一種高速臥式加工中心的整機結構設計

李永強

（1.蘭州理工大學機電工程學院；2.蘭州理工大學技術工程學院,蘭州 730050）

一種高速臥式加工中心的整機結構設計

李永強

（1.蘭州理工大學機電工程學院；2.蘭州理工大學技術工程學院,蘭州 730050）

高速加工中心高速、高效、高精、復合化的發展趨勢對機床的設計理論、方法和技術手段等層面都提出了新的要求，本文以高速臥式加工中心傳動系統設計過程中高速電主軸技術和高速進給系統設計為主要對象，在系統研究的基礎上，對相關技術進行了分析。

高速臥式加工中心；結構設計；研究分析

0 前言

目前高速切削技術被認為是實現高生產率和高精度的關鍵制造技術之一。而作為提供高速加工中心技術的主體目前運用于汽車工業、航空航天工業、模具制造業、精密加工、薄壁易變形零件、難加工的復合及合金材料等領域已開始廣泛應用。

1 高速切削與高速加工中心概述

高速切削以高切削速度、高進給速度和高加工精度為主要特征。高速加工技術作為近年來迅速發展的一項高新技術，因其可以大幅度提高機床的加工效率、降低加工成本、提高零件的加工表面質量和加工精度—即提高生產率。

實現加工的高速性能最主要是對高速切削機床的研究和開發。實現高速加工中心高速、高效、高精、復合化的發展趨勢對機床的設計理論、方法和技術手段等層面都提出了新的要求。

從世界上的加工中心目前的發展趨勢來看，主要向著高速、精密的方向發展。以德國 DMG 公司生產的高速立式加工中心為例，該加工中心的主軸轉速高達42000r/min，快速移動速度可達到90m/min，體現了國際一流加工中心的水平。與世界上的發達國家的數控加工技術中心技術研究相比，我國還處于較為落后的階段，有著較大的發展空間。目前國內加工中心機床的主軸轉速在6000r/min 到 16000r/min 的范圍內，快速移動的速度在 30m/min 到 40m/min 的范圍內。綜上所述國內與國外相比高速加工中心還存在著技術、產品性能上的落后，有關的結構設計的理論及技術研究還有缺乏之處。

2 高速臥式加工中心的結構布局分析

對機床的形式進行選擇，對機床的機構布置主要是對機床安排在各個的部件所在位置，并合理分配運動。機床機構的好壞對機床的工藝方案實現有著重要影響，零件和部件也是在此基礎之上進行設計，在整體機床的設計中影響較大。

臥式加工中心的主要運動包括三個移動軸（X、Y、Z）和一個回轉軸（B軸），在四個運動軸的分配上，四個相對運動有三種分配方式，一是分配給道具，二是分配給工件，三是道具和工件相互協作工作。從機床的整體結構現狀來看，一個回轉軸一般都由工作臺的回轉來完成（B軸），所以做好機床的布局分配重點是在三個移動軸上。

3 高速臥式加工中心傳動系統設計相關技術研究分析

3.1 高速電主軸技術

機床主軸工作主要是負責傳遞并承受動力和切削工作，機床整體的工作性能、工作精密度以及工作效率與機床主軸有著重要的聯系。高速臥式加工中心的主軸的轉速通常情況下要達到10000r/min以上，銑削的速度要達到40000～50000r/min。目前看來，這些速度仍有上升的趨勢。所以要想提升臥式加工中心的速度，高速主軸是設計中重要的一個環節。

在國際上通常采用的高速、高效、高性能的數控機床主要是電主軸單元，見下圖。電主軸單元在多工件復合加工機床、并聯機床、多軸聯動多面體加工機床以及柔性加工單元中，有著不可比擬的優勢體現。

電主軸它是通過內裝電機進行直接的驅動工作，由電機組件、測角系統、外殼、軸承等部分組成，與此同時還有冷卻系統和潤滑系統配備而成。

主軸的轉速特征值一般可以用來衡量主軸轉速特性，它的計算公式為：轉速特征值=軸徑×轉速。

目前的滾珠軸承運轉速度可以達到1×，磁浮軸承的運轉速度可以達到4×。軸徑為30mm的最高的運轉速度可以達到30000r/min～13000r/min。

軸承的零件好壞能夠直接影響到主軸的運轉速度。在國外對軸承以及抽成的分布預防都已經進行了對應的測試，探尋最高運轉速度下的最大軸承選擇。在加工結構零件的時候，想要提高效率，就要選擇功率大的電機來提升金屬去除率，而金屬去除率和功率有著直接的關系，想要有大的功率，電機就會大，緊接著電機大會帶來大傳動軸和刀具系統，軸承越大主軸的轉速就會變低。所以在進行高速臥式加工中心的整機結構設計時，要考慮的是軸承與速度相協調的最大速度和效率，從而進一步選擇滿足高速的結構設計的需求。

3.2 高速進給系統設計

高速進給系統是高速臥式加工中心整機機構的一個重要組成部分。在高速加工中心的技術不斷發展的今天，高速進給系統也再不斷地適應加工中心的需求，速度增長到傳統的5～10倍。目前，高速加藥的部位進行特殊處理；截斷曾經輸送過爆炸性物質的管道時，應進行水沖洗、蒸煮、化學處理等處理，并確認已處理干凈。

（4）已拆下而未經火燒處理的報廢設備、裝置和管線應與其它設備隔離存放，并設置警示牌，標明危險設備名稱（全稱）和原使用場所，加強保管，防止丟失。火燒處理后的設備、裝置、管線和設施，必須經專業安全技術人員現場檢查驗收，出具安全處理證明，辦理造冊登記和移交驗收合格證后方可轉運、入庫或貯存。作為廢品處理的必須進行徹底銷爆處理。

（5）銷爆處理作業過程中遇到異常情況或與原設計方案不符時，應立即停止作業，進行分析判斷并報告現場負責人。經查明原因，在確保安全的情況下，由現場負責人下達恢復作業指令，方可繼續作業。

（6）銷爆處理作業應盡可能減少有毒有害氣體產生,化學法銷爆處理產生的廢液和用于沖洗工房和設備、裝置及管線等設施的廢水應進行無害化處理,以達到既能滿足銷爆處理的目的，又不至于產生大量的污水為原則，避免污染水源。

6 結論

銷爆、拆除，是一項比較危險的工作，工作人員必須做到膽大、心細、臨危不亂，知己知彼，充分分析和掌握一切可能掌握的微小和細節的問題，拿出一套完整而又安全行之有效的銷爆、拆除方案，才能對消爆拆除這場戰役做到百戰不殆。

[1]陳淮銀，王代鈞，梁立達.DDNP生產及其污水處理新工藝 [J].爆破器材, 1993（01）.

[2]民用爆破器材生產企業報廢生產線銷爆處理安全管理規程[S].

[3]接觸火藥、炸藥、火工品藥劑的廢舊設備、管道及附件安全處理要求[S].WJ2531-1999.

電主軸剖面圖

（1）高速度。高速機床的主軸運轉速度在提高，要想得到高速切削工作效率的提升，并且得到順利的進行，就必須從高速進給系統抓起。目前高速進給系統的速度要求達到60/min以上，并且要求在此基礎上不斷地提升。

（2）高加速度。在大部分的高速臥式加工中心中，零件的運行形成會在幾十到幾百毫米間不等。所以就要求有較好的加減速特性來完成高速運轉中的啟停工作，否則工作再快的速度是沒有意義的。這對高速進給系統的高價速度有了一定的要求，一般要在1g以上，有的會要求在2～10g不等。

（3）高穩定性與高安全性。高速臥式加工中心的運作對部分環節的性能要求較高，因為在數控機床中有強、弱的接口環節，所以它的運作對整體機床的穩定性與安全性會造成一定的影響，所以就要求高速進給系統在進行結構設計上更加注重提高整體機床的穩定性與安全性。

（4）高精密度。機床運作需要達到一項指標就是高精密度，在高速臥式加工中心中需求尤為明顯。因為高速臥式加工中心更注重高速運轉，所以會對機床工作的精密度造成一定的影響，但在設計上要重新重視起來。具體可以通過兩方面來改造，一是通過提高坐標軸自身的閉環位置來進行控制，二是從合成軌跡和閉環的控制來實現高速軌跡控制。

3.3 滾珠絲杠與直線導軌配合的機床進給驅動設計

伺服電機與滾珠絲杠的進給中最大速度為，最大加速度為。

轉換關系如下：

其中

為伺服電機的最大轉速；

P為絲杠導程；

伺服電機的最大扭矩；

J為傳動系統的傳動慣量；

M為運動質量；

通過轉換公式可以得出，伺服電機的最大轉速與滾珠絲杠的最大直線運動速度和絲杠導程成正比；伺服電機的最大扭矩與加速度成正比，與傳統系統的傳動慣量成反比。所以要想有較高的加速度和進給速度就需要通過增大絲杠導程、降低傳動系統的傳動慣量與運動質量，使用較高轉速與扭矩的電機。

3.4 進給系統伺服電機的選擇

伺服系統的機電選擇對進給驅動系統有著較為重要的影響，它要求能夠滿足進給系統機電選擇的需求，具有較好的位移反饋和精準度，具有較強的反映速度，穩定性強，能夠調速范圍寬、高速臥式加工中心所采用的通常是大慣量伺服電機，針對伺服電機的選擇一般有以下四個原則。

（1）機床的正常負載扭矩，要有所限制，不能超過連續工作的額定輸出扭矩。

（2）最大輸出扭矩不能低于短期工作的最大負載扭矩。

（3）要能夠有高加速的性能。

（4）負載慣量要求系統運作有較強的靈敏度和較高的加速度。如果負載慣量較大，就需要加速度持續的時間更長一些，如果負載慣量出現變化，加速度也應做出反映。

4 結語

高速加工中心是數控機床中加工精度、生產率和自動化程度最高的綜合性機床，也是現代數控機床中最具代表性和技術附加值的產品。隨著我國裝備制造業產業優化升級和自主創新能力提升，從綜合技術性能和發展應用趨勢分析，高速加工中心應用范圍日益擴大，日后將成為主流制造裝備。

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[6]張伯霖，黃曉明，范夢吾.高速機床進給系統的發展趨勢[J].組合機床與自動化加工技術，2002（02）：7-11.

作者簡介：李永強（1985-），男，甘肅武山人，本科，講師，研究方向 ：機械設計及理論。

陳春生（1971-），男，工程師，現從事安全生產管理。工中心對高速進給系統的要求再不斷提高，在進行系統設計時也應針對以下方面進行改進。