臥式銑鏜加工中心數(shù)控技術(shù)
一、概述
臥式銑鏜加工中心體現(xiàn)了國產(chǎn)數(shù)控機床快速發(fā)展，標志著我國數(shù)控機床在數(shù)控技術(shù)上的新突破。產(chǎn)品有小規(guī)格300mm工作臺到大規(guī)格2500mm工作臺，有單工作臺到雙交換工作;有普通型到精密、高速型加中心等等。此次把臥式銑鏜加工中心作為論述的重點，是由于這類產(chǎn)品在我國生產(chǎn)制造已經(jīng)有幾十年的歷史，其制造數(shù)控技術(shù)比較成熟，一般生產(chǎn)機床工作臺規(guī)格都在2000mm以下。上個世紀八十年代開始，由最初國內(nèi)幾家企業(yè)到如今制造該產(chǎn)品的企業(yè)達幾十家，產(chǎn)品技術(shù)水平也有了質(zhì)的飛躍。但在幾十余年的發(fā)展歷程中，該產(chǎn)品雖然在技術(shù)性能、精度、主軸轉(zhuǎn)速及坐標移動速度等方面不斷突破，而在產(chǎn)品規(guī)格上最大也只是2000mm工作臺。大規(guī)格、重大形式臥式銑鏜加工中心近幾年才開發(fā)出來。如今，2500mm或以上規(guī)格工作臺、帶交換工作臺站的重大型臥式加工中心，開創(chuàng)了該類產(chǎn)品歷史先河，為我國航空、航天、軍工、電力、船舶、工程機械和其它機械制造業(yè)行業(yè)提供了大型關(guān)鍵設(shè)備。
二、臥式銑鏜加工中心總體布局的結(jié)構(gòu)特點與數(shù)控技術(shù)分析
本分析只對傳統(tǒng)上刨臺式及十字滑臺式臥式加工中心進分析，不包括落地式及五軸加工中心。
臥式加工中心產(chǎn)品的總體布局有立柱固定式和移動式結(jié)構(gòu);主軸箱有正掛箱和側(cè)掛箱;主軸形式有固定式和移動式，移動式主軸有鏜桿式、滑枕式、平旋盤式等多種結(jié)構(gòu)。
1. 立柱固定式結(jié)構(gòu)
采用立柱固定式結(jié)構(gòu)的機床，其機床布局不外乎有這么幾種形式:
1)立柱固定在床身上，工作臺沿X向、Z向作十字運動，主軸箱沿Y向上下運動。主軸箱可以是正掛箱、側(cè)掛箱兩種形式。此類機床適用于中型復(fù)雜零件的鏜、銑等多工序加工。
2)固定式框架立柱結(jié)構(gòu)，主軸箱沿X、Y向作十字運動，工作臺沿Y向運動。此類機床適用于中小型零件的鏜、銑等多種工序加工。
3)立柱固定在床身上，主軸箱側(cè)掛在立柱上，主軸箱沿Y、Z向作運動，工作臺沿X向運動。此類機床適用于中型零件鏜、銑等多工序加工。
2. 立柱移動式結(jié)構(gòu)
立柱移動式機床特點是整體床身大多呈T字型布局，它包括這么幾種結(jié)構(gòu)形式:
1)床身呈T字布局刨臺式結(jié)構(gòu)，立柱在縱床身上沿Z向運動，工作臺在橫床身上沿X向運動。主軸箱在立柱上有正掛箱、側(cè)掛箱兩種形式，沿Y向運動。這類機床適用于中、大型零件，特別是長度較大零件的鏜、銑等多工序加工。
2)床身呈倒T字形布局結(jié)構(gòu)，立柱在橫床身上作X向運動，工作臺在縱床身上作Z向運動。主軸箱在立柱上有正掛箱、側(cè)掛箱兩種形式，沿Y向運動。這類機床適用于中、大型零件的鏜、銑等多工序加工。
3)床身呈倒十字形布局結(jié)構(gòu)，立柱沿X、Z向十字運動，主軸箱在立柱上作Y向運動，工作臺固定在前床身上。這種機床可適用于中、小型復(fù)雜零件的鏜、銑等多工序加工。
目前，國內(nèi)外臥式加工中心機床布局大多采用T字形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的機床技術(shù)比較成熟。從上述結(jié)構(gòu)布局分析可以看出，一般中、小型機床采用倒T字型結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)機床可配備多個工作臺實現(xiàn)快速交換。運動部件也可高速移動，并能高速切削加工，提高工作效率。而T字形刨臺式結(jié)構(gòu)適用于大、重型機床，可配備雙工作臺交換加工，機床工作的同時可以在待加工區(qū)進行工件的裝夾，提高機床加工效率。這種結(jié)構(gòu)布局可作為柔性單元，搭配自動線構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)。
3. 主軸箱正掛箱結(jié)構(gòu)分析
主軸箱為正掛箱即是主軸箱體在龍門框架式熱對稱立柱中央沿立柱導(dǎo)軌上下移動。由于是正掛箱結(jié)構(gòu)，主軸處于箱體的對稱中心部位，機床運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生箱體溫升變形對主軸軸線位移影響較小。因此，主軸箱為正掛箱的機床更容易保證零件加工精度。而主軸箱體裝在龍門框架立柱內(nèi)部，其裝配工藝復(fù)雜，必須有特殊工藝、工裝才保證主軸箱與龍門式立柱的裝配。這種結(jié)構(gòu)的機床提高了工藝制造成本。
4. 主軸箱側(cè)掛箱結(jié)構(gòu)分析
側(cè)掛箱則是主軸箱側(cè)掛于立柱外側(cè)沿立柱導(dǎo)軌上下移動。立柱一般都是采用封閉式矩形箱型結(jié)構(gòu)，其抗彎、抗扭、抗變形能力較強。由于主軸箱掛于立柱側(cè)面，機床運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生箱體溫升或受其他熱覆射使箱體變形而使主軸軸線產(chǎn)生偏移，影響工件的加工精度。這種結(jié)構(gòu)機床可承受較大的切削力，且裝配較正掛箱相對容易簡單。
加工中心是一種高精度機械加工設(shè)備，以提高零件加工精度為前題。因此，國內(nèi)外企業(yè)的臥式加工中心大多數(shù)采用正掛箱結(jié)構(gòu)。
5. 主軸部件分析
1) 固定式主軸結(jié)構(gòu):
● 機械主軸:當今一般都采用結(jié)構(gòu)緊湊集成主軸組結(jié)構(gòu)，通過獨立伺服電機驅(qū)動，經(jīng)齒輪有級傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于采用齒輪降速傳動，主軸變速范圍大，可實現(xiàn)大扭矩、重切削加工要求。另外還有采用齒型帶同步傳動結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)主軸無級調(diào)速。無論采用哪種傳動的主軸結(jié)構(gòu)，主軸軸徑頭部位置與箱體間存在有間隙。一般在箱體或主軸法蘭藍盤設(shè)計成迷宮式結(jié)構(gòu)，并以氣幕加以保護，避免切削液和粉塵等滲入，以保證主軸的精度和使用壽命。
● 電主軸:這種主軸通常采用內(nèi)藏式電機主軸單元結(jié)構(gòu)，以零傳動的方式實現(xiàn)主軸高速旋轉(zhuǎn)。主軸內(nèi)部裝有編碼器，通過伺服裝置對主軸運轉(zhuǎn)進行控制，可完成主軸準停、急停等功能。由于是電機直接驅(qū)動無傳動鏈，可使主軸達幾萬轉(zhuǎn)或更高轉(zhuǎn)速，并可減少機床的噪聲、發(fā)熱、振動和功率損失。一般適用于切削力小、薄壁、復(fù)雜曲面、精密零件的加工。
2)移動式主軸結(jié)構(gòu):
移動式主軸結(jié)構(gòu)一般用在中、大型機床上。它克服了固定式主軸接長刀桿加工易使刀桿變形而帶來的弊端，通常用以較深孔的鏜削或平面銑削加工。鏜桿或滑枕伸出時會產(chǎn)生撓度誤差，而影響工件加工質(zhì)量，因此，對于采用移動式主軸的機床這是一個比較關(guān)鍵項目。國內(nèi)外企業(yè)對此不斷進行深入研究，采用新材料，改進設(shè)計、工藝，采用主軸集成技術(shù)等方法提高移動部件的剛性，利用控制及補償技術(shù)修正移動誤差來保證加工精度。
● 鏜桿式移動主軸:這種主軸結(jié)構(gòu)可以由獨立伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠拖動鏜軸移動，鏜軸移動位置由位置控制器監(jiān)控。它作為機床一個坐標軸可自行或參與機床坐標聯(lián)動加工。通常定義該軸為W軸。另外還有由液壓系統(tǒng)作為動力，液壓油缸為執(zhí)行元件拖動鏜軸移動。這種結(jié)構(gòu)鏜軸的移動過程沒有位置監(jiān)控，不能成為機床的坐標軸。
● 滑枕式移動主軸:這種主軸結(jié)構(gòu)可以進行滑枕大行程對工件加工，比鏜桿移動式結(jié)構(gòu)達到更深的孔或面的加工。這是由于在滑枕移出的基礎(chǔ)上主軸在滑枕內(nèi)繼續(xù)移出，總行程一般可達1000mm以上。由于滑枕截面是矩形結(jié)構(gòu)，滑枕行程移動的間隙類似于機床矩形導(dǎo)軌其間隙可調(diào)，保證了滑枕運動中的高剛性和可重復(fù)性。因此，它的導(dǎo)向性能和移動精度優(yōu)于純鏜桿移動式主軸結(jié)構(gòu)。
● 平旋盤式主軸:平旋盤可分為固定式和可拆式兩種。固定式平旋盤是安裝在機床上不可拆卸的，而可拆式平旋盤拆卸與否可根據(jù)加工的需要來確定。平旋盤旋轉(zhuǎn)運動是由主電機經(jīng)齒輪傳動完成主切削運動;平旋盤滑塊的徑向進給移動是由伺服電機驅(qū)動，經(jīng)齒輪行星機構(gòu)傳遞完成。平旋盤還可以帶有兩個滑塊同向或反向沿徑向移動，實現(xiàn)進給加工。這種平旋盤結(jié)構(gòu)與普通機床上的平旋盤不同，平旋盤滑塊的進給是由伺服電機控制完成，稱為U軸。平旋盤徑向滑塊上帶有刀具自動夾緊裝置，可實現(xiàn)刀具的自動交換，故稱其為數(shù)控平旋盤。可實現(xiàn)復(fù)雜零件回轉(zhuǎn)面及溝槽的車鏜加工。
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