（机械工程专业论文）高速精密五轴联动加工中心结构设计及性能研究.pdf

四j3 1 9 液体静压轴承 滚珠轴承，但是前三者的高费用和高温升问题到现在还没有很 好的解决，加上从技术的角度滚珠轴承已经被大多数的高速加工机床采用，而 且为适应高速的要求，已经开发出高速滚珠轴承。结合宁江开发的五轴联动加 工中心主要用于铣削的要求，宁江五轴联动加工中心n j 一5 h m c 4 0 选择采用压力 角为1 5 0 或2 5 0 的角接触滚珠轴承，精度等级以精密级( c 级) 和超精密级( b 级) 为主。径向止推的角接触滚珠轴承主轴轴承的摩擦特性好，且具有易于调 整的轴向预紧的。另外，出于精密性和刚性的考虑，宁江五轴联动加工中心 n j 一5 h m c 4 0 采用混合轴承，即它的内、外圈由轴承钢制成，但滚珠由氮化硅陶 四川i 大学工程硕士学位论文 瓷制成。 与钢球相比，陶瓷球密度减少6 0 ，因而可大幅度地降低离心力。另外， 陶瓷的弹性模量比钢高5 0 ，在相同的滚珠直径时，混合轴承具有更高的刚度。 氮化硅陶瓷的另外一个特点是摩擦系数低，由此可减少轴承运转时的摩擦发 热、磨损及功率损失。另外，该轴承通过液压或弹簧预加载。这样设计避免由 于传动轴热量增大引起轴向载荷过大造成热量扩散到电机和轴承上。 ( 3 ) 润滑方式 除轴承外，润滑方式是保证主轴组件耐磨性的重要部分。主轴组件为长期 地保持其原始制造精度的能力，在各滑动表面，包括主轴颈和轴承配合面以及 主轴端部和内锥孔等都需要进行润滑。同时不同的润滑条件轴承所能达到的特 征值也不同，如表2 3 。 表2 - 3 电动主轴转速特征值 普通结构轴承高速轴承陶瓷滚珠高速轴承 油脂润滑0 8 1 01 1 1 31 3 1 5 油雾润滑 1 5 1 81 7 201 9 2 2 油气润滑 2 2 2 42 4 2 62 5 2 7 脂润滑是一种使用最多的方式，优点是结构简单，维护方便，可靠性高和 造价低廉。缺点是最高转速较低，要提高转速，只有通过采用陶瓷滚珠的途径。 油雾润滑又称气油润滑，在主轴起动前必须先起动润滑装置，该装置将 润滑油与压缩空气混合然后通过管路将油雾喷入各轴承。这种润滑方式属于强 制润滑，在正常工作情况下，可保证良好的润滑条件以提高转速。其缺点是结 构复杂，主轴壳体要附设许多必须密封的润滑通道，制造成本较高。另外，主 轴除驱动电气装置外，还必须有润滑状态监视系统，以便当润滑系统出现故障 时，能及时停车，避免主轴遭到损坏。油雾润滑的另一个缺点是油耗较多，且 在较高的转速时，润滑油膜与滚珠摩擦发热，主轴温升较大，限制了转速更大 提高。 要进一步提高转速就必须使用油气润滑又称喷油润滑。宁江五轴联动加工 中心n j 一5 h m c 4 0 设计采用的高速电动主轴就采用油气润滑。油气润滑与油雾润 滑的造价基本相似，这种润滑方式是将微量润滑油滴按固定的时间间隔喷入润 1 9 四川大学工程硕士学位论文 滑管路，油滴在管路中与压缩空气相混合形成了含油量很低的油气。这种油气 的稠度大低于上面提到的油雾，所以滚珠与轴承内外圈之间的浊膜狠薄，轴承 的摩擦损失由此相应减少，从而降低了主轴发热，提高了主轴的最高转速。 ( 4 ) 冷却方式 热变形一直是高速运转必须面对的问题，机床工作时各相对运动处的摩擦 而发热造成温差，使主轴组件在形状和位置上产生变形。比如高速旋转的主轴 电机和轴承都是发热部件，而发热会造成主轴轴承的内外圈变形，以此造成轴 承径向间隙减小和接触角的变化，这些对主轴转速和精度危害是极大的。所以 保持主轴恒温、避免温升也是主轴冷却系统设计的一个重点。 在宁江五轴联动加工中心n 卜5 m f c 4 0 设计的主轴系统中，电主轴的冷却装 置采用环绕主轴的一个温控装置，保证主轴温度的稳定，控温油经过温控器( 冷 却器) 进行循环，使油温变化始终保持在5 。的范围内。这一工艺减小了由 于高转速和工作时间过长而产生的热变形，保证了主轴系统高速运转下的高精 度。 在冷却液的选择上，有空气，水，冷却专业油和主轴油等。从冷却效果上 分析，水的粘度小，比热和密度大，所以其冷却效果：水 主轴油 空气( 各 种冷却剂的特性比较见表2 - 4 ) ，但是宁江五轴联动加工中心n j 一5 h m c 4 0 在 考虑到防锈的基础上，认为冷却专业油比较实用。 表2 - 4 冷却剂的特性比较 冷却剂导热系数x粘度u比热c p密度p 空气0 0 2 60 0 1 8 1 0 41 0 0 51 1 6 水 8 8 0 21 。0 0 2 1 0 - 34 1 8 39 9 8 冷却专业油 0 1 4 704 1 9 1 0 3 2 0 5 27 5 9 主轴油 0 1 4 41 3 1 2 x 1 矿31 ，8 5 18 7 1 主轴组件带动刀具传递运动和动力，所传递的功率占整台机床功率的8 0 左右，主轴组件设计的主要标准之一就是是否能满足传递功率的要求。综上所 述分析和比较，宁江五轴联动加工中心n j - 5 h m c 4 0 采用陶瓷滚珠轴承，油气润 滑、油冷却方式的电主轴结构，由矢量控制驱动器实现主轴高速化。在低速 四川大学工程硕士学位论空 端( 额定转速3 0 0 0 0 r p m 以下) 为恒转矩驱动，在中、高速端( 3 0 0 0 0 r p m 4 0 0 0 0 r p m ) 为恒功率驱动。峰值主轴功率和扭矩为4 6 k w 和1 4 7 n m ，额定主轴 功率和扭矩在1 0 0 工作制时为1 3 k w 和4 2 n m ，完全满足性能要求。电主轴 转速一功率扭矩图如图2 1 2 。 |9 rh li |t i l 一i l。1 删i 0i ，一上酝豳二 1 f h 5 d 4 。 3 。 p mw | 1 0 _ l l 磐 l - 厂 l 卜一卜 乒 ， ：；4 f 鬲苗= 。 一 彳卜 够 笙 j r | l ! 。帮3 “ 。 ”1 嘤 带一4 团2 - 1 2 宁江五轴联动加工中心n j - 5 h m c 4 0 电主轴转速一功率扭矩图 2 3 进给驱动系统 高速切削是高切肖u 速度、高进给率和小切削量的组合，五轴联动加工中心 的进给速度为传统的5 1 0 倍。这就要求机床进给系统很高的进给速度和良好 的加减速特性。一般要求快速进给率不小于6 0 m m i n 。机床制造商大多采用 全闭环位置伺服控制的小导程、大尺寸、高质量的滚珠丝杠或大导程多头丝杠。 随着电机技术的发展，先进的直线电动机已经问世，并成功应用于c n c 机床。直线电机是使电能直接转变成直线机械运动的一种推力装置，将机床进 给传动链的长度缩短为零，它的动态响应性能敏捷、传动刚度高、精度高、加 轴承 滚珠丝杠联轴电机 固2 - 1 3h 卜5 螂c 4 0 机床x y t z 移动轴滚珠丝杠传动结构图 四川大学工程硕士学位论文 减速度大，行程不受限制、噪音低、成本较高，在加速度大于1 9 的情况下， 是伺服系统的唯一选择。先进的直线电动机驱动使c n c 机床不再有质量惯性、 超前、滞后和振动等问题，加快了伺服响应速度，提高了伺服控制精度和机床 加工精度。不仅能使机床在 o m m i n 以上进给速度下进行高速加工，而且快速 移动速度达1 2 0 m m i n ，加速度达2 9 ，提高了零件的加工精度。但直线电动机 在使用中存在着承载力小、发热等问题，应用还不很成熟。 宁江五轴联动加工中心n j 一5 m l c 4 0 在设计进给驱动时，仍然采用了滚珠丝 杠和直线导轨的配合，因为一些尝试用直线电机技术的厂家也由于该技术的不 成熟影响了机床的加工精度和稳定性，为用户使用和自己的售后服务都带来了 困难，滚珠丝杠的成本较低，仅为直线电机的i 2 5 。由此宁江五轴联动加工 中心n j - 5 h m c 4 0 仍然采用滚珠丝杠和直线导轨的配合的进给驱动方式。 尽管机床设计已千变万化，但进给驱动部分的机械结构很大一部分已采用 标准化的机构。几乎所有情况下，采用循环式滚珠丝杠将伺服电机的转动转化 为直线移动。滚珠丝杠一般轴向一端固定，采用预载单向推力球轴承固定，球 轴承要支撑轴向力。伺服电机通常直接和滚珠丝杠系统连接( x y z 移动轴滚 珠丝杠传动结构图见图2 - 1 3 ) ，这保证设计上的紧凑，而且更好满足速度要求。 五轴联动加工中心以目前的发展趋势来看，移动轴的进给速度在8 0 年代 仅为1 百。2 9 m m i n ，加速度o 5 9 左右，9 0 年代中前期为3 0 5 0 m m i n ，加速度 1 9 左右，到9 0 年代后期已达6 0 “8 0 m m i n ，加速度2 9 以上，并向更高速度推 进。 2 。3 ，1 滚珠丝杠和直线导轨配合的机床进给驱动系统的结构设计 从以上分析可知，采用滚珠丝杠的驱动方式仍然是现在国内大多数机床设 计采用的驱动方式。那么，作为高速加工机床的主要进给驱动执行元件一滚珠 丝杠，要适应机床进给驱动高速化的要求，并满足定位精度的同时，如何通过 结构改进和采取措施来进一步提高进给速度和加( 减) 速度成为五轴联动加工 中心开发中的一个重点。 ( 1 ) 精密滚珠丝杠 滚珠丝杠作为进给驱动系统中的重要执行元件，在精度、线速度、加速度 都要兼顾的情况下，需要解决的问题有： 四j i i 大学工程硕士学位论文 a 滚珠丝杠副的最大工作转速不能超过产生共振的临界转速。n c 与丝 杠的材质、螺纹小径、两端支承方式、支承间距等因素有关。随着丝杠技术的 发展，n c 值也在不断的提高。 b 滚珠在螺纹滚道和返向装置中既通畅又可靠地循环滚动的安全转速，可 用类似轴承的d o n 值表示( d o 表示滚珠丝杠的名义直径，n 为丝杠转速) 。要实 现高速化，必须通过改进滚珠螺母返向装置、提高制造精度、安装精度和支承 刚度来提高d o n 值。现在d o n 值已由7 0 0 0 0 提高到1 5 0 0 0