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. 吉林化工學(xué)院 文 獻 綜 述 立式數(shù)控銑床傳動系統(tǒng)設(shè)計 Vertical CNC milling machine transmission design 性 質(zhì): R畢業(yè)設(shè)計 □畢業(yè)論文 教 學(xué) 院： 機電工程學(xué)院 系 別： 機械電子系 學(xué)生學(xué)號： 11410227 學(xué)生姓名： 孟凡華 專業(yè)班級： 機自1102 指導(dǎo)教師： 田愛華/申東輝 職 稱： 教授/助教 起止日期： 2015.3.2～2015.3.28 吉 林 化 工 學(xué) 院 Jilin Institute of Chemical Technology . . SK—125立式數(shù)控銑床傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計及發(fā)展趨勢 摘 要：本文主要介紹了立式數(shù)控銑床常用銑刀及其特點和用途，為大家在實際生產(chǎn)中選用合適的銑刀加工零件提供參考。應(yīng)用錘擊法對立式 數(shù)控銑床進行了試驗?zāi)B(tài)分析 , 研究了該立式數(shù) 控銑床的動 態(tài)特性 , 獲得 該立式數(shù)控 銑床低頻段的固有頻率 、 阻尼比和振型 。 通過對整機各 階模態(tài)振型的分析 , 找到了立 式數(shù)控銑床 結(jié)構(gòu)的薄弱 環(huán)節(jié) , 并為進 行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提出了改進措施 。 關(guān)鍵詞：立式數(shù)控銑床 面銑刀 立銑刀；動態(tài)特性；模態(tài)分析；錘擊；激振 1 立式數(shù)控銑床的常見形式和工作方式立式數(shù)控銑床有小型和中型之分 小型數(shù)控銑床一般為立式升降臺結(jié)構(gòu)，即機床的主運動和進給運動都是由工作臺完成的；而中型立式銑床的主運動Z方向由主軸箱完成，進給運動X和Y方向運動由工作臺完成。由于立式數(shù)控銑床一般都是三坐標(biāo)機床，根據(jù)可控制聯(lián)動的坐標(biāo)軸數(shù)分類，立式數(shù)控銑床有三坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控銑床和兩軸半坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控銑床。立式數(shù)控銑床常加工的零件有平面輪廓類零件、空間曲面輪廓類零件和模具類零件等，可用于零件的平面銑削、平面型腔銑削、外形輪廓銑削、三維及三維以上復(fù)雜型面銑削等[1]。 2 立式銑床大平面加工常用刀具——硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位面銑刀 面銑刀的定義立式數(shù)控銑床加工大平面類零件時，一般選用面銑刀，也稱端銑刀。面銑刀有一個大直徑的刀盤，切削面積大，切削效率高。面銑的主切削刃分布在銑刀周圍的圓柱面和圓錐面上，副切削刃分布在銑刀的端面上。 硬質(zhì)合金面銑刀的分類及應(yīng)用立式數(shù)控銑床最常用的面銑刀是硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位面銑刀，根據(jù)刀片主偏角的不同分為45面銑刀、75面銑刀和90面銑刀等。45面銑刀由于振動小，被經(jīng)常使用，可加工平面和斜面、倒角面等。用該類刀具加工平面時，刀片破損率低，耐用度高。75面銑刀的抗震性較90面銑刀有較大改善，切削平穩(wěn)、輕快，在面加工中應(yīng)優(yōu)先選用。該類面銑刀為通用型刀具，適用范圍較廣，可用于粗加工。90面銑刀既可加工臺階面，又可加工平面，但加工時振動大，要求機床具有較大功率和足夠的剛性，一般用于薄壁件加工。 面銑刀直徑和齒數(shù)選擇方法面銑刀直徑選擇時，主要需考慮刀具所需功率應(yīng)在機床功率范圍之內(nèi)，也可將機床主軸直徑作為選取的依據(jù)。面銑刀直徑可按公式 D＝1 .5 d 選取。在批量生產(chǎn)時，也可按工件切削寬度的1.6倍選擇刀具直徑。面銑刀有粗齒、中齒和細(xì)齒之分。粗齒齒數(shù)少，容屑空間大，刀齒強度大，適合用于粗加工；中齒銑刀切平穩(wěn)，應(yīng)用廣泛；細(xì)齒銑刀齒數(shù)多，容屑空間小，刀齒的強度小，適合用于精加工[2-6]。 3 立式數(shù)控銑床輪廓加工常用刀具——立銑刀 3.1立銑刀的定義 立銑刀是數(shù)控銑床上利用率最高的刀具，可以加工平面、零件輪廓和一些開口通槽和成形面等。立銑刀的形狀是圓柱形的，一般有三刃以上，主切削刃分布在銑刀的圓柱面上端面上是副切削刃，銑刀端面的形狀有中心孔式或是開口式。2.立銑刀的螺旋角及其用立銑刀有左螺旋和右螺旋之分，銑削刃也有左刃和右刃之分，最常見的是右刃右螺旋。立銑刀圓柱表面上的刃可以是直刃，也可以是螺旋刃。但直刃是斷續(xù)切削，振動大，表面質(zhì)量不好；而螺旋刃是連續(xù)切削各刀齒沿切削刃逐漸切入和切出，振動很小，從而提高了切削過程的平穩(wěn)性和工件的加工表面質(zhì)量，帶有螺旋刃的立銑刀最常見。螺旋角般有30和45兩種。對于一些加工要求較低的工件，一般用30螺旋角，用大進給量小轉(zhuǎn)速。而如果零件要求質(zhì)量較高，就要選用45螺旋角，用小進給量、大轉(zhuǎn)速，提高零件的表面質(zhì)量。3.立銑刀的齒數(shù)選擇立銑刀的容屑槽隨著刃數(shù)的增多而減小，而剛性則相反，刃數(shù)越多的立銑刀剛性越好，而剛性影響著銑削時刀具的平穩(wěn)性。所以，一般將刀齒個數(shù)為3～6個的立銑刀用于粗加工，而將刀齒個數(shù)為5～10個的立銑刀用于精加工[7-9]。 3.2立銑刀的進給 立銑刀在應(yīng)用時，有一個禁忌，即一般不能沿銑刀的軸向做進給運動，而推薦沿銑刀的徑向做進給運動。但是如果改變加工方式，也可以沿Z方向切深進刀。常見的進刀方如下。 （1）利用鉆頭和工藝孔進刀。先選用直徑較小的鉆頭加工出工藝孔，再用立銑刀進行Z向垂直切深進給。 （2）利用螺旋進刀方法。數(shù)控銑床可以實現(xiàn)三軸聯(lián)動螺旋線進刀，使得Z向進刀和內(nèi)輪廓加工自然平滑過渡，一般不會產(chǎn)生加工刀痕，因此，這種方式得到廣泛應(yīng)用。 （3）斜線進刀方法。采用三軸聯(lián)動的斜線方式進刀，利用立銑刀的端面刃切削，從而避免了刀具的中心部分參與切削。但不足之處是，這種進刀方式無法實現(xiàn)Z向進刀和內(nèi)輪廓加工的平滑過渡，容易產(chǎn)生加工痕跡[10-14]。 國外數(shù)控銑床現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 國外數(shù)控銑床的生產(chǎn)廠家主要集中在德國、美國和日本。從機械結(jié)構(gòu)上看，其發(fā)展經(jīng)歷了十字架型（輕型）、門型（小型）、龍門型（大型）3個階段，相應(yīng)的型號種類繁多。能夠代表數(shù)控銑床技術(shù)最高水平的廠家主要集中在德國，目前，國外已有廠家在龍門式切割機上安裝一個專用切割機械手，開發(fā)出五軸控制系統(tǒng)的龍門式專用切割工具，該系統(tǒng)可以在空間切割出各種軌跡，利用特殊的跟蹤探頭，在切割過程中控制切割運行軌跡。 我國工廠的板材下料中應(yīng)用最為普遍的是數(shù)控銑床和等離子切割，所用的設(shè)備包括手工下料、仿形機下料、半自動切割機下料及數(shù)控切割機下料等。與其他切割方式比較而言，手工下料隨意性大、靈活方便，并且不需要專用配套下料設(shè)備。但手工切割下料的缺點也是顯而易見的，其割縫質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費大、后道加工工序的工作量大，同時勞動條件惡劣。用仿形機下料，雖可大大提高下料工件的質(zhì)量，但必須預(yù)先加工與工件相適應(yīng)的靠模，不適于單件、小批量和大工件下料。半自動切割機雖然降低了工人勞動強度，但其功能簡單，只適合一種形狀的切割。上述3種切割方式，相對于數(shù)控切割來說由于設(shè)備成本較低、操作簡單，所以在我國的中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中仍在廣泛使用。 隨著國內(nèi)經(jīng)濟形勢的蓬勃發(fā)展以及以焊代鑄趨勢的加速，數(shù)控銑床的優(yōu)勢正在逐漸為人們所認(rèn)識。數(shù)控銑床不僅使板材利用率大幅度提高，產(chǎn)品質(zhì)量得到改進，而且改善了工人的勞動環(huán)境，勞動效率進一步提高。目前，我國金屬加工行業(yè)使用的數(shù)控銑床是以火焰和普通等離子切割機為主，但純火焰切割，已不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，該類切割機可滿足不同材料、不同厚度的金屬板材的下料以及金屬零件的加工的需要，因此需求量將會越來越大，但與國外的差距仍極為明顯，主要表現(xiàn)為：發(fā)達國家金屬加工行業(yè)90%為數(shù)控切割機下料，僅10%為手工下料；而我國數(shù)控切割機下料僅占下料總量的10%，其中數(shù)控銑床下料所占比例更小。 我國數(shù)控銑床每年市場需求量約在400~500臺之間。相較而言，仿形切割機每年銷售幾千臺，半自動切割機每年銷售達上萬臺。由此可見，我國數(shù)控切割市場，尤其是數(shù)控銑床市場的發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮腫15-16]。 3.3數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 計算機技術(shù)的飛速發(fā)展推動了數(shù)控技術(shù)的更新?lián)Q代，而這也日益完善了數(shù)控銑床的高精、高速、高效功能。代表世界先進水平的歐洲、美國、日本的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商利用工控機豐富的軟硬件資源開發(fā)的新一代數(shù)控系統(tǒng)具有開放式體系結(jié)構(gòu)，即數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次產(chǎn)品的開發(fā)。 開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴展性，并向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。 近幾年來，由于對切割質(zhì)量、勞動環(huán)境等的要求越來越高，其相應(yīng)產(chǎn)品在我國的市場需求量也逐年上升。在我國的數(shù)控銑床設(shè)備生產(chǎn)行業(yè)中，由于缺乏切割理論研究與生產(chǎn)實踐相轉(zhuǎn)換的機制，因此新技術(shù)運用不廣、新產(chǎn)品開發(fā)速度不快，制約了數(shù)控銑床技術(shù)的進一步發(fā)展和運用[17]。 4 主軸箱部分 包括主軸箱體和主軸傳動系統(tǒng)，用于裝夾刀具并帶動刀具旋轉(zhuǎn)，主軸轉(zhuǎn)速范圍和輸出扭矩對加工有直接的影響。我的設(shè)計課題是針對SK—125立式數(shù)控銑床傳動系統(tǒng) 關(guān)鍵部件設(shè)計 S－銑床類別代號（螺紋加工銑床） K－機床特性代號（數(shù)控） 125－代表主要參數(shù) 主軸傳動系統(tǒng) 及箱體部分 1. 范圍： 各種不同的機床對調(diào)速范圍的要求不同，多用途，通用性比較大的機床，要求主軸的調(diào)速范圍大，不但有低速大轉(zhuǎn)距的功能，而且還要有比較高的速度。 2. 熱變形：電動機、主軸及傳動件都有熱源。降低溫升，減少熱變形是對主傳動系統(tǒng)要求的重要指標(biāo)。 3. 旋轉(zhuǎn)精度和運動精度 （1）主軸的旋轉(zhuǎn)精度:是指裝配后，在無載荷，低速轉(zhuǎn)動條件下，測量主軸前端和300mm處的徑向和軸向跳動值。 （2）主軸在以工作速度旋轉(zhuǎn)時，測量上述兩項精度稱為運動精度。 4. 主軸的靜剛度和抗振性 由于數(shù)控機床的加工精度比較高，主軸的轉(zhuǎn)速又很高。因此，主軸組件的質(zhì)量分布是否均勻以及主軸組件的阻尼等，對主軸組件的靜剛度和抗振性都會產(chǎn)生影響。 5. 主軸組件的耐磨性 主軸組件必須有足夠的耐磨性，使之能夠長期保持要求的準(zhǔn)確精度。凡是有機械摩擦的部位，軸承，錐孔等都要有足夠的硬度，軸承還應(yīng)具有良好的潤滑[18-19]。 5 總結(jié)部分 數(shù)控銑床任然是數(shù)控加工行業(yè)的中流砥柱，對未來發(fā)展方向，有以下看法 中國數(shù)控銑床雖說價格便宜，但在性能方面還存在不足之處。未來數(shù)控銑床技術(shù)將朝數(shù)字化、高速 高精化、復(fù)合化、智能化等方向發(fā)展 1、高速高精與多軸加工成為數(shù)控銑床的主流，納米控制成為高速高精加工的潮流。 　　2、多任務(wù)和多軸加工數(shù)控銑床越來越多地應(yīng)用到能源、航空航天等行業(yè)。 　　3、機床與機器人的集成應(yīng)用日趨普及，且結(jié)構(gòu)形式多樣化，應(yīng)用范圍擴大化，運動速度高速化，多傳感器融合技術(shù)實用化，控制功能智能化，多機器人協(xié)同普及化。 　　4、智能化加工與監(jiān)測功能不斷擴充，車間的加工監(jiān)測與管理可實時獲取機床本身的狀態(tài)信息，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)測機床的狀態(tài)，提前進行相關(guān)的維護，避免事故的發(fā)生，減少機床的故障率，提高機床的利用率。 　　5、最新的機床誤差檢測與補償技術(shù)能夠在較短的時間內(nèi)完成對機床的補償測量，與傳統(tǒng)的激光干涉儀相比，對機床誤差的補償精度能夠提高3～4倍，同時效率得到大幅度提升　 6、CAD/CAM技術(shù)為多軸多任務(wù)數(shù)控銑床的加工提供強有力的支持，可以大幅度提高加工效率。 7、刀具技術(shù)發(fā)展迅速，眾多刀具的設(shè)計涵蓋了整個加工過程，并且新型刀具能夠滿足平穩(wěn)加工以及抗振性能的要求[20]。 參考文獻 [1]吳宗澤,羅圣國.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊第二版[M].北京:高等教育出版社,1999. 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Through the whole of each modal modal analysis, found a weakness in the structure of vertical CNC milling machine and structural optimization design for proposed improvements. Keyword : Vertical CNC milling machine; Face milling cutter; Dynamic characteristic; Modal Analysis; Exciting hammering .