多轴箱传动设计

多轴箱传动设计 摘要 本次设计任务是组合钻孔工序的工装设计箱体结合件的加工工艺、液压控制系统设计、组合机床设计、多轴箱传动设计。 在组合钻孔工序的工装设计过程中，结合实例，介绍了夹具设计方法，确定了箱体结合件的加工，特别是对孔的加工精度进行了探讨;在液压控制系统设计过程中，以双面钻孔组合机床为对象，依据液压系统设计的基本原理，拟出合理的液压系统图。通过系统主要参数的计算确定了液压元件的规格;在组合机床设计过程中，结合具体实例和设计经验, 阐述了通用件(如液压滑台，动力箱等)的选取及专用部件(如多轴箱)的设计计算;多轴箱传动设计过程，是根据动力箱驱动轴位置和转速)各主轴位置及其转速要求,设计传动链,把驱动轴与主轴连接起来,使各主轴获得预定的转速和转向. 关键词:组合机床 多轴箱 工艺 钻夹具 液压传动 1 Abstract The design task is to mix the drilling process tooling design of the box with processing technology, hydraulic control system design, combined machine tool design, multi-drive axle box design. In the composition of the drilling process tooling design process, with examples, introduced a fixture design methods to determine the box with the processing of the programme, especially for the processing precision hole was discussed;this paper introduces experiences of attachment design by using a practical example(It focuses on discussing how to improve the precision of hole position; using two sides bore modular machine tool as an object, according to the basic principle of the hydraulic system design, formulates the reasonable schematic diagram, the hydraulic pressure part specification through computation of the system main parameters is determined; Some designing examples are analyzed in this paper, and the considerations are discussed for designing compo site tools for machining holes during designing combination machine tool, such as general parts‘ (hydraulic slippery platform, driving force box, etc) selection and special use components‘ (main spindle box) design , Multi-axle box transmission design is based on the rotational speed and power boxes Qudongzhou location and the main location and its rotational speed, the design of transmission chain, with the main axis Qudongzhou link to the main axis of the rotational speed and was scheduled to. Key words: combination machine tool hydraulic transmission axle boxes handicraft drills clamp 2 目 录 摘要……………………………………………………………………1 关键词………………………………………………………………1 Abstract ………………………………………………………………2 Keywards ………………………………………………………………2 主要符号表:……………………………………………………………6 第1章引言………………………………………………………7 1.1本课题提出的背景及意义………………………………………7 1.2国内研究情况…………………………………………………7 1.3本论文主要内容…………………………………………………9 第2章 钻夹具设计………………………………………………10 2.1 工艺方案的拟定………………………………………………10 2.2箱体结合件钻孔组合机床夹具分析…………………12 2.3 定位夹紧方案的确定…………………………………………13 2.4 刀具选择及切削用量的选取…………………………………14 2.5 夹具体设计…………………………………………………18 第3章 组合机床总体设计………………………………………22 3 3.1 被加工零件工序图……………………………………………22 3.2 加工示意图…………………………………………………24 3.3 机床联系尺寸图………………………………………………26 3.4 机床分组………………………………………………30 第4章 液压系统设计………………………………………… 32 4.1液压压紧系统设计………………………………………32 4.2 钻削进给液压系统设计……………………………………35 第5章 多轴箱的设计………………………………42 5.1引言……………………………………………………… 42 5.2绘制多轴箱设计原始依据图…………………………………42 第6章 经济性分析……………………………………………… 58 6.1箱体结合件加工工艺的制定:…………………… 58 6.2 夹具定位加紧分析: …………………………………………58 6.3组合机床应用分析:…………………………………………… 59 第七章 结论和展望………………………………………… 60 参考文献……………………………………………………………62 4 致谢…………………………………………………………………… 63 附录…………………………………………………………………… 64 5 主要符号表 符 号 单 位 意 义 M 牛.米 弯矩 F 牛 力 n 转每分 转速 Z 齿数 m 模数 d 毫米 直径 v 米每秒 速度 S 转每毫米 进给量 L 毫米 长度 P 千瓦 功率 T 牛.米 扭矩 q 升每分 流量 p 帕 压力 t 秒 时间 6 第1章 引言 1.1本课题提出的背景和意义 毕业设计是培养学生综合运用本学科的基本理论、专业知识和基本技能，提高分析与解决实际问题的能力，完成师的基本训练和初步培养从事科学研究工作的重要环节。 毕业设计内容一般应包括工作和组织、检索与阅读中外文献资料、调查研究、方案比较选择、设计与计算、综合分析、计算机绘图、实验研究、方案模拟抽象、数据处理、程序开发、总结提高、撰写等。根据专业培养目标的不同或课题要求不同，可有所侧重。学生能力的培养与理论教学一样应遵循因材施教的原则，不要一刀切。在保证基本教学要求的前提下，可以做毕业论文或理论专著的评释，使学生受到初步的科学研究的基本训练;也可以做一些模拟性的工程设计、试验研究课题，让学生获得一定的独立工作的初步练习。 1.2国内研究现状 目前国内生产的立式钻床，按最大钻孔直径分有16、25、35、40和63mm六种规格，近几年来出现的新一代立式钻床已开始向模 7 块化和数控化等方面发展，但总的来看，我国立式钻床产品仍是品种单调，技术落后，不能适应机械制造业发展的要求。例如，钻孔加工行业的钻架、标准块，要求同时加工两个孔、四个孔，孔距一致性达到+0.005mm,并且规格多变，因此急需可调双轴钻或数控化钻床;如何使专用机床能用通用机床来代替，也是立式钻模化设计的新课题，很多机械制造企业在技术改造中，由于选用不到合适的通用机床，不得不采用专机。针对组合机床的功能及特点,它是大批量机械产品实现高效、高质量和经济性生产的重要设备。 而专用机床制造成本高，而且当零件尺寸有变化时几乎不可调整，给选择设备带来很大的困难在振兴机床工业的形势下，卧式钻床也是很有发展前途的，今后它将向多功能、数控化、数显化、全自动方向发展，因此设计一台孔加工专用机床将带来很大的挑战。 随着市场经济的发展,作为组合机床的主要应用对象,如汽车、拖拉机、发动机、摩托车及其发动机等行业有了更深刻的变化,产品寿命周期不断缩短,品种日益增多。加工产品不同,组合机床不同,多轴箱也不同。这要求工程技术人员要不断地提高产品的开发能力,以满足 8 市场要求。因此,如何高效、高质量地设计出多轴箱已经成为组合机床厂家的追求目标。 本文以箱体结合件的加工为例，阐述了工艺、工装、组合机床以及多轴箱的设计过程及其与经济效益之间的关系。 1.3本论文的主要内容 本文从五个个方面即组合钻孔工序的工装设计箱体结合件的加工工艺、液压控制系统设计、组合机床设计、多轴箱传动设计对箱体结合件的制造做了详细的阐述，简要说明了现代制造工艺和制造设备与箱体的关系。 9 第2章 钻夹具设计 2.1 工艺方案的拟定 2.1.1 定位分析、基准选取及制定工艺路线 图2-l箱体结合件图 根据生产纲领，该零件属于大批大量生产，因此采用砂型铸造的方法来进行毛坯生产。该零件的各个表面均为毛坯面，为加工需要，先加工一基准面为后备工序做准备。该箱体结合件分为箱体和箱盖两部分，箱体外形面有侧面A、端面M、底面B，依据便于装夹的原 10 则及利于后续加工的原则，确定箱体底面B作为多道工序加工的基 准面。 由以上分析: 2.1.2 粗基准的选择 以F面为粗基准，定位装夹简单可靠。 2.1.2 选择精基准 从各个表面的精度位置进行分析: 11 以B面作为精基准，这样在后续加工过中，装夹方便可靠，又能满足加工要求。其它各面的加工精度虽然比基准面要高，但与基准面无特殊的形位公差，因此只需一次粗加工即可。 其中钻φ5.2光孔，攻制6螺钉M6X30螺纹孔与粗、精铣两侧面两工序采用双面复合式多工位铣刀，一次加工完成;钻孔和攻制螺纹孔的工序建议采用组合机床，可以大大提高加工效率;镗孔工序采用多工位镗刀，一次完成加工。 2.2箱体结合件钻孔组合机床夹具分析 2.2.1 根据工件不同的生产条件，可以有各种不同的安装方法:a)找正安装法(b)夹具安装法( 2.2.2 基本定位原理分析: 这里讨论6点定位中，6个自由度的消除，以便找出较合适的定位夹紧方案(一个物体在空间可以有6个独立的运动，即沿X、y、Z轴的平移运动，分别记为 。X1、Y1、Z1;绕X、y、Z轴的转动，记为x 、y 、z ，习惯上，把上述6个独立运动称作6个自由度(如果采用一定的约束措施，消除物体的6个自由度，则物体被完全定位(例 12 如讨论长方体工件时，可以在底面布置3个不共线的约束点，在侧面布置2个约束点，在端面布置一个约束点，则底面约束点可以限制X2、Y2 、Z2 3个自由度，侧面约束点限制X1、Z12个自由度，端面约束点限制y。这个自由度，就完全限制了长方体工件6个自由度( 2.2.3 夹紧力“两要素”，方向与作用点 夹紧力方向应朝向定位元件，并使所需的夹紧力最小(确定夹紧力作用点的位置时应不破坏定位(夹紧力作用点的位置应尽可能靠近加工部位，以减小切削力绕夹紧力作用点的力矩，防止工件在加工过程中产生转动或震动(应保证夹紧变形不影响加工精度(夹紧力作用点数目应使工件在整个接触面上受力均匀，接触变形小( 2.3 定位夹紧方案的确定 如图2-1所示，此元件属于箱体类元件。一般的定位方法有:一面两销定位法和两面一销定位法。通过比较分析决定采用两面一销定位法。在钻孔加工时，底面和侧面采用定位板进行定位，端面采用定位钉来限制工件自由度。通过分析发现，该工件被完全定位。 13 2.4 刀具选择及切削用量的选取 2.4.1 技术分析 孔的类型:螺纹孔M6 精度等级:6H 材料: 灰铸铁 硬度: HB190 左端面为通孔 加工深度L=10mm 右端面为盲孔 加工深度L=15mm 2.4.2刀具选择: 一般的钻头类型决定于加工性质，被加工孔的位置，工件材料，生产批量及经济性等。此工序中的螺纹孔无特别加工要求，属于直径小、深度浅、生产批量大、材料为常用铸铁。参考《组合机床设计》P500所述，推荐使用标准高速锥柄麻花钻。但采用这种钻头，由于其倒锥度大，钻头与钻套间隙也较大，故组合机床上的位置精度较低，大约0.2左右。若想提高精度，可采用以下几项措施: (1) 适当选取导向套到工件表面距离及导套长度。 (2) 减少导向套和钻头间隙。 (3) 减少钻头的制造公差和倒锥度。 14 此外，还可采用硬质合金锥柄锪直柄麻花钻，这可提高钻头的耐用度，但其切削速度要提高，走刀量也比高速钢钻头低。 2.4.3切削用量的选取: 由于组合机床有大量刀具同时工作，为了使机床正常工作，不经常停车换刀，而达到较高的生产率。所选择的切削用量比一般通用机床的切削用量要低一些。总体上说:在采用多轴加工的组合机床的切削用量和切削速度要低一些。根据现有组合机床使用情况，多轴加工的切削用量比通用机床单刀加工的切削用量约30%左右。 查阅《组合机床设计》P47表2-7 加工直径:d=5.2mm 切削速度:v=12m/min n=732r/min 进给量: f=0.1mm/r 钻头实际参数，查阅《金属机械加工工艺人员手册》P838表10-22续: 2.4.4工作行程的确定和钻模板的设计 (1)钻模板设计: 钻模是用来保证工件孔系的位置精度的。他应有足够的强度和 15 刚度，避免因变形而影响钻套的导向精度。在组合机床孔加工工序中，除采用刚性主轴加工方法外，多数情况下都让切削刀具在导向装置中工作。在本道孔加工工序中因主轴为非刚性主轴，故采用钻模导向装置，其作用是: 1)保证刀具对工件的正确位置。 2)保证各刀具相互间的正确位置。 3)提高刀具系统的支承刚度。 已知钻头直径d=5.2mm，参照《组合机床设计》P221表3-3，选择钻模板厚度为L=22mm。钻模板形式为固定式钻模板，钻套采用可换式钻套，这样便于磨损后可以快速更换。钻套、衬套、钻套螺钉其具体参数具体参数《机床夹具设计手册》 P298:可换钻套 图2-1-46 P308:钻套用衬套 图2-1-85 内径:d=12mm ;外径:D=16mm P310:钻套用螺钉 图2-1-60 M6 钻模板与被加工零件之间的距离不宜过大，取4mm。 16 (1) 工作行程的确定: 在本道工序加工过程中，采用组合机床进行加工，各动力头工作情况一样，故其工作循环也一样: 由于被加工孔无特殊要求，故采用图示工作循环方式: 图2-1 工作行程图 设计过程中注意的因素: 1)工件为大批大量生产，加工效率要求很高，要求每次加工耗时少，因此。快进距离不宜过长。 2)钻孔过程中，无需考虑孔内壁是否有直线痕或螺旋痕。 3)每次钻孔前至少在加工表面前3mm处开始工进。 Lmm,，,15318从而确定: 工进距离 工 Lmm,30考虑到大批量生产、导向原因等因素取 快 17 Lmm,48 快退距离 退 2.4.5 主轴尺寸类型及接杆选择 主轴尺寸详见第五章主轴箱设计。 接杆:查《组合机床简明设计手册》P174 表8-2，采用特长可调接杆。 2.5 夹具体设计 2.5.1 定位支撑的选择 根据前面所述，本工序采用两面一销的定位方式，即底面限制三个自由度;侧面为一窄长平面限制两个自由度;端面为一定位销限制一个自由度。 结合实际生产情况:批量大，生产率高。这样的话，加工过程中，会频繁的移动工件位置，对定位表面产生摩擦，定位精度减低，夹具体使用寿命减低。基于这种情况，在实际过程中，采用面支撑板代替底面定位支撑。这样更换较方便，成本较低，同样侧面用以支撑板代替，端面仍是用定位销定位。 选用支撑板及销的情况如下图: 18 图2-2 定位元件 支撑板的选用参照《机床夹具设计手册》P272图2-1-10 支撑钉的选用参照《机床夹具设计手册》P271图2-1-9 2.5.2 夹具结构设计及尺寸确定 (1)设计原则 由于此工件为大批大量生产，需满足以下几点要求: 1) 安装方便，夹紧迅速可靠 2) 结构刚度好 3) 夹具设计误差小最好采用一体结构。 19 (2)方案确定 图 2-3 钻孔工序的定位与夹紧示意图 基于以下设计原则及定位夹紧情况，结合实际生产活动中所使用的组合夹具情况，采用箱式夹具体结构，并采用液压夹紧机构: 结构特点: 1)各定位面之间的位置精度好: 由于夹具采用箱体式结构，个面之间的精度要求可通过后期加工来保证，可消除分散机构因装配产生的装配误差。 2)结构简单: 采用这种结构，钻模板可以直接安装在箱壁上;液压压紧装置置于顶部，向下压紧工件，操作方便。 20 1)尺寸的确定: 由上述可知，箱体侧壁与工件加工表面之间的距离为4mm，具体结构如下: 图 2-4 夹具结构图 箱体壁厚:经验值推荐25-30mm，由于箱体顶部承受工件压紧力反作用力，选用26mm壁厚来保证其强度。两侧厚度根据钻模板类型选取25mm壁厚，被保证其强度要求采用加强肋板结构。 21 第3章 组合机床总体设计 机床的总体设计就是绘制组合机床―三图一卡‖，就是针对具体零件，在选定的工艺和结构方案的基础上，进行组合机床总体方案图样设计。其内容包括:绘制加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图和绘制生产功率计算卡等。 3.1 被加工零件工序图 3.1.1 被加工零件工序图的作用与内容 被加工零件工序图是在被加工零件图基础上，突出本机床或自动线的加工内容，并作必要说明而绘制的。其主要内容包括如下: (1)被加工零件的形状和主要轮廓尺寸以及与本机床设计有关部位结构形状和尺寸。 (2)本工序选用的定位基准、夹紧部位及方向。 (3)本工序加工表面的尺寸、精度、表面粗糙度、形位公差等技术要求以及上道工序的技术要求。 (4)注明加工零件的名称、编号、材料、硬度以及加工部位的余量。 22 钻箱体结合件两端面孔的被加工零件工序图如图3-1所示. 图3-1 被加工零件工序图 3.1.2 绘制被加工零件图的规定及注意事项 (1)绘制被加工零件工序图的规定 为使被加工零件工序图表达清晰明了，突出本工序内容，绘制时规定;应按一定比例，绘制足够的视图以剖面;本工序加工部位用粗实线表示，其余部位用细实线表示;定位基准符号用，并下标数表明消除自由度量。 23 (2)绘制被加工零件工序图注意事项: 1)本工序加工部位的位置尺寸应与定位基准直接发生关系。 2)对工件毛坯应有要求，对孔的加工余量应认真分析。 3)当本工序有特殊要求时必须注明。 3.2 加工示意图 3.2.1 加工示意图的作用和内容: 加工示意图是在工艺方案和机床整体方案初步确定的基础上绘制的。是表达工艺方案具体内容的机床工艺方案图。它是绘制机床联系尺寸图的主要依据;是对机床总体布局和性能的原始要求;也是调整机床和刀具所必需的重要技术文件。 3.2.2选择刀具、导向及有关计算 (1)刀具的选择: 工件材料为HT200，钻孔加工，选用锥柄麻花钻。 (2)导向结构的选择: 夹具选用可换钻套，轴采用刚性轴来保证孔的位置精度。 (3)确定主轴类型、尺寸、外伸长度(见第五章多轴箱设计) 24 (4)选择接杆 除刚性主轴外，组合机床主轴与刀具间常用接杆连接。根据选用原则选取特长可调接杆。 (5)标注联系尺寸 (6)标注切削用量: 各主轴的切削用量应标注在相应主轴后端。其内容包括:主轴 转速、相应刀具的切削速度、每转进给量。 (7)动力部件工作循环及行程的确定 动力部件的工作循环是指加工时，动力部件从原始位置开始运动到终了位置，又返回到原位的动作过程。 L1)工作进给长度的确定 工 LLLL=+， =18mm 工12 LLL:工作进给长度 :切入长度 :加工长度 :切出长度 L工12 2)快速引进长度的确定:快速引进是指动力部件把刀具送到工作进给位置，其长度由具体情况确定。本工序选取快速引进长度为30mm。 25 3)快速退回长度的确定:快速退回长度是快速引进长度和工作进给长度之和。本工序为48mm。 4)动力部件总行程的确定:动力部件总行程为快退行程和前后备量之和。总行程为215mm前备量为30mm，后备量为137mm。 图 3-2 加工示意图 3.3 机床联系尺寸图 3.3.1 机床联系尺寸图作用和内容 机床联系尺寸图是以被加工零件工序图和加工示意图为依据，并按初步选定的主要通用部件以及确定专用部件的总体结构而绘制的。是用来表示机床的配置形式、主要构成及各部件安装位置、相互关系、运动关系和操作方位的总体布局图。 26 机床联系尺寸总图表示的内容: 1)表示机床的配置形式和总布局。 2)完整齐全的反映各部件之间的主要装配关系和联系尺寸、专用部件的主要轮廓尺寸、运动部件的运动极限位置及滑台工作循环总的工作行程和前后备量尺寸。 3)标注主要通用部件的规格代号和电动机型号、功率及转速，并标出机床分组编号及组件名称，全部组件应包括机床全部通用及专用零部件。 4)标明机床验收标准及安装规程。 3.3.2 绘制机床尺寸联系总图之前应确定的内容: (1)选择动力部件 动力部件的选择主要是确定动力箱和动力滑台。根据已定的工艺方案和机床配置形式并结合使用及修理因素，确定机床为卧式单工位液压传动组合机床，选用配套的动力箱驱动多轴箱钻孔。 动力箱规格与滑台要匹配，其驱动功率主要依据是根据多轴箱所传递的且学功率来选用。本机床左右多轴箱均采用TD25-B型动力 27 n箱(=785r/min;电动机选Y100L1-4型，功率为2.2KW q 根据选定的切削用量，计算总的进给力，根据所需的最小进给速度、工作行程、结合多轴箱轮廓尺寸，考虑工作稳定性，选用HY25B-I 型液压滑台，以及相配套的侧底座(1CC251型)。查《组合机床简明设计手册》P91表5-1 滑鞍宽度:w=250mm 滑鞍长度:L1=500mm 行 程:S=250mm 滑座长度:L2=790mm 高 度:H=250mm 工进速度:32-800mm/min 快进速度:12m/min (2)确定机床装料高度H 装料高度是指工件安装基面至地面的垂直距离。考虑上述刚度结构功能和使用要求等因素选取计算: 侧底座高度:560mm 滑台高度:250 28 主轴箱的最低主轴高度为:275mm 工件最低孔中心距底面距离:92.5mm H=560+250+275-92.5=992.5mm (3)确定夹具轮廓尺寸 参照夹具设计。 (4)确定中间底座尺寸 中间底座尺寸在长度和宽度上满足夹具的安装要求。他在加工方向上的尺寸，实际已由加工示意图确定。由此根据选定的动力箱、滑台、侧底座等标准的位置关系计算长度为974mm,装料高度和夹具底座高度确定后，中间底座高度已确定为560mm。 (5)确定多轴箱轮廓尺寸 标准通用钻类多轴箱厚度是一定的、卧式325mm。因此，确定多轴箱，主要是确定多轴箱的宽度和高度及最低主轴高度。如图3-3所示 29 图 3-3多轴箱轮廓尺寸确定 被加工零件轮廓以点化线表示，多轴箱轮廓以粗实线表示。查《组合机床简明设计手册》，P135表7-1选取多轴箱体规格尺寸400*400. 3.4 机床分组 为了便于设计和组织生产，组合机床各部件和装置按不同功能划分编组。本机床编组如下: (1)第10组 左侧床身 (2)第20组 夹具 (3)第11组 右侧床身 (4)第12组 中间底座 30 (5)第30组 电气装置 (6)第40组 传动装置 (7)第50组 润滑装置 (8)第60组 刀具 (9)第61组 工具 (10)第71组 左多主轴箱 (11)第72组 右多主轴箱 图4-4 机床联系尺寸图 31 第4章 液压系统设计 4.1液压压紧系统设计 4.1.1作F-t与V-t图 1计算压紧力 钻铸铁孔时铸件受到轴向切削力和扭矩作用，查看《机床专用夹具手册》P34: 20.8MDSKp,，，，0.21根据公式: 0.8FDSKp,，，，419 公式中符号的意义: D——钻头直径 S——每转进给量 Kp——修正系数 1900.6已知 D=5.2mm S=0.1mm/r Kp==1 ()190 得 M=900N.mm F=345.3N 进行受力分析: 两组钻头同时工作时，因为两组钻头对称分布轴向力相互抵消。而此工件的扭矩作用的结果并不产生轴向力，因此工件总体受力较 32 小。 随着行程增加，工进10mm处，右侧钻头开始空转，即对工件无进给力作用，左侧继续工进，产生力和力矩作用，力的大小如下: Fc Fc 图 4-1 钻头受力分析 左图可视做某一时刻径向力的作用情况， d因此: 2900.，，,FcNmm 2 即主切削力为173N。 假如只考虑向上的力的作用，那么三根主轴的合力: FFcN,,3519 合 查阅《机床夹具设计设计手册》P354表2-3-32，考虑到更为安全的 33 夹紧状态，选用双向作用法兰式小型液压缸: 工作行程:l=40mm 推力: F=1448N 活塞直径: D=60mm 2计算夹紧和松开时间 vmms,0.1/vmms,0.1/夹紧和松开时液压缸速度 ; 21 ,3l4010，夹紧时间 : s, t,,,0.41v0.11 ,3l4010，松开时间 : s t,,,0.42v0.12 3根据上述数据绘液压缸F-t 与V-t图 F/N V mm/s v1 519 t1 t1 t2 t t2 t 图 4-2 图 4-3 34 4.1.2 确定液压系统参数 1初选液压缸工作压力 由工况分析中可知，夹紧阶段压力最大，所以，液压缸的工作压力按此负载力计算，根据液压缸与负载的关系，选P1=0.2MPa 2液压缸尺寸 液压缸取标准直径 D=60mm 4.1.3 拟定液压系统图 1、选择液压回路 (1)调速方式:由工况可知该液压系统功率小，工作负载变化小，采用单向阀和二位四通阀。 (2)液压泵形式的选择:根据工况要求选用变量叶片泵适宜。 4.2 钻削进给液压系统设计 4.2.1 作F-t与V-t图 1计算切削力 钻铸铁孔时，其轴向力的切削力 20.8MDSKp,，，，0.21根据公式: 0.8FDSKp,，，，419 35 公式中符号的意义: D——钻头直径 S——每转进给量 Kp——修正系数 1900.6已知 D=5.2mm S=0.1mm/r Kp==1 ()190得 M=0.9N/m F=345.5N FFN,,，,33345.31036 z 2计算摩擦阻力 FfGN,,，,49000.2980静摩擦阻力: ss FfGN,,，,49000.1490动摩擦阻力: dd 3计算惯性阻力: Gv,49000.1FN,,，,250 igt,9.80.2 4计算工进速度 工进速度按加工φ5.2的切削用量计算，即: 732,3,,，,， vnsmms0.11.2210/21160 5根据以上分析计算各工况负载 如表4-1 36 表4-1 液压缸负载的计算 工 况 计算公式 液压缸负载 液压缸 驱动力F0/N F/N 980 1090 启 动 FfG, s 740 825 Gv, 加 速 FfG,， dgt, 490 545 快 进 FfG, d 1526 1695 工 进 FFfG,， cd 980 1090 反向启动 FfG, s 740 825 Gv, 加 速 FfG,， dgt, 490 545 快 退 FfG, d 240 270 Gv, 制 动 FfG,, dgt, ,,0.9其中，取液压缸机械效率 cm 6计算快进、工进和快退时间 ,3L3310，1快进: ts,,,0.171v0.21 ,3L1510，2工进: ts,,,182,3v0.8810，2 ,3，LL4810，12快退: ts,,,0.243v0.21 7根据上述数据描绘液压缸F--t 与V-t图 37 F/N V mm/s 1526 v1 t1 t3 t t3 t t2 t1 t2 图 4-4 图 4-5 4.2.2 确定液压系统参数 1 初选液压缸工作压力 由工况分析中可知，工进阶段的负载力最大，所以，液压缸的工作压力按此负载力计算，根据液压缸与负 5PPa,，410载的关系，选。本机床是钻孔组合机床，为防止钻通时1 5PPa,，0.610发生前冲现象，液压缸回油腔应有背压，设背压 ，为2 AA,2使快进，快退速度相等，选用的差动液压缸，假定快进、快12 5退的回油压力损失为,,，P0.710 ()PAPAF,,,2 计算液压缸尺寸 由式得: 1122cm F1526,42 ,,,，Am361015P，,，0.9(40.3)102,,()Pcm12 38 4A436，1Dcm,,,6.77液压缸直径: ,, 取标准直径: D=70mm 4.2.3 拟定液压系统图 1选择液压回路 (1)调速方式:由工况图知，该液压系统功率小，工作负载变化小，可用进油路节流调速，为防止钻通孔时的前冲现象，在回油路上加背压阀。 (2)液压泵形式的选择:通过工况分析选用变量叶片泵比较适宜。 (3)速度换接方式:因钻孔工序对位置精度及工作平稳性要求不高，可选用行程调速阀和电磁换向阀。 2组成系统 39 图4-6 液压系统图 4.2.4 选择液压元件 1 选择液压泵和电动机 (1)确定液压泵的工作压力:前面已确定液压缸的最大工作压 55力为 ，选取进油管路压力损失 ，其调整压力410，Pa,,，PPa0.810 55PMPa,，9.810比系统最大压力大510，Pa，所以泵的工作压力 。 B (2)液压泵的流量: 由图4-6可知，快进时的流量最大，其值为26L/min，工进时最小，为0.26L/min,根据《液压技术》公式9-20，取，则: K,1.2 qL,，,1.25262.4/min B 40 (3)选取电动机: P=0.8KW 2 选择其他元件 图4-7 液压元件选择表 3 确定管道尺寸(略) 4确定油箱容量 VqL,,,，,(57)636216油箱容量可按经验公式估算，取 。 41 第5章 多轴箱——右主轴箱设计 5.1 引言 多轴箱是组合机床的重要专用部件。他是根据加工示意图所确定的工件加工孔数和位置、切削用量和主轴类型设计的传动各主轴运动的动力部件。其动力来自通用的动力箱，与动力箱一起安装于进给滑台，可完成钻、扩、铰、镗孔等加工工序。 多轴箱一般具有多根主轴同时对一列孔进行加工。但也有单独的，用于镗孔居多。 多轴箱的通用箱体材料为HT200，前、后、侧盖等材料为HT150。多轴箱体基本尺寸系列标准(GB3668.1——83)规定，9种名义尺寸用相应滑台的滑鞍宽度表示。目前，多轴设计有一般设计法和电子计算机辅助设计法两种。 5.2 绘制多轴箱设计原始依据图 多轴箱设计原始依据图是根据―三图一卡‖绘制的。其主要内容及注意事项如下: 42 图5-1 主轴位置关系尺寸图 5.2.1根据机床联系尺寸图，绘制多轴箱外形图，并标注轮廓尺寸及动力箱驱动轴的相对位置尺寸。 5.2.2根据联系尺寸图和加工示意图，标注所有主轴位置尺寸及工件与主轴、主轴与驱动轴的相关位置尺寸。 5.2.3根据加工示意图标注各主轴转速及转向主轴逆时针转向。 5.2.4列表标明各主轴的工序内容、切削用量及主轴外伸尺寸 5.2.5 标明动力件型号及其性能参数 43 表5-1主轴外伸尺寸及切削用量 轴号 主轴外伸尺寸 切 削 用 备注 (mm) 量 D/d L n(r/miv(m/mif(mm/r工序内 n) n) ) 容 1 30/20 115 732 13 0.1 钻φ5.2 孔 2 30/20 115 732 13 0.1 钻φ5.2 孔 3 32/25 115 732 13 0.1 钻φ5.2 孔 注:1被加工零件编号及名称:ZFA211-3600-7箱体结合件，。材料及硬度，铸铁，200HBS 2动力部件1TD25-A，1HY-25，N=2.2KW，n=1420 图5-2 多轴箱设计原始数据图 44 5.2.6 主轴、齿轮的确定及动力运算 (1)主轴型式和直径 主轴的型式和直径，主要取决与工艺方法、刀具主轴联接机构、刀具的进给抗力和切削转矩。如钻孔时常采用滚珠轴承主轴;扩、镗、铰孔等工序常采用滚锥轴承主轴;主轴间距较小时常选用滚针轴承主轴。设计时，尽可能不选用15mm直径的主轴和滚针主轴，因为滚针轴承精度低、结构刚度及装配工艺性都较差，既不便于制造又不便于维修。 首先，根据切削用量，查《机床夹具手册》P34表1-2-7由计算 20.8MDSKp,，，，0.21公式计算扭矩: D——钻头直径 S——每转进给量 已知 D=5.2mm S=0.1mm/r 得 M=900N.mm 从表5-10可选择轴径d=12mm，由《组合机床设计简明手册》P56表4-1选取主轴直径d=20mm满足设计要求。 (2)多轴箱所需动力计算 45 多轴箱的动力计算包括多轴箱所需要的功率和进给力两项。 传动系统确定之后，多轴箱所需要的功率按下列公式计算: nnn PPPPPPP,，，,，， ,,,空空多箱切削失切削失iii,,,111 P 式中——切削功率，单位为KW 切削 P ——空转功率，单位为KW 空 P ——与负荷成正比的功率损失，单位为KW 失 每根主轴的切削功率，由选定的切削用量按公式计算或查图表获得;每根主轴的空转功率按《组合机床设计简明手册》P62表4-6确定;每根主轴上的功率损失，一般取所传递功率的1%。 根据《机床夹具设计手册》功率计算公式得 MvP,主轴切削功率: 切3060D M——扭矩 V——切削速度 D——钻头直径 9021，则有 PKW,,0.118切130605.2， 46 PPKW,,，,330.1180.356 切切1 空转功率: 由于主轴直径为20mm、25mm，根据《组合机床设计简明手册》 P62表4-6: PKW=0.046转速: n=630r/min ,轴径为20mm时:;轴径为25mm空 PKW=0.073时: 空 PKW=0.074 n=1000r/min, 轴径为20mm时:;轴径为25mm空 PKW=0.116时: 空 而主轴转速为n=732r/min，根据插值法: 732-630 PKW=(0.0740.046)0.0460.057，,，,空1000732, 732-630 PKW=(0.1160.073)0.0730.089，,，,空1000732, P=0.0572+0.089=0.203KW，因此: 空z 功率损失: 每根轴上的功率损失，一般可取所传递功率的1% P=0.203+0.3561%=0.006KW()，因此: 失 47 nnn PPPPPPP,，，,，，=0.203+0.356+0.006=0.56KW ,,,空空多箱切削失切削失iii,,,111 F多轴箱所需的进给力可按下式计算: 多箱 n F=F ,i多箱i=1 F式中——各主轴所需的轴向切削力，单位为N i 0.8FDSKp,，，，419 D——钻头直径 S——每转进给量 Kp——修正系数 1900.6已知 D=5.2mm S=0.1mm/r Kp==1 ()190 F=345.3N n =F3345.31036FN,，, ,i多箱i=1 5.2.7 多轴箱传动设计 多轴箱传动设计，是根据动力箱驱动轴位置和转速、各主轴位置及其转速要求，设计传动链，把驱动轴和主轴联系起来，使各主轴获得预定的转速和转向。 1 对多轴箱传动系统的一般要求 (1)在保证主轴的强度、刚度、转速和转向的条件下，力求传 48 动轴和齿轮规格、数量为最少。为此，应尽量用一根中间传动轴带动多根主轴，并将齿轮布置在同一排上。 (2)尽量不用主轴带动主轴的方案，以免增加主轴负荷。遇到主轴较密时，布置齿轮的空间受到限制或主轴负荷较小、加工精度要求不高，也可用一根强度较高的主轴带动1-2根主轴的传动方案。 (3)为使结构紧凑，多轴箱内齿轮副的传动比一般要大于1/2，后盖内齿轮齿轮传动比允许至1/3，尽量避免用升速传动。当驱动轴转速较低时，允许先升速然后再降一些。 (4)驱动轴直接带动的转动轴数不能超过两根，以免给装配带来困难。 2 拟定多轴箱传动的基本方法 拟定多轴箱传动系统的基本方法是:先把全部主轴中心尽可能分布在几个同心圆上，在各个同心圆的圆心上分别设置中心传动轴;非同心圆分布的一些主轴，也宜设置中间传动轴;然后根据已经选定的中心传动轴再取同心圆，并用最少的传动轴带动这些中心传动轴;最后通过合拢传动轴与动力箱驱动轴连接起来。 49 (1)主轴分布类型 图 5-3 主轴分布示意图 单组圆周分布，但各轴心间距较小。 (2)根据此种类型设计出三种传动联系方案: 50 图5-4 设计方案图 第一种传动设计方案分析: 第一种传动设计方案十分符合主轴箱设计的各项原则: a. 传动轴、齿轮数最少，用一根传动轴带动多根主轴 b. 主轴齿轮规格相同。 从理论上来说是一种经济有效的传动方案。但在进一步设计时发现该传动方案有以下缺陷:主轴直径d=20mm中心传动轴轴线与最下轴轴心线距离为32.5mm若两轴真的实现传动，两轴所配套轴承的外径尺寸D=47mm，然而，为使两轴承间安装不发生冲突，其间距最少为47mm而32.5<47mm，轴承不能进行安装。 第二种传动方案分析: 51 第二种传动方案采用了一种完全不同的方法，避免了第一种传动方案的结构冲突，满足传动要求。但该传动方案并不适合于该工序:本工序加工扭矩小，因此在传动过程中负载小，对轴和齿轮的要求不高，传动方式应尽求简单;而该传动方案形式复杂，齿轮选择多坐标确立烦琐不适于设计。 第三种传动方案分析: 此方案采用对称分布，其中4、3两传动轴无论轴还是齿轮规格均相同。此种结构结构紧凑，相对位置关系容易确立，与方案2相比还减少了轴和齿轮的数量和规格。但该方案把一根主轴同时做传动轴，向另外两主轴传动动力，增加了负荷。 通过比较，方案1结构不合理，不能采用。方案2、3符合设计要求。然而，通过进一步比较发现，方案3更合理一些: 在结构布局和成本方面方案3都是合理的，但它与设计原则中:通过主轴传动带动主轴将增加主动主轴的负荷;通过计算: 每根主轴实际切削扭矩: M=90kg.mm，轴径为20mm，查《组合机床设计》p607表5-10知轴径 d=20mm的轴能承受的扭矩为 52 M=1100kg.mm而本传动系统中只有三根主轴，设其中两根从动主轴与主动主轴之间有扭矩损失5%，那么:主动轴所能承受的全部扭矩为 2905%29090279.，，，，，,kgmm 279<<1100kg.mm 即所受负荷远在其所承受的范围之内，或者说，所增加负荷对其运行或特性没有半点影响，因此满足设计要求。所以在小扭矩作用下，方案3是合理的。? 3 传动系统的设计计算: (1)各齿轮参数的设计计算: 已知:主轴转速 n=732r/min，主轴直径 d=20mm，主轴齿轮模数 m=2 ZZZ,,,25 设主轴齿轮齿数Z=25，即 ;传动轴小齿轮齿数 125 Z,40ZZ,21Z，m=2;动力头齿轮 ，m=3;对于传动轴齿轮、由于6403它们是作为过渡齿轮存在，只要其尺寸结构不影响其他轴及齿轮， ZZ,,30其齿轮可以任意选取:设 ，m=2 34 25732，因此: nnr,,,610/min3430 53 25732， nnr,,,458/min6740 已知:所取动力箱型号1TD25，电动机转速1420r/min，驱动轴转速785r/min。 21785，Z,,36则: m=3 7n7 (2) 轴径尺寸的确定: 本套传动系统中有三根主轴，三根传动轴，其中一根主轴也起传动作用。 各传动轴的计算结果如下: 30 轴3: MMikgmm,,，,9096.3125 查《组合机床设计》P607表5-10:选取直径d=15mm，为了提高轴的刚度，并减小传动件的规格，选取轴径d=20mm。 30轴4: MMikgmm,,，,9096.4225 同上 选取轴径d=20mm。 'MMiMikgmm,，,，,9696192.轴5: 512 54 'MMkgmm,，,90282. 55 查表 选取轴径d=20mm;但此轴既是主轴又是传动轴，负荷较大，为提高轴的刚度，取轴径d=25mm。 40 轴6: MMikgmm,,，,282451.2.6525 此轴为主传动轴，由其传递的扭矩是由动力箱输出的，扭矩大，此外，该轴还是手柄轴，根据《组合机床设计简明手册》表7-19，选取轴径 d=30mm。 表 5-2 各轴轴径及齿轮参数 轴径 齿数 扭矩 转速 1 20 25 90 732 2 20 25 90 732 3 20 30 96 610 4 20 30 96 610 5 25 25 250 732 6 30 40 400 458 7 30 36 400 458 4校验: (1)齿轮模数校核: 分析:传动过程中，齿轮啮合会产生很大的弯曲疲劳强度，在所有齿轮啮合过程中，以动力头齿轮和齿轮7啮合产生的应力最大。 55 因此选取动力头齿轮进行模数计算: 查《机械设计》P209，公式10-5 YY2KTFaSa13 有: ,,m2,,Z[]dF1 KKKKK,,,,式中 为载荷系数 AV,, KK:使用系数，查P201 ，表10-2，取=1.25 AAKK:动载系数，查P202 ，图10-8，取=1.25 VVKK:齿间载荷分布系数，查P203 ，表10-3，取=1.0 ,, KK:齿间载荷分布系数, 查P204 ，表10-4，取=1.117 ,,T:传递扭矩; 5P95.5100.8，，5TNm,，，,,,95.5109732 1n785 ,,0.5Z,21 因为传递的功率较小，选取，， d0 YY 、查P209，表10-5 FaSa YY,,2.76;1.56 FaSa [],[],查P216，图表10-20c，=427 FF 521.251.251.117102.762.56，，，，，3 m,，,2.5220.521427， 56 由于齿轮模数大小取决于弯曲强度所决定的承载能力。m=3>2.52，完全满足疲劳强度要求。因此所取齿轮模数满足使用及性能要求。 (2)轴的强度校核: 从上述可知，各轴所能承受的扭矩: 'Mkgmm,1100. 轴1、2、3、4 d=20 1 'Mkgmm,2700.轴5 d=25 2 通过计算各轴所承受载荷的情况: MKgmm,,90轴1、2 1 MKgmm,,96轴3、4 2 轴5 MKgmm,,250 由此可以得出，各轴实际承受的扭矩远远小于轴所能承受的扭矩最大值。因此其强度完全满足要求。 57 第6章 经济性分析 任何一个较为复杂的机械零件，都有不同的加工工艺方案，特别是一个新产品，从开发设计，试制，小批量投产到产品发展和成熟时期的大批量生产，都要经历不同的生产批量过程。作为组成这一产品的机械零件必须根据生产批量来确定其工艺方案，现以]箱体结合件为例，说明在不同生产批量情况下，如何合理选择定位基准，采用适宜的生产设备，以保证加工质量可靠，满足市场的需求。 6.1 箱体结合件加工工艺的制定 对箱体的加工，以前采用的是分散加工法，人工操作复杂，单件加工耗时时间长，占用机床，劳动强度大。目前，采用组合加工工艺，一次装夹，可加工多个部位，既保证了加工精度，还大大提高了生产效率，节省了加工时间。 6.2夹具定位夹紧分析 初步设计时有两种方案，或者说是两种类型的夹具代表: (1) 整体铸造: 采用箱体铸造样式，液压夹紧装置。这种夹紧方案成本较高，加 58 工精度高，装夹方便。 (2) 组合结构: 各部分单独设计，单独制造，最后装配。本次夹具设计中，压块与液压缸之间及压块与工件之间就是采用组合结构。这种设计方案成本低，但由于通过螺栓联接。加工过程中的振动容易产生松动，定位精度较低。 6.3组合机床应用分析 其中钻φ5.2光孔，攻制6螺钉M6X30螺纹孔与粗、精铣两侧面为例，假设每次的镗削成本为5元，共计80元每加工完一个零件。如果采用组合机床，组合机床设计制造成本为8万元，每件加工成本以10元计。年产量按10000件计算，则每年减少加工成本70万元。扣除组合机床的制造成本，每年节省60万元。 通过以上分析可以得出，在本次设计中，组合机床的广泛应用大大减少生产了成本;生产批量决定工艺方案，工艺方案决定经济效益;合理选择定位基准可以降低加工时间。 59 第7章 结论和展望 由本文的论述，我们了解到，通过对梳棉机箱体结合件加工设备及工艺的研究与应用，在机床、夹具、刀具、工艺等方面进行合理设计和选择，有效提高了加工效率和产品质量，扩大了加工适应范围，提高了可靠性，具备一定的先进性，取得了良好的经济效益和社会效益，为解决此类多孔同时加工问题举了一件实例。 本成果设计制造的机床为六轴钻孔双面卧式组合机床。我们将钻削主轴设为机械传动，而进给系统为液压控制，使在满足使用要求的前提下降低了成本。作为关键部件的液压滑台采用国产通用部件。以比较简单的方式完成旋转运动和直线运动的同步进行，非常实用。 本机床所用夹具的通用性强，工件采用液压定位夹紧，快速方便。定位采用两面一销的定位方式，夹紧采用液压加紧，采用这种方式完全能够满足精度要求。而且简易方便，制造成本低，通用性好。 在刀具方面，由于所加工孔的尺寸精度和表面粗糙度要求都不算高，采用麻花钻。这种钻头采购比较方便，而且价格比深孔钻头也 60 要便宜。在刀具的几何角度方面，麻花钻头的螺旋角即是其轴向前角。当加工工件时，切削力和切削热随钻头螺旋角的增大而减小(减 少)，切削轻快，刀具耐用度高。为此，我们选取钻头螺旋角为32，在保证强度的前提下，有效降低了切削力和切削温度，提高了刀具使用寿命和生产效率。 通过本成果的实施，进排气摇臂的深孔加工质量和生产效率得到较大幅度提高，经济和社会效益显著。而且加工精度也完全能够满足设计要求。则在直接经济效益方面，节省了大量加工工时。 61 参考文献 1 孟少农主编. 机械加工工艺手册. 北京:机械工业出版社. 1992 2 候世增主编. 装配图的画法机械制图. 北京:高教出版社. 1989 3 陈隆德主编. 互换性与测量技术基础. 北京:高教出版社. 1988 4 樊瑞，李建华主编. 液压技术. 北京:中国纺织出版社. 1999 5 李天无主编. 简明工程师手册. 昆明:云南科技出版社. 1992 6 曹龙华主编. 机械原理. 北京:高教出版社. 1986 7 沈阳工学院等主编. 组合机床设计. 上海:上海科技出版社. 1985 8 谢家瀛.组合机床简明设计手册. 北京:机械工业出版社. 1994 9 吴隆，姜春英主编. 机械制造技术.西安:陕西科技出版社，2002 62 致 谢 本文承蒙黑龙江科技学院机械工程学院张文生教授指导。张教授从本文的写作内容、版式编排等各方面多次给予了详细的指导，对本文所涉及项目的实施、机床的设计、多轴箱传动设计及组合机床的设计制造等给予了大量的帮助，并向我们提供了相关参考资料提出了很好的意见和建议，使得本文得以成稿，在此表示衷心的感谢!另外，向本文引用、转载过资料的文献作者表示感谢。向其他所有对于本文的完成做出过帮助的人表示感谢。 63 附录1 现代数控机床高速化发展的最新动向 D. Renton, M.A. Elbestawi * 摘要:在缩短加工时间、提高生产率的市场需求推动下，切削加工技术正经历着从低速重切削加工向高速轻切削加工力一向演变的过程。高速切削加工技术的发展是机床高速化的直接动力。本文从切削技术高速化发展入手，依据机床发展统计数据以及产品研发情况，介绍机床主轴单元及进给单元高速化发展的现状，并展望了其发展趋势。 关键词 数控机床 高速化 主轴系统 进给系统 0前言 在经济全球化带来的不断激烈的国际市场竞争中，个性化消费需求形形色色，新产品不断涌现，产品生命周期不断缩短，促使现代制造技术日新月异，以满足材质与形状不断花样翻新的工件在加工时对缩短加工时间、提高生产率的迫切需求。例如在模具业，对淬硬模具的加工以往是先对硬度HRC25左右的毛坯进行切削加工， 64 热处理提高硬度后，只能用电火花方法进行精加工。20 世纪90年代初，Al'1'iN涂层超硬刀具的出现使得高硬度材料的切削加工成为可能。加工硬度高达HRC53的模具钢的高速切削技术被开发出来，并有取代电火花加工和抛光加工的趋势。复杂自由形ICI模具精加工的小直径球头立铣刀切削加工技术的迅速推广就是一个例证。再如，飞机工业通常需切削加工氏铝合金零件、薄层腹板件等，直接采用毛坯高速切削加工，可使加工效率提高7-10倍，而可不再采用铆接等工艺，从而降低了飞机重量。这些都反映出切削加工技术从低速重切削加工向高速轻切削加工演变的趋势。 切削加工的高速化需求是现代数控机床和加工中心向高速化发展的直按动力，高速切削机床应运而生，井促使高速卞轴系统、快速进给系统以及配套的高性能CNC控制系统、高效高精度测量测试系统等高速化单儿在高速切削机床中普及和推广。本文将从机床发展的统计数据以及产品研发情祝入手，介绍现代数控机床中卞轴单儿和进给单儿的高速化发展状祝和未来发展趋势。 1主轴系统的高速化发展 65 图1是N S1C汇总的20年间日本国际机床展(J IMTOF )展出的主轴转速高于10 000r/min的所谓高速切削机床的统计数据3〕。自高速切削机床在1982年第11届日本国际机床展出现以来，各界展会中展示及成交的高速机床的数量逐年显著增加。经过20年发展历程，至2002年的第21届日本国际机床展，100 000r/min甚至更高的主轴转速也己在实机上实现。其中，卞轴转速10 000一25 000r/min的高速切削机床是近几年展会上的主流产品。以电主轴为代表的高速主轴的应用推动了高速切削机床的发展。高速主轴的关键技术包括陶瓷轴承结构和油雾润滑等技术。一般，主轴的高速性能指标常用，dra值表示。d表示轴承内径，单位为mm ; ra表示主轴能够实现的最高转速，单位为r/min。两者之积dra称为速度因数，其极限值因轴承结构和润滑方法的不同而不同，如图2所示。1990年所能达到 66的，dr极限值在2 x 10左右，而今该值己能达3 x 10左右。 因为重切削减少，对适于低速使用的高刚度滚r轴承的需求增加不多，而球轴承或比重较小的陶瓷球轴承的使用迅速增加。陶瓷轴承具有质量轻离心力小、 66 图1 J1M'1'01展出的轴转速高于10 OOOr/min的机床统计数据 杨氏模量高弹性变形小、线膨胀系数小而热量产生少等突出优点。近年来，随着生产量的增加，陶瓷轴承品质安定，价格也变得便宜。 6目前，如果说rln值1. 5 x 10以上的机床主轴系统使用的几乎全都是陶瓷轴承井不为过2。JIMTOF2002上N S1C展出了一款超高速主 6轴系统，其，rlra值达4 x 10，采用的是N S1C公司开发的ROBUS'1'系列角按触陶瓷球轴承。 另一方ICI，对环境的重视促使人们逐步改变观念，从单纯倚重油润滑方式变为开始重新重视脂润滑方式。在1998年以前，dra值 6超过1. 3 x 10 ―的高速机床主轴主要采用油雾润滑方式，至2002年，脂润滑的高速主轴也能达到这个范围。JIMTOF,2002上N S1C展出 67 6了一款采用脂润滑的高速机床主轴产品，其，dra值达1. 8 x 10。一 6般来说，为了维持足够的刚度，脂润滑的极限速度是，dra值1.4x10 6左右。对钢铁材料制工件加工来说，1. 4 x 10值在大多情祝下己能满足要求，因此，脂润滑方法的使用将会持续增加。 2 进给系统的高速化发展 从加工技术层ICI考虑，机床主轴系统和进给系统的高速化发展需要同步协调进行。然而从技术进步的现状来进行，这样的局ICI却被屡屡打破。最近，进给系统的高速度?高加速度化进展更为突出一些。该变化以直线电机导入机床为契机开始，大导程丝杠的应用更进一步地推动着进给单儿高速化的发展进程。当然，推进机床进给单儿高速化发展的关键技术还包括直线导轨和检测等技术的进步。 与其它将旋转运动转换为直线运动的机构相比，滚珠丝杠由于在性能价格比、原理简单和易于控制等方ICI的突出优势而在机床行业获得了最广泛的应用。滚珠丝杠所能实现的直线速度与丝杠的导程和转速之积成正比。即使丝杠转速不变，增加导程也能提高进给速 68 度。因此，响应机床行业对更高进给速度的要求，大导程丝杠的使用己经成为趋势。日本NS1C公司专门为高速机床开发的HMC系列滚珠丝杠，丝杠导程几近其直径的1/2，且具有很高的负载能力及刚度以适应高速机床高速度?高加速度的要求。N S1C公司也己开发出首例导程/直径比为3的滚珠丝杠系列('Triple Lead Series) ,主要在机器人和运输设各上使用。 与滚珠丝杠传动方式相比，直线电机直按驱动方式克服传统的滚珠丝杠机械结构对进给伺服系统性能的影响，满足零传动机床的进给系统性能的需要，具有较高的定位精度、重复定位精度和动态响应速度，而日_具有实现高速高精度曲ICI加工所需的高加(减)速度。日本1'AN U C公司的直线电机系列(Linear Mo-for Lis series能够实现的最高速度为4m/s，最大加速度超过30r，与直线编码器配合能达到很高控制精度(圆度小于1 L},m )。虽然与滚珠丝杠传动方式相比，直线电机直按驱动方式成本至少增加30%以上。专家预计，2004年之后采用直线电机驱动的机床的年增氏率为15%— 20 %，日_至2010年其产值将超过机床市场总产值的40%。 69 图2 加工中心进给系统的高速化 迄今，最大进给速度达60 m/min的加工中心己不在少数。最高速度超过100m/min ,最大加速度达2g的加工中心也己ICI III。如图3)所示，与10年前的24 m/min和0. 1 g. 相比，进步是阶跃性的。与此对应的主轴转速以B`1'40主轴为例应为40000r/min，然而，这样的高速化主轴还仅停留在试验阶段，远未达到实用的程度。 3结论 切削加工技术的高速化发展需求是现代数控机床和加工中心高速化发展的直按动力。本文从机床发展的统计数据以及新产品研发情祝入手，介绍了机床主轴系统和进给系统的高速化发展状祝和未 70 来发展趋势。机床主轴系统高速化发展体现在卞轴高速性能指标，rlra值的逐渐提高和陶瓷轴承的推广和应用等方ICI ,对环境影响小的脂润滑方法也重新受到重视。进给系统的高速化发展则得益」几直线电机的导入以及大导程丝杠的应用。主轴系统的高速化与进给系统的高速化齐头井进协调发展是非常必要的。然而，从发展现状石，与进给系统的快速发展相比，主轴系统高速化发展略显滞后。打破这种现状，进一步开发主轴系统的高速化技术是现代机床行业的迫切希望。 此复合驱动系统以气压源驱动，气路紧凑，气体部分的体积尽可能小，系统的主要流动部分为液体，因此可压缩气体量小，加上液体的不可压缩特性，单作用滑动缸的运动平稳性较气缸大大提高，有利于系统的伺服控制。微、小刑滑动缸作为线、绳牵引机器人，或多关节机械手的动力部分，这种复合驱动系统采用时间控制，有利于减少驱动伺服电机的数量，简化控制单儿.降低成本。 71 附录2 Trend of High Speed Development in NC Machine Tools D. Renton, M.A. Elbestawi Abstract To meet the requirement of shortening machining time and increasing productivity in global competitive marketing, high-speed cutting has become more and more popularized nowadays and tends to take the place of low-speed heavy cutting. High-speedmachine tools appear to meet the need of the progress of high-speed cutting technologies. Based on inforn}ation about high-speed machine and the related new products collected from literatures, the technologies at present and future trends of spindle unit and feed drive system in high-speed machine tools were introduced. Key words NC machine tool High-speeding cutting technology Spindle unit heed drive system Foreword In crowded by globalization meters with the constant fierce competition in the international market, the individual consumer demand lfaf : color color, New products are constantly emerging, the product life cycle has become shorter and shorter and promote modern manufacturing technology are developing rapidly. to meet the material and shape of the increasing sophistication of the processing of the workpiece to shorten the processing time and increase productivity with the urgent needs. For example, in the mold industry, to the processing of hardened mold is first right past the hardness HRC25 around for the rough machining. Heat hardness, which can be used for 72 finishing EDM method. III_ 20 minutes early 1990s, Al'1'iN superhard coatings tool makes the emergence of high hardness materials machining possible. HRC53 processing up to the hardness of steel mold of high-speed machining technology has been developed, and replacing the EDM machining and polishing the trend. ICI complex free-mold finishing the small-diameter ball-milling machining technology is a rapid promotion example. Another example, the aircraft industry normally takes Cutting's aluminum alloy parts, pieces of thin webs, using rough direct high-speed machining, processing can improve the efficiency of seven _ 10 times that of 20 can no longer use such riveting process, thereby reducing the weight of the aircraft. These reflect machining technologies from low-speed machining to re-light high-speed machining evolving trends. Cutting the high-speed demands of modern CNC machine tools and machining centers to the development of high-speed direct by force, High-speed cutting machines came into being, wells prompted Bian axis high-speed system Rapid feed system and the matching of high-performance CNC control system, Efficient high-precision measurement systems, such as high-speed testing of children in high-speed single-Cutting Machine, popularize and promote. This paper machine from the statistical data and product development situation wish start, presentation of modern CNC machine tools Bian single axis feed infants and children alone development of the high-speed-wish and future development trends. 1 .High-speed spindle system development. Figure S1C N is a compilation of 20 Japanese Marina International Machine Tool Show) (J 1M'1'01. ) Bian axis display of speed higher than 10 000r / min of the so-called high-speed cutting machines statistics 3]. Since the high-speed cutting machines in 1982, the 11th Session of the Japan International Machine Tool Show since its emergence, all sectors of the exhibition and display of high-speed machine transactions, the number has increased significantly. After 20 years of development, and in 2002 the first 21-Japan International 73 Machine Tool Show 100 000r / min or even higher Bian shaft speed is also conveyed in the machine to achieve. Among Figure 1 displays the J1M'1'01 shaft speed higher than 10 000r / min the machine them, Bian shaft speed 10 000 1 25 000r / min high-speed cutting machines in recent years the exhibition Bian flow products. EC perish data Hurried to the representative of the axis of the high-speed shaft Bian promote the application of high-speed machining machine tool development. Bian high-speed shaft key technologies, including structural ceramic bearings and oil mist lubrication technology. General, the high-speed shaft Bian performance indicators commonly used, Södra values. D said diameter bearings, flat mm; Ra said Bian shaft to achieve the highest speed, unit r / min. Södra whichever is the plot known as speed factor, the limit for bearing lubrication structure and the methods are different, as shown in Figure 2. 1990 can be achieved, dr * limit in 2 x 10 "about, and now, the value has achieved a 3 x 10"% s. Cutting weight reduction because of the use of appropriate low-speed high-stiffness roller bearings r increase in demand for small, 74 and ball bearings or smaller proportion of ceramic ball bearings use is increasing rapidly. Ceramic bearings have small centrifugal force of lightweight, high Young's modulus of elastic deformation small, linear expansion coefficient and the heat generated less conspicuous advantages. In recent years, with the increase in production volume, quality ceramic bearings and stability, the price is cheaper. Currently, If the value of a rln. 5 x 10 "above the Bian - axis machine system used by almost all of ceramic bearings Well not too much to 2 J1M'1'O1'2002] o N S1C displayed on the ultra-high-speed A Bian - axis system, and rlra value of 4 x 10 ", using the N S1C ROBUS'1 development of the companies' series by the angle inconsistent ceramic ball bearings "]. ICI other, the importance of the environment to promote gradual change in attitudes. From the purely rely on lubricating oil into a re-start to Grease way. Before 1998, more than one Södra value. 3 x 10 "high-speed machine tool axis Bian Bian to use oil mist lubrication, to 2002, Grease the high-speed shaft Bian can achieve this scope 3]. N S1C J1M'1'O1'2002 on display A Grease use of high-speed machine tool axis Bian product, and a value of d ra. 8 x 10. " Generally, in order to maintain sufficient rigidity, on the Classics Diaogu speed limit, d ra value 1.4x10 "about. steel workpiece materials processing system, 1. 4 x 10 "'s rr value in sentimentalBoth BU wish to meet their requirements, therefore, Grease method will be used with David f n plus – 2.Feed System of high-speed development From processing technology layer ICI consider Bian axis machine system and the feed system development needs of high-speed synchronous coordination. However, from the technological advancement of the status quo to Shek, the ICI Board has been repeatedly So a break. Recently, the system of up to the high-speed acceleration of progress in the more prominent. The linear motor to change into an opportunity for the machine, big lead screw of a further impetus to feed infants single high-speed development process. Of 75 course, the machine tool to promote children alone high-speed development of key technologies also include linear guideway and testing technological advances 5]. And the other will be converted to rotational movement of the body straight, the ball screw in cost performance, The principles are simple and easy to control, and so on ICI outstanding advantages in machine tool industry is the most widely used. Ball screw can achieve linear speed and the lead screw and speed is proportional to the product. Even unchanged screw speed increase could lead the way to improve the feed rate. Therefore, the machine tool industry to respond to higher feed rate request, the lead screw use have become the trend. Japan NS1C company specializes in high-speed machine tools for the development of the HMC series of ball screw, Lead screw diameter of almost 1 / 2, Japan _ with high stiffness and load capacity to adapt to rapid acceleration of high-speed machine tool requirements. N S1C company also has developed) I I_ sector first lead / diameter ratio of three series of ball screw ( 'Tripl e Lead Series), hurried to the robot and transport based on the use of the 7) With the ball screw drive mode, the Linear motor driven directly by overcoming the traditional ball screw mechanical structure of feed servo system performance, meet the zero-drive machine feed system performance, high positioning accuracy, repetitive positioning accuracy and dynamic response speed, Japan _ which is to achieve high speed and high precision needed for the processing of song ICI high increase (decrease) speed. Japan a 'C AN U of Linear Motor Company Series (Linear Mo-for Lis series can enough to achieve the maximum rate of 4 m / s, the largest acceleration over 30) r, and linear encoder can be achieved with very high accuracy (less than a roundness L) m). Although compared to ball screw drive mode, Direct linear motor driven by cost way to increase by at least 30% and above. Experts estimate that in 2004 after using linear motor-driven machine,'s growth rate of 15% a 20%, Japan _ to its output in 2010 will exceed the total output value of machine tool market 40% . 76 Figure 2 machining center system of up to the high-speed So far, the largest feed speed of 60 m / min and a maximum acceleration r) processing centers have not unusual. Maximum speed of over 100 m / min, maximum acceleration of 2 g to the processing center also has ICI III. Figure 3) - yi said that 10 years ago the 24 m / min and 0. 1) r, the progress is step one. Correspondence with this, the shaft speed Bian `B 1'40 Bian shaft for 40 000r / min, however, This high-speed shaft Bian also remain in the pilot phase, which is far from practical level. 3.Conclusion Conclusion machining technology high-speed development needs of modern CNC machine tools and high-speed machining center directly by the development momentum. This paper machine development of statistical data and intelligence research and development of new products wish start, Bian on the machine axis feed system and the high-speed system development-wish and future development trends. Bian machine axis high-speed system development embodied in the high-speed shaft Bian performance indicators, rlra value of the gradual increase and ceramic bearings, and promote the application side ICI, on the environmental impact of small Grease method also renewed attention. Feed System of high-speed development will benefit from "a few linear motor and into the big lead screw applications. Bian - axis system with the high-speed system of up to the high-speed 77 homogeneous Well into the coordinated development is very necessary. However, the stone from the development status, and progress to the rapid development system, the Bian - axis high-speed system development tend to lag. So a break this situation, the further development of the Bian - axis high-speed technology is a modern machine tool industry Expressing his ardent forced Hu This compound drive system to drive the source of pressure, gas tight, part of the gas volume as possible, Bian system to the flow of liquid, a small amount of gas compressibility, and the incompressible fluid characteristics Single cylinder sliding movement of stable than Cylinder greatly improved, to the servo control system. Micro, small sliding cylinder as a criminal line, wire-driven robot, or joint manipulator part of the driving force, This compound drive system uses the time control, helps to reduce the servo motor-driven volume, simplified single-abuse control, reduce costs 78