中北大学-数控雕铣机总体设计.doc

毕业设计说明书数控雕铣机总体设计 班 级： 学号： 软件学院姓 名： 软件工程学 院： 郭维峰，赵俊生专 业： 指导教师： 2014年 6 月数控雕铣机总体设计摘 要数控雕铣机是典型的机电一体化产品，它的功能复合化，其核心是在一台机床上要完成铣、雕等多种操作工序，弥补了加工中心和数控雕刻机之间的空白。如今，高速加工技术是当代四大先进制造技术之一，而高速主轴系统是数控雕铣机的核心功能部件之一，电主轴是高速主轴系统的主要形式。所以本次研究的是高速数控雕铣机的总体设计，利用高性能结构陶瓷作为高速主轴轴承及主轴材料研制开发陶瓷电主轴单元，可以充分发挥陶瓷材料的优良性能，极大地减少主轴部件高速旋转的离心力和惯性力，提高主轴单元的刚度和回转精度，以适应主轴单元高速化和精密化的要求。目前，世界各国竞相发展自己的高速加工技术，高速加工技术的成功应用产生了巨大的经济效益。关键词：数控雕铣机，高速加工技术，高速主轴系统，陶瓷电主轴单元，经济效益CNC engraving and milling machine overall designAbstractCNC engraving and milling machine is a typical electromechanical integration products,its multiple functions,its core is on a single machine to complete the milling,carving,and other operation process, to make up for a machining center and CNC engraving machine between the empty bag. Nowadays,high speed machining technology is one of the four advanced manufacturing technology,and high-speed spindle system is one of the core features of CNC engraving and milling machine,electric spindle is the main form of high-speed spindle system.So this study is the overall design of high-speed CNC engraving and milling machine, the use of high performance structure ceramics as high-speed spindle bearings and spindle material research and development of ceramic electric spindle unit,can give full play to the ceramic material of excellent performance,greatly reducing the spindle component high speed rotating centrifugal force and inertia force,the increase of the stiffness in the spindle unit and rotary precision,to adapt to the requirement of high speed spindle unit and motors.At present, countries around the world racing to develop their own high speed machining technology,the successful application of high speed machining technology has a huge economic benefits.Keywords:CNC engraving and milling machine ,high speed machining technology,high-speed spindle system ,ceramic electric spindle unit,economic benefits中北大学2014届毕业设计说明书目 录1 引言11.1 高速数控雕铣机课题介绍11.2 高速数控雕铣机的特点和现状11.2.1 国内外高速数控雕铣机的现状和发展趋势11.2.2 典型高速数控雕铣机介绍21.3 数控雕铣机的组成及工作原理31.3.1 数控雕铣机的组成31.3.2 数控雕铣机的工作原理42 高速雕铣机总体布局设计方案52.1 机床整体布局设计52.2 设计方案分析53 高速数控雕铣机主传动系统的设计方案73.1 高速数控雕铣机主传动系统的特点73.2 高速雕铣机主传动系统配置方式73.3 高速雕铣机主轴组件设计83.3.1 高速雕铣机电主轴设计的基本要求83.3.2 高速雕铣机电主轴工作原理83.3.3 高速雕铣机电主轴基本结构93.3.4 全陶瓷电主轴的总体结构设计103.3.5 无内圈式全陶瓷电主轴的总体结构设计123.3.6 高速精密无内圈式全陶瓷球轴承技术143.3.7 高速雕铣机陶瓷主轴及其刀具接口设计153.3.8 高速雕铣机全陶瓷电主轴单元高速动平衡及精密装配163.3.9 高速数控雕铣机陶瓷电主轴冷却系统设计173.3.10 高速数控雕铣机陶瓷电主轴润滑系统的设计184 高速数控雕铣机伺服进给传动系统设计方案204.1 滚珠丝杠副的选择20第 I 页 共 III 页4.2 滚珠丝杠的支承结构204.3 支承轴承的选择204.4 滚珠丝杠的制动装置214.5 步进电机与进给丝杠的联结结构214.6 导轨方案设计214.7 换刀方案设计215 相关零部件的计算与校核225.1 主轴系统的重力计算225.1.1 主轴安装座的体积V1及重力G1计算：225.1.2 活动支架的体积V2及重力G2计算：225.2 主轴铣削力计算225.3 滚珠丝杠副的选择计算235.3.1 确定滚珠丝杠副的导程Ph235.3.2 确定当量转速与当量载荷245.3.3 确定预期额定动载荷245.3.4 按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m255.3.5 确定滚珠丝杠副的规格代号265.3.6 确定滚珠丝杠副预紧力265.3.7 行程补偿值与预拉伸力265.3.8 确定滚珠丝杠副支撑用的轴承型号规格275.3.9 滚珠丝杠副工作图275.3.10 传动系统刚度285.3.11 滚珠丝杠副临界压缩载荷Fc的校验285.3.12 滚珠丝杠副的极限转速nc的校验285.3.13 Dn值校验295.3.14 基本轴向额定静载荷Coa验算295.3.15 强度验算295.4 三相感应电动机的选择306 电气部分的设计方案32第 II 页 共 III 页6.1 硬件部分电路设计326.2 80C51外部电路扩展336.3 控制系统总体设计347 零件加工的相关程序357.1 坐标系及其运动方向357.2 零件加工程序举例35参考文献38致 谢39第 III 页 共 III 页1 引言1.1 高速数控雕铣机课题介绍数控雕铣机集计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品1。它是数控技术与雕刻、铣削工艺相结合的产物,通过数控系统根据加工程序代码控制雕铣机动作，实现雕刻、铣削加工的自动化，是一种多用途的数控机床，它的功能复合化提高了机床的效率和加工精度，提高了生产的柔性。所以数控雕铣机的发展和应用在一定程度上改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了变化。一直以来，数控雕铣机向着高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化、开放性等主要方向发展2。其中，以髙切削速度、高进给速度、高加工精度为主要特征的高速加工技术是当代四大先进制造技术之一，是制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术。它能大幅度提高机械加工精度和生产效率，不仅能适应单件、各批量生产，还能加工传统方法难以加工的形状复杂、精确度高的零件。所以高速数控雕铣机的应用将更好地发挥数字技术和信息技术对提升制造业水平的重大作用。1.2 高速数控雕铣机的特点和现状1.2.1 国内外高速数控雕铣机的现状和发展趋势作为高速加工技术产品的数控雕铣机综合了数控铣和数控雕刻机的所有功能。从理论上讲，凡是能数控铣的或能数控雕刻的工艺内容都可用本机床来完成。国内高速数控机床产品的研究还处于刚起步阶段，在技术上大多还不够成熟，市场占有率较小。在日、美、西欧等发达国家高速数控机床的技术已较成熟，正处于迅速产业化阶段。虽然国外的高速机在技术上有一定的优势，但价格昂贵。目前我国急需国产数控机床高速化，有关企业从国外购买高速数控关键单元设备，由于国外对该单元生产技术不予出口，所以我国目前在高速加工技术处于被动落后的地位3。目前，新型大功率数控雕铣机主轴的转速正在由12000rmin提高到24000rmin甚至更高，最大连续输出转矩正由2(Nm)提高到10(Nm)甚至更高，快速移动由4 mmin提高到40mmin，定位精度由0006mm提高到0003mm。重复定位精度由0015mm提高到0003mm。新一代数控雕铣机这些综合性能指标的大幅提高，对机床的性能提出了更高的要求。而在高速下同时达到不影响精度，甚至提高精度，在高精度的要求下同时达到高效率往往是困难的。如何大幅度同时提升精度、速度及加工效率，使之达到最佳的优化组合，是目前设计者在新机床的设计时所必须解决的难题。1.2.2 典型高速数控雕铣机介绍广州鑫泰定梁式数控雕铣机GSFD6080系列广州鑫泰定梁式数控雕铣机GSFD6080机械性能参数指标见表1.1，模型图见图1.1.表 1.1 雕铣机GSFD6080机械性能参数指标 主要机械性能指标项 标准值 工作台尺寸（mm） 800*600 X、Y、Z轴最大工作行程 （mm） 600、800、280 最大进给速度（m/min） 15 主轴电机功率（kw） 5.5 主轴转速范围（rpm） 6000-24000 最高切削进给速度（m/min） 10 X/Y/Z轴运动定位精度（mm） 0.016、0.016、0.014 X/Y/Z轴重复定位精度（mm) 0.01、0.01、0.008 机床外形尺寸（L*W*H/mm) 2500*1500*2100 机器总功率(kw) 10 机器轴联动数(个） 5第 2 页 共 39 页图 1.1 雕铣机GSFD6080模型图特点及应用：定梁式数控雕铣机GSFD6080系列配备名牌精密数控系统，采用台湾知名厂商高精密直线导轨，具有高强度导向精度和运动平稳性，适合于高速雕铣加工，具备CNC标准化功能，是中档高效的数控加工设备。该系列机床为龙门式结构，整机刚性好，操作方便灵活，扩展性强，可实现三轴联动、四轴联动、五轴联动，用途广泛，特别适用于文字、图案雕刻以及各种形状复杂的二、三维凹凸模型的型腔和表面的加工，适于小批量模具零件的生产4。1.3 数控雕铣机的组成及工作原理1.3.1 数控雕铣机的组成数控雕铣机一般由控制介质、数控装置、伺服机构、和机床本体（机械部件）组成5，如图1.2所示，其中实线部分表示开环系统。为了提高加工精度，再加入测量装置，由虚线构成反馈，成为闭环系统。图 1.2 数控雕铣机的组成1.3.2 数控雕铣机的工作原理用数控雕铣机加工零件时，首先将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按各坐标的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其它辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作，从而加工出零件的全部轮廓。数控雕铣机的加工，是把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小的单位量，及最小位移量，由数控系统按照零件程序的要求，使坐标移动若干个最小位移量，从而实现刀具与工件的相对运动，完成对零件的加工6。当走刀轨迹为直线或圆弧时，数控装置则在线段的起点和终点坐标之间进行插补，求出一系列中间点的坐标值，然后按中间的坐标值，向各坐标输出脉冲数，保证加工出需要的直线或圆弧轮廓。对任意曲面零件的加工，必须使刀具运动的轨迹与该曲面完全吻合，才能加工出所需的零件。数控雕铣机具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需要重新编制加工程序即可，原来的程序可存储备用，不必像组合机床那样需要针对新加工零件重新设计机床，致使生产准备时间过长。2 高速雕铣机总体布局设计方案2.1 机床整体布局设计对于数控雕铣机，从机械角度分析，其结构应满足：非移动部分刚性要好，移动部件在保证其具有良好刚性的前提下，尽可能轻巧，灵活性要好。要满足这些要求,就要对其机械结构进行合理设计。从总体布局与工件形状、尺寸和重量的关系讲，雕铣机用于完成较小铣削量，小型模具的精加工，适合铜工、石墨等软金属的加工，因此可采用升降台结构，由工件完成三个方向的进给运动，分别由工作台、滑鞍和升降台来实现。从运动分配与部件的布局来讲，在数控雕铣机上加工空间曲面型工件一般要用到五轴联动，即除主运动以外，一般需要有三个直线进给坐标X、Y、Z，以及两个回转进给坐标，以保证刀具轴线向量处与被加工表面的法线重合，且需要对工件的顶面进行加工，则主轴采用立式的。从总体布局与机床的结构性能来讲，龙门式架构具有超宽的立柱和横梁，其极好的对称性和极佳的钢性是高速切削设备的首选结构，且以定梁式居多。综上所述，高速雕铣机的总体布局图如2.1所示。图 2.1 高速雕铣机的总体布局2.2 设计方案分析数控雕铣机整体采用十字形床身布局，前床身横置，与主轴轴线垂直，升降台带着工件做Z向进给运动，滑鞍则负责X、Y方向的进给运动，三轴的方向如图2.2所示。这种布局使得X、Y方向的进给运动，在全部行程范围内工作台均可支撑在床身上，故刚性较好，提高了工作台的承载能力，易于保证加工精度，而且可用较长的工作行程。另外立式数控机床结构，工作台在水平面，工件的安装调整比较方便，工作台由导轨支撑，刚性好，切削平稳，加工精度高。但是十字形的床身布局，当工作台在X方向做大距离移动或Y向进给时，Y向床身的一条导轨要承受很大的偏载，而且立式结构还存在力矩不良的问题，所以选择材料时要特别注意。因铸铁具有良好的稳定性、吸振性和耐冲击性，可使机床的结构强度和刚性有显著提高，故本机床整体式床身底座采用铸铁铸造而成。它为箱形结构，内部筋板采用米字型筋配合的网状结构，确保了对Y工作台和立柱的刚性支撑，使机床动态加工稳定性可达到最好7。因机床的刚性主要用于克服移动部分在高速移动时对非移动部分的强大冲击，所以导轨和丝杠在设计时应尽量粗一些，且应加大导轨间的跨距，以加强刚性。采用了这些措施，此数控雕铣机便可在保证刚性的情况下提高加工精度，适用于软金属的高速加工。图 2.2 数控雕铣机坐标轴方向3 高速数控雕铣机主传动系统的设计方案3.1 高速数控雕铣机主传动系统的特点高速雕铣机的主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，与普通机床主传动系统相比有如下特点：(1)结构上比较简单，变速功能大都由主轴电动机的无级调速来承担，省去了复杂的齿轮变速结构；(2)转速高，功率大；(3)变速范围宽；(4)主轴变速迅速可靠；(5)主轴主件的耐磨性高。3.2 高速雕铣机主传动系统配置方式(1)带有变速齿轮的主传动；(2)通过带传动的主传动；(3)用两个电动机分别驱动；(4)内装电动机主轴传动结构。提高主传动系统中主轴转速是提高切削速度最直接、最有效的方法。对于高速和超高速数控机床主传动一般采用两种方式：一种是采用联轴器将机床主轴和电动机轴串接成一体，减少中间传动环节；另一种就是将电动机和主轴合为一体，制成内装式电主轴8。对电主轴来说，其本质就是一台内置电机。目前，电主轴较常用的电动机有两种：永磁同步电动机和交流异步感应电动机。永磁同步电动机转子没有损耗，具有更高的效率；电机体积较小；由转子磁钢产生气隙磁密，功率因数较高；在同样输出功率下所需整流器和逆变器的容量较小；有较小的转动惯量，快速响应能力好；励磁磁通大小不变，且与电枢电流有着固定的相位关系，控制比较简单。相比较而言，永磁同步电动机综合性能高于感应电机，但造价高，维修也困难，但感应电机极限转速高；价格比较便宜；维修方便；技术比较成熟；对控制系统的要求也比较低，所以电主轴的电机选择为感应电机。3.3 高速雕铣机主轴组件设计3.3.1 高速雕铣机电主轴设计的基本要求(1)高精度该精度属于无载荷、低速下的工作精度。高速电主轴应有较高的回转精度，通常要求主轴的径向跳动小于0.003mm，轴向窜动小于0.005mm。(2)高刚度主轴单元的刚度是指在外载荷作用下抵抗变形的能力，包括轴向刚度和径向刚度，刚度可分为静刚度和动刚度。(3)抗振动能力(4)热稳定性主轴单元的抗振动能力和热稳定性反应了机床电主轴的动态工作精度。(5)精度保持性主轴单元的精度保持性是指抗磨损且能长期保持其原有精度的能力，通常用主轴单元的精度寿命来衡量其精度保持性，一般应保证电主轴的精度寿命在500010000h。3.3.2 高速雕铣机电主轴工作原理高速电主轴的工作原理是，高速电主轴的电动机部分由产生旋转磁场的定子绕组和把电能转换为机械能的转子组成。高速电主轴的定子和转子的是形成功率输出有效部分的主要部位。电主轴持续工作功率主要取决于电动机的机械效率和冷却效果，机械效率的高低则主要取决于轴承高速化参数Dmn（Dm为轴承中径，n为转速）。电主轴就是利用输入电动机定子绕组的电流频率和励磁电压来获得各种转速。在加速和制动过程中，通过提供相当于最大扭矩的频率进行加减速，以免电机升温过高。由于电动机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向9。通常从转速提出相应的功率参数、体积参数和刚度参数，作为定性评价高速电主轴的可比度：=KAB式中：Pn功率参数；Vn体积参数；K常数，取K8.3610；A单位线负荷；B空气隙磁通密度，单位为T。3.3.3 高速雕铣机电主轴基本结构高速电主轴要获得好的好的动态性能和使用寿命，必须对电主轴各个部分进行精心设计和制造，电主轴基本结构原理如图3.1所示;图 3.1 电主轴基本结构主要包括如下几个部分:轴壳、转轴、轴承、定子与转子和轴端结构。对于轴端结构而言，随着机床向高速、高精度、大功率方向发展，沿用多年的标准化的7/24锥连接已不能适应高速机床主轴的要求，它限制了主轴转速和机床精度的进一步提高。目前，对主轴与刀具连接研究较成功的设计主要有两大类型：一种为采用新思路的替代型设计，如图3.2所示的德国HSK系列，另一种为改进型设计，如图3.3所示的美国WSU系列10。图 3.2 HSK刀柄与主轴连接图 3.3 WSU刀柄与主轴连接3.3.4 全陶瓷电主轴的总体结构设计陶瓷材料一般分为传统陶瓷和新型陶瓷两大类。高性能结构陶瓷由于具有比重轻、耐磨、耐高温、高弹性模量、高抗压强度及韧性、无磁性、绝缘等优良综合特性，被认为最适合用来制造陶瓷轴承和主轴等高转速、高精度零部件。利用高性能结构陶瓷作为数控机床高速主轴轴承及主轴材料的主要目的，是为了减少主轴部件高速旋转的离心力和惯性力，提高主轴单元的刚度和精度，以适应主轴单元高速化和精密化的要求。全陶瓷电主轴单元的研制是一个技术创新的过程，它的研制流程如图3.4所示，其过程可分为5个阶段，各阶段的主要任务分别为：确定应用于高速大功率磨削加工的陶瓷电主轴单元的主要技术指标，包括转速、功率、扭矩、精度、刚度、使用寿命等，并据此选用合适的结构陶瓷材料；对陶瓷电主轴单元结构进行初步设计，包括：主轴结构、轴承的选型及配置、预紧、冷却与润滑、轴上零件的联结、刀具接口、动平衡等；基于陶瓷主轴-轴承系统的动力学特性分析，结合所选用陶瓷材料的性能，对陶瓷轴承及陶瓷轴的结构参数进行优化设计；陶瓷零件的制备、精密加工与陶瓷电主轴单元的精密装配；在前四个阶段工作的基础上，通过改进设计和反复试验，最终完成陶瓷电主轴单元的研制。其中，前四个阶段是按照并行工程的基本原理，将理论分析与仿真、设计与制造、材料与工艺交叉结合，同时展开进行的。将前四个阶段的研究成果最终汇集到第V阶段，明显缩短了新型陶瓷电主轴的研制周期，减少了研制费用，保证了研制的成功率。设计开发的陶瓷电主轴经精密制造及装配后，其主要性能指标拟达到：最高转速为3000050000r/min；最大功率为1525KW；静态回转精度0.002mm；平均无障碍运行时间5000h；电主轴系统刚度200N/m；动平衡精度G0.4级；润滑方式为油-气润滑11。图 3.4 陶瓷电主轴单元研制的流程图3.3.5 无内圈式全陶瓷电主轴的总体结构设计高速陶瓷电主轴单元的设计，是实现高速加工最关键的技术之一。由于工程陶瓷具有的完全不同于钢材的高硬脆特性，给其结构设计、制造和控制等带来了一系列技术难题。例如，如果按传统电主轴设计方案，必须解决全陶瓷轴承在陶瓷转子轴上的安装及定位问题，然而，由于陶瓷材料具有很高的硬度和极小的热膨胀系数，并且抗压强度极高而抗拉强度相对较小，无法保证陶瓷内圈剔除了与陶瓷转轴的精密装配。此外，还要考虑陶瓷轴承的轴向定位问题。因此，为了解决这些难点问题，在此创造性地提出了无内圈全陶瓷球轴承支承技术。在最初的设计方案中，陶瓷轴承外圈及陶瓷球均采用热等静压氮化硅陶瓷材料，但考虑到同质材料磨损严重的影响，尤其是大尺寸氮化硅主轴制备技术还不够成熟，因此放弃了该方案。通过对比常用陶瓷材料性能可知，氧化锆陶瓷具有比氮化硅更好的断裂韧性，无润滑摩擦小，导热系数极低，热膨胀系数与钢的几乎一致，此外，抗弯强度、使用温度与氮化硅材料接近，但其制备及加工成本却仅为热等静压氮化硅的1/81/7，更有利于推广应用。与热等静压氮化硅材料相比，氧化锆陶瓷的不足之处是体积密度稍大，运转离心力较大，弹性模量略小，但与轴承钢与不锈钢相比仍然有很大优势。因此，经过综合考虑，最终确定陶瓷主轴采用氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷材料（Y-PSZ），陶瓷球采用热等静压氮化硅陶瓷材料。同时，陶瓷轴承套圈设计了三套方案，分别采用轴承钢（GCr15）、氧化锆（Y-PSZ)和热等静压氮化硅（HIPSN）12。综上所述，无内圈全陶瓷电主轴的总体结构如图3.5所示，主要技术指标如表3.1所示：图 3.5 无内圈全陶瓷电主轴的总体结构表 3.1 无内圈全陶瓷电主轴的主要技术指标主要技术指标项标准值最高转速（r/min）30000功率（kw）15额定电流（A）34额定电压（V）350额定频率（Hz）10003.3.6 高速精密无内圈式全陶瓷球轴承技术高速精密轴承技术是高速主轴系统中最核心的关键技术之一。目前，国内外数控机床主轴采用较多的轴承形式有滚动轴承、液体静动压轴承和气体轴承等，其中最主要的是角接触式混合陶瓷球轴承。鉴于所设计的全陶瓷电主轴主要用于高速大功率精密的雕铣加工，根据主轴的主要技术指标和要求，将支撑轴承形式设计为无内圈式角接触陶瓷球轴承，并根据经验类比法确定轴承型号为7008C，其尺寸内径40mm，外径68mm，厚度15mm。根据切削负荷大小、形式和转速可知，电主轴轴承一般采用的配置形式有很多，包括单联轴承、双联轴承（串联和并联）、混合轴承配置等多种形式13。由于无内圈式轴承的内沟道直接加工在转轴上，考虑到轴承的安装，其具体的配置形式改进为如图3.5。滚动轴承保持架的功能主要是为了组装方便，使滚动体之间保持适当的间隔。球轴承使用的保持架有三种基本引导方式：球引导（BR）、内圈挡边引导（IRLR）以及外圈挡边引导（ORLR）。由于高速主轴轴承内圈散热条件差，应得到更为充分的冷却与润滑。采用外圈引导保持架，有利于使轴承得到充分的润滑。在设计中，最终确定的保持架引导方式为外圈单边引导方式，如图3.5。并且选用聚醚乙酮PEEK作为保持架的材料，它与HIPSN间的摩擦系数最小为0.028，几乎没有被磨损，能满足高速要求。角接触球轴承一般必须在中轴向有预加载荷条件下才能正常工作。预加载荷不仅可以消除轴承的轴向游隙，还可以提高轴承刚度、主轴的旋转精度，抑制振动和陶瓷球自转时的打滑现象等。经过分析，设计时最终确定选用弹性预加载荷装置，轴承的装配方案为前后各一对面对面配置的无内圈式全陶瓷角接触球轴承，如图3.5。预加载荷值的经验值如表3.2所示。表 3.2 单套轴承预负荷推荐值内径/mm10121517202530354045505560轻负荷/N202226264155657692110110145145推荐值/N40455060901101502002252503003504003.3.7 高速雕铣机陶瓷主轴及其刀具接口设计氧化锆陶瓷材料的高硬度和高脆性，使得在陶瓷的制备和加工过程中遇到了在很多传统的金属切削、磨削加工过程中所不曾遇到的难题。考虑到陶瓷材料的高加工成本以及难以测控的加工表面损伤层，对陶瓷转轴设计提出以下基本要求：陶瓷轴的阶梯尽可能少，梯度尽可能小，轴端孔壁厚保留8mm，最小轴径40mm，轴上尽量避免开螺纹及槽、孔等。根据这一基本要求，我们设计了无内圈的轴承支撑结构，避免了在轴上设计轴承定位装置，简化了转轴的结构。根据主轴的目标参数，按照经验类比方法，初步确定主轴的平均直径、悬伸量和支承跨距等。由于氧化锆陶瓷具有导热系数低的特点，而设计主轴的最小直径均达到45mm，长度达到250300mm，为了保证陶瓷材料烧结的均匀性，避免出现烧结变形、烧不透、应力集中导致裂纹等问题，将陶瓷主轴设计为空心轴，中心孔达到2040mm。电主轴的性能除了受轴承及润滑技术影响较大外，还受许多因素的影响，其中包括轴承预紧力的控制、内装电机的发热与冷却、主轴的动平衡、轴上零件的连接等。此外，主轴轴端的设计也是高速电主轴不容忽视的问题。考虑到高速内圆砂轮均是通过砂轮接杆安装，因此在轴端设计了内螺纹，用内置接杆式方案满足不同刀具连接方式，如图3.6.图 3.6 内置接杆式陶瓷主轴的设计方案在内置接杆式陶瓷主轴的设计方案中，前端内置螺纹要求的精度高，在陶瓷轴的烧结和精密加工过程中很难保证其精度，且成品率低，因此，在实际应用中，使用其替代方案，即前端内螺纹不直接烧结，而是在相应位置采用高强度黏合剂黏结钢制内螺纹套，如图3.7所示。这样既降低了制造成本，同时也保证了接杆安装的精度。同时，采用钢质螺纹套黏结还能起到缓冲作用，避免在过载冲击作用下直接作用于陶瓷轴及陶瓷轴承而造成整体性破坏。图 3.7 陶瓷主轴前端内置钢质螺纹套的设计方案3.3.8 高速雕铣机全陶瓷电主轴单元高速动平衡及精密装配为保证高速切削，主轴应具有良好的运转精度和转动能力，其零部件需具有良好的加工精度、表面质量及良好的装配精度。电主轴单元的精密装配包括主轴与电机转子、主轴与前后轴承、主轴与轴承隔圈和定位过盈套、主轴与刀具、轴系与轴承座、轴承座与壳体之间的精密装配。精密装配要保证的主要两点是电主轴整体刚度和整体的动平衡精度。本设计中电主轴的最高转速将达到3000050000r/min。主轴运转部分微小的不平衡量都会引起巨大的离心力，造成机床的振动，导致加工精度和表面质量下降，因此设计中必须严格遵循对称设计的原则，键联结和螺纹连接在电主轴上被禁止使用。电动机转子与机床主轴之间用过盈配合来实现扭矩的传递，要满足静态传递能力的要求和动态特性的影响。在电主轴的设计中，根据相关公式分别对陶瓷主轴和电机转子的静态过盈量和动态过盈量进行了分析计算，过盈量高达0.080.10mm。电主轴的动平衡精度要求十分严格，一般应达到G0.4级。为了使转子在装配后达到精确的动平衡，除了对称设计以外，还必须采取下列两个工艺措施:一是转子硅钢片的外径在装配前应留有一定的加工余量，当转子用热压法（转子一般加温到180200）装入主轴以后，以主轴前、后轴径为定位支承，对转子的硅钢片外圆进行最后的精磨；二是保证主轴动平衡，其措施是在电动机转子的两个端盖上对称地加工出1624个直径略有不同的螺纹孔（M4或M6）。当电主轴组装完毕后，根据动平衡机的测试结果，在一定的方位上，旋入相应的平衡螺丝并调节其旋入深度，直到完全达到动平衡精度后，用环氧树脂将这些平衡螺丝固化。为了保证转子外圆与主轴的同轴度，达到电机转子的动平衡指标，终磨时应在磨削主轴各外圆的同时磨削转子外圆。此外，还可以在转子两端加装动平衡环，根据检测取舍平衡环相应部位的金属，保证平衡精度。3.3.9 高速数控雕铣机陶瓷电主轴冷却系统设计高速加工技术是指采用比常规切削速度高510倍的速度进行切削加工的一项先进制造技术，高速加工要求机床主传动系统不但要有较高的转速和较大的传动功率和扭矩，而且要有较好的高速热稳定性。电主轴的结构特点是电动机的定子直接安装在壳体内，这对电动机的散热极其不利。同时，发热引起的主轴热变形将导致机床丧失加工精度。因此，要保证高速条件下电主轴的加工精度，关键技术之一是解决内置式主轴电动机的发热，提高电主轴的热稳定性。为了尽快给高速运行的电主轴散热，电主轴必须有冷却系统以保证其恒温。高速电主轴的热源通常来自电动机的发热(包括机械损耗、磁损耗和电损耗)和陶瓷球轴承的发热。电主轴的常用冷却方法是利用循环冷却水降低主轴系统的升温。高速电主轴的冷却系统主要依靠冷却液的循环流动来实现。高速电主轴的冷却系统分为外水套和内水套两种。同时对于油雾或油-气润滑电主轴，其流动的冷压缩空气也能起到一定的冷却作用。此外，也可以经过油冷却装置的冷却油强制性地在主轴定子外及主轴轴承外循环，带走电主轴运转产生的热量。油冷装置控制方式有两种：定温控制和差温控制。由于要考虑环境的影响，一般采用差温控制。电主轴运转时温度不能高但也不能太低，一般大于20，最高不超过40。因为温度太低，将使潮气浓缩成雾，使电动机绝缘状况变差。具体可通过周边环境温度，通过调节油冷机冷却介质的流量及温度来达到使电主轴运转时温度恒定的目的。电主轴油水热交换循环冷却系统示意图如图3.8所示.为了降低散热系数，在该电主轴冷却系统中采用定子循环冷却方法，对电机定子进行强制冷却。为了保证电机的绝缘安全，对定子采用连续、大流量、循环油冷却。其输入端为冷却油，将电动机定子产生的热量从输出端带出，然后流经逆流式冷却交换器回到油箱，此过程中油温接近室温，再经过压力泵增压输入到主轴输入端从而实现电主轴的循环冷却。图 3.8 电主轴油水热交换循环冷却系统示意图3.3.10 高速数控雕铣机陶瓷电主轴润滑系统的设计高速电主轴的润滑主要指主轴轴承的润滑，轴承的润滑要选择适合使用条件和使用目的的润滑方法。当前电主轴主要有三种润滑方式：脂润滑、油雾润滑和油-气润滑。此设计采用油-气润滑，ISO VG32ISO VG100导轨油是很合适的，在重载条件下，还可选用耐高压含有添加剂的油。应避免使用黏度在ISO VG22以下的润滑油，禁止使用含有二硫化钼添加剂的润滑油，因为这种润滑油中的二硫化钼会停留在喷嘴内孔处，从而阻塞喷嘴，此外，二硫化钼的喷镀作用也会增大轴承粗糙度，加剧磨损。润滑系统原理图如图3.9。图 3.9 润滑系统原理图4 高速数控雕铣机伺服进给传动系统设计方案在数控机床中，为确保控制系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常需满足低摩擦、低惯量、高精度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。机床的精度很大程度取决于进给丝杠的精度和机床导轨的精度。因此，雕铣机进给系统采用内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副，采用高精度直线导轨。4.1 滚珠丝杠副的选择本设计中工作台的丝杠选用的是滚珠丝杠副。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动变为旋转运动。它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。滚珠丝杠的摩擦系数小，传动效率高。滚珠丝杠主要承受轴向载荷。因此对丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高。选定进给传动用滚珠丝杠副是考虑以下原因：与机床定位精度要求相适应的丝杠精度、丝杠的刚性与传动惯量。在开环和半闭环数控机床中，滚珠丝杠的精度将直接影响机床的定位精度和随动精度。为了获得高精度、高刚度的进给系统，应选用精度高的滚珠丝杠传动副，但也要考虑价格的因素，所以将其的精度等级定为4级。4级精度的丝杠副采用消隙、螺距误差补偿等措施，完全能满足机床的定位精度要求。丝杠的刚度与直径的大小直接相关，直径大刚度就好，但转动惯量也大大增大。本设计经计算分析后选定Z轴滚珠丝杠副的公称直径为25mm，导程为4mm。4.2 滚珠丝杠的支承结构 滚珠丝杠的支承方式有三种：一种为一端固定，另一端自由放置；一种为一端固定，一端简支承方式14；本设计采用第三种，其为两端固定，用于高转速、高拉压刚度的场合。4.3 支承轴承的选择为了获得高精度、高刚度的进给系统，不仅应选用高精度高刚度的滚珠丝杠副，而且必须十分重视滚珠丝杠支承的设计。因滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷来自于卧式丝杠的自重，因此，滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求很高。因数控雕铣机的进给系统要求运动灵活，对微小位移(丝杠微小转角)响应要灵敏，因此应选用运转精度高、轴向刚度高、摩擦力矩小的滚动轴承。目前，各类轴承中用得最多的是推力角接触球轴承。数控机床选用这种角接触球轴承，通常需要把2个以上的轴承组合起来，且施加预紧力来使用。其组合形式有背靠背组配(DB方式)、面对面组配(DF方式)、串联组配(DT方式)15。在数控机床上选用此种轴承时，为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度，一般采用DF组配方式。4.4 滚珠丝杠的制动装置由于滚珠丝杠副的逆转动效率很高，逆向转动不能自锁，因此当它处于垂直安装时必须另外设有制动装置，以防止伺服电机在停止转动时，运动部件因自重而产生的逆转动，也可以防止因偶然因素造成的事故，雕铣机采用拉伸弹簧和步进电机的制动来作为滚珠丝杠副的制动装置。4.5 步进电机与进给丝杠的联结结构在数控机床进给系统中，步进电机与滚珠丝杠联结要保证传动无间隙。这样才能准确执行脉冲指令，不会造成“失步”，影响机床的加工精度和传动精度。在雕铣机床中，Z轴采用直联式，即通过非金属弹性元件联轴器把步进电机和滚珠丝杠联结起来。带弹性元件挠性联轴器除有补偿性能外，还具有缓冲和减震作用16。此外，非金属弹性元件联轴器能保证步进电机与丝杠的同轴度，即使步进电机与丝杠安装的同轴度不是很精确，也可通过非金属弹性元件联轴器来调节。非金属联轴器有较好的阻尼性能，能提高抗震性，且装卸方便。4.6 导轨方案设计导轨的要求如下：精度高、承载能力大、刚度好、摩擦阻力小、运动平稳、精度保持性好、寿命长、结构简单、工艺性好、便于加工装配调整维修机成本低等。因数控雕铣机要求有良好的灵活性以满足机床的高速雕刻要求，本机床Z轴方向上采用高精度直线导轨。直线滚动导轨通常两条成对使用，可以水平、垂直或倾斜安装，但要保证两导轨平行。其安装形式有单导轨和双导轨定位两种，X、Y轴上均采用双导轨定位，Z轴上采用单导轨定位。4.7 换刀方案设计本设计采用回转刀架换刀。5 相关零部件的计算与校核5.1 主轴系统的重力计算主轴系统主要由两部分组成：主轴安装座和活动支架。现分别计算其体积V及重力G,取灰铸铁的密度HT250=7.0103(kg/m3)。5.1.1 主轴安装座的体积V1及重力G1计算：V1=（502110-302120+706080）10-98.60410-4m3G1=m1g=HT250V1g=7.01038.60410-49.860.23N5.1.2 活动支架的体积V2及重力G2计算：V2=（6018570-25260-18260-20260）10-95.2310-4m3G2=m2g=HT250V2g=7.01035.2310-49.836.75N主轴系统的重力计算值见表5.1。表 5.1 主轴系统的重力计算值主轴安装座60.23N活动支架36.75N5.2 主轴铣削力计算雕铣机加工方式与数控铣床相似，因此按计算铣床的铣削公式计算其铣削力。主铣削力Fc计算：见式（5.1）雕铣机属于立铣加工，刀具选用材料为硬质合金钢，加工材料为钢材。Fc=CFKFae0.86af0.72d0-0.86Zap 式（5.1）式（5.1）中，CF表示切削系数。取CF=669；KF表示修正系数。取CF=1.08；ae表示铣削宽度。取ae=1.5mm；af表示每齿进给量。取af =0.1mm；d0表示铣刀直径。取d0=6mm；Z表示铣刀齿数。取Z=6；ap表示铣削深度。取ap=0.5mm。代入式（5.1）得：Fc=6691.081.50.860.10.726-0.8660.5125N垂直分力、横向分力，纵向分力计算：各铣削分力的比值可得：； ； 计算可得：=47.5N; =106.25N; =96.25N主轴铣削力相关计算值见表5.2。表 5.2 主轴铣削力相关计算值5.3 滚珠丝杠副的选择计算5.3.1 确定滚珠丝杠副的导程Ph滚珠丝杠副导程Ph的计算见式（5.2）。Ph = 式（5.2）式中Ph表示滚珠丝杠副的导程mm；Vmax表示工作台最高移动速度m/min；nmax表示电机最高转速r/min；i表示传动比。因雕铣机伺服电机与滚珠丝杠副通过联轴器直接传递力矩，因此传动比i=1。根据经验的技术参数可知，Vmax=5m/min 。根据电动机功率为200W,查得nmax=3000r/min。代入式（5.2）得Ph =1.67mm选择导程为4mm的滚珠丝杠副。5.3.2 确定当量转速与当量载荷当负荷与转速接近正比变化时，各种转速使用机会均等时，可采用下列公式计算。当量转速的计算见式（5.3）。nm= 式（5.3）式中nm表示当量转速r/min；nmax表示滚珠丝杠副的最高转速；nmin表示滚珠丝杠副的最低转速。nmin =0。因雕铣机伺服电机与滚珠丝