CNC裝置、PLC、伺服驅(qū)動(dòng)裝置這幾個(gè)部分組成，CNC控制系統(tǒng)可以對(duì)加工中心的功能、主軸等分別控制，實(shí)現(xiàn)加工范圍廣的特點(diǎn)。

加工中心的結(jié)構(gòu)可以分為主機(jī)部分和控制部分兩種，主機(jī)部分也就是機(jī)床本體，包括床身、立柱、主軸箱等，控制部分就是對(duì)加工中心控制的各種程序，加工中心的控制系統(tǒng)非常強(qiáng)大，智能化程度也非常高。

加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是剛度高、抗震性好，而對(duì)于機(jī)床剛度的設(shè)計(jì)時(shí)候，機(jī)床抵抗變形能力的計(jì)算公式如下：

式中：

K——機(jī)床剛度，N/um；

F——機(jī)床外部載荷，N；

Y——載荷作用下，機(jī)床或零部件的變形，um。

作用在加工中心上的載荷有很多種，包括夾緊力、切削力、傳動(dòng)力等，對(duì)于這些載荷不同，可以分為靜載荷和動(dòng)載荷。

2.主傳動(dòng)系統(tǒng)

加工中心的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求是調(diào)速范圍要廣、轉(zhuǎn)動(dòng)精度要高、同時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度要強(qiáng)，特別是主軸，主軸部件耐磨性要好。

主傳動(dòng)系統(tǒng)中的主軸變速方式有無(wú)極變速和有級(jí)變速兩種，加工中心的主傳動(dòng)系統(tǒng)為了保證加工時(shí)候可以合理選擇切削用量和保證加工的加工質(zhì)量，一般主傳動(dòng)系統(tǒng)采用無(wú)極變速，但是為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，采用齒輪和電機(jī)無(wú)極調(diào)速的結(jié)合形式，主軸傳動(dòng)分為帶有變速齒輪的主傳動(dòng)，如圖2（a）所示，帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)，如圖2（b）所示，調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，如圖2（c）所示。

而加工中心的變速范圍要大，所以選擇變速齒輪的無(wú)極調(diào)速。

對(duì)于加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)的主軸設(shè)計(jì)時(shí)候，考慮主軸需要定位高、安裝可靠、連接牢固等特點(diǎn)，主軸的結(jié)構(gòu)采用前端7：24的錐孔定位，而主軸的材料選擇時(shí)，由于主軸選擇承載時(shí)候的變形量要小，保證傳動(dòng)精度，選用40Cr作為主軸的材質(zhì)，并且需要對(duì)主軸進(jìn)行熱處理。

加工中心的主軸箱分為低傳速區(qū)和高傳速區(qū)，實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的范圍廣，對(duì)于主軸的計(jì)算，通過(guò)以下公式計(jì)算：

式中：

n——主軸轉(zhuǎn)速，r/min；

P額——電機(jī)的額定功率，kW；

T——主軸所受的轉(zhuǎn)矩，N/m。

最終確定主傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。

3.進(jìn)給系統(tǒng)

對(duì)于加工中心，進(jìn)給系統(tǒng)是一個(gè)非常重要的部分，如果機(jī)床整體結(jié)構(gòu)和精度都非常好，但是沒(méi)有進(jìn)給系統(tǒng)，就不能完成對(duì)零件的加工，加工中心的進(jìn)給系統(tǒng)是數(shù)字控制的直接對(duì)象，工件的坐標(biāo)、工件的輪廓等都是受進(jìn)給系統(tǒng)的控制，所以進(jìn)給系統(tǒng)要滿足以下幾點(diǎn)要求：

（1）傳動(dòng)精度和剛度要高，要達(dá)到這個(gè)要求，進(jìn)給系統(tǒng)中的絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副等零件的精度要高，剛度也要強(qiáng)。

在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，能實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的滾珠絲杠副有3種，滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副、靜壓蝸桿蝸條和齒輪齒條副，靜壓絲杠螺母副摩擦系數(shù)小，但是比滾珠絲杠的轉(zhuǎn)矩小，蝸桿蝸條和齒輪齒條副的傳動(dòng)不夠穩(wěn)定，會(huì)影響加工中心的精度，所以最終加工中心選擇滾珠絲杠螺母副。

（2）摩擦阻力要小，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果摩擦阻力非常大，會(huì)產(chǎn)生摩擦熱，會(huì)影響系統(tǒng)傳動(dòng)效率。

（3）運(yùn)動(dòng)慣量要小，傳動(dòng)元件的慣量對(duì)伺服系統(tǒng)的啟動(dòng)和制動(dòng)都有影響。

結(jié)語(yǔ)

加工中心的技術(shù)要求就是高精度、高轉(zhuǎn)速、高剛度等特性，而要實(shí)現(xiàn)這幾個(gè)要求，就需要從每個(gè)零件著手，主傳動(dòng)系統(tǒng)中的主軸、軸承，進(jìn)給系統(tǒng)中絲杠，這些都是需要去提高，加工中心的整體結(jié)構(gòu)中，主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)是非常重要的，主軸轉(zhuǎn)速不夠，那么加工能力就不行、效率慢，但是加工中心也不能只是提高這兩個(gè)方面，只有綜合提高，才能使加工中心更上一層樓。

參考文獻(xiàn)

[1]陳心昭，權(quán)義魯.現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]范真.加工中心[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3]曹金榜，易錫麟.機(jī)床主軸變速箱設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[4]馬超.機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究及在立柱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D].大連：大連理工大學(xué)，2010.endprint