影响车铣复合机床双主轴系统精度的因素分析

2 0 1 4年 1 2月 第 4 3卷 第 1 2期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e De s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g En g i n e e r i n g De c 2 01 4 Vo 1 4 3 No 1 2 D O I 1 0 3 9 6 9 j i s s n 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 4 1 2 0 1 4 影 响车铣复合 机床双 主轴 系统精 度的 因素分析 刘桂 芝 周永 良 1 南京工程学院 江苏 南京2 1 1 1 6 7 2 南京数控机床有限公司 江苏 南京2 1 1 1 0 0 摘要 主轴 系统的精度是决定双主轴车铣复合机床整机加工精度的重要 因素 而主轴 系统的精度 又受机床的 多方面因素如机床 的几何精度 静态和动态刚度及热性能等的影响 因此 机床设计 的关键就归结为如何提 高主轴 系统的精度 通过对复合加工机床双主轴 系统精度影响因素的分 析 提 出相应的解决方法 关键 词 双 主轴 复合 车铣机 床 几何精 度 加 工精 度 中图分类号 T P 2 0 2 文献标识码 B 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 4 1 2 0 0 5 9 0 4 数控机床作为工作母机在机械 加工制造业 中 得到了广泛的应用 随着数控加工技术 的迅猛发 展 现代数控机床向着高速 高精 高效 复合和环 保的方 向发展 以满足加工行业对零件加工精度不 断提高的要求和对零件加工高速高效的不断追求 复合加工机床 C o m p l e x Ma c h i n e T o o l s 也称 之为 完 全 加 工 机 床 C o m p l e t e Ma c h i n i n g M a c h i n e T o o l s 其基本含义就是要在单台复合加工机床上 实现零件的大部分或全部工序的加工 随着机械 加工市场不断增加的对复合加工机床的需求 国际 上复合加工机床将进入激烈的竞争时代 现代的 复合加工不仅仅只是车 铣 钻 镗等的复合加工 而是将车削 铣削 镗削 钻削 磨 削 淬火 电火花 加工 超声波加工 激光加工等不同加工方法都组 合到一 台机床上 使复合加工技术成为推动机床结 构和制造工艺发展的一个新热点 成为数控机床发 展的重要方 向之一 基于上述 目的 设计研制了一种双主轴数控车 铣复合 加 工机 床 以车削 为 基础 的 复合 加工 机 床 其具备双主轴及双主轴的 C 1轴 C 2轴功能 带有 1 2工位动力刀具单刀架及刀具 主轴功能 具 有 Z W4个直线轴 能实现七轴控制 任意两 直线轴 任意 C轴及主轴的四轴联动 以完成零件 的复合曲面的加工 对高速 高效 高精的双主轴 车铣复合加工机床来说 影响其加工精度的主要 因 素就是机床的双主轴 系统 本文从数控复合机床 主轴系统精度的验收要求出发 阐述在设计 加工 装配时保证机床双主轴精度所采取的技术措施 1 数控 复合机床有 关主轴 系统 的精度检 验 标 准 一 根据国家对数控加工中心精度的验收要求 对 双主轴复合加工机床的精度检验项 目由 3部分组 成 即几何精度 位置精度和工作精度 工作精度 最终体现在机床所能加工零件的尺寸精度 形状和 位置偏差 表面粗糙度等上 要保证机床工作精度 达到机床精度 标准或机床用 户使用 的要求 在设 计 加工 装配及机床调试过程 中就要严格控制机 床的几何精度和位置精度在一定的范 围内 在 国 家有关机床制造标准的规定 中对主轴系统几何精 度有以下几点要求 a 主轴端面的精度要求 1 定心轴径 的径 向跳动 0 0 0 8 m m 2 周期 性轴 向 窜 动 0 O 0 5 m m 3 主 轴 端 面 跳 动 0 O l O mm 如图 1 所示 图 1 主轴端 面的精度要求 收稿 日期 2 0 1 4 1 1 2 8 基金项 目 江苏省第十批 六大人 才高峰 资助项 目 Z B Z Z一0 4 4 作者简介 刘桂芝 1 9 6 4 一 女 江苏徐州人 南 京工程学 院教授级高工 主要从事教学 数控机 床的设计 与开发工作 5 9 2 0 1 4年第 4 3卷 机械设计与制造工程 b Z轴运动对主轴轴线的平行度的要求 具 2 在 Y Z平面内 0 0 2 0 m m 如图 2所示 1 在 Z X平 面 内 0 O 1 5 m m 只许 偏 向刀 c 主轴 副主轴轴线对 I I Z l 1 一 一 l I I I 一 一 一 l l I I 3 0 0 3 0 0 I f 图2 z轴运动 对主轴轴线的平行度的要 求 1 轴线在 Z X平面内运动的垂直度如图 3所 示 全行程 3 0 0 m m 垂直度为 0 O 1 5 m m 9 0 0 9 0 2 Y轴线在 y z平面内运动的垂直度如图 4 所示 全行程 3 0 0 m m 垂直度为0 0 2 0 ra m l l f 向 f 一一 卜 j d 59 0 d 59 0 5 图 3 轴线在 Z X平 面内运动的垂直度 I I Y向 1 J I 0 l l I j J I L 图 4 Y轴 线在 Y Z平 面 内运动 的垂 直度 d 两主轴箱主轴的同轴度要求 1 在 Z X平面 内 0 O 1 5 m m 2 在 Y Z平面 内 0 O 1 5 m m 如图 5所示 一 1 l l I I 上 土 一 L 一 一 图 5 两主轴箱主轴的 同轴度要 求 以上4项检验标准准确地描述了复合加工机 床对主轴组的几何精度要求 与机床床身的几何精 度 向 y向及 z向拖板 的几何精度共 同影响着 机床的静态精度 并且形成影响机床加工精度的决 定 性 因素 双主轴 车铣复合数控机床双主轴配置图如图 6所示 6 0 2 解 决影响机床主轴 系统精度 的技术措 施 一 根据 国家有关标准或机床用户对机床精度 的 要求 在进行车铣复合数控加工机床双主轴系统设 计时 为满足机床的精 度要求 需要考虑解决 以下 几方 面 问题 a 主轴系统几何精度的影响因素及解决措施 2 0 1 4年第 4 3卷 机械设计与制造工程 性 从而得到理想的结构设计 进一步改进机床支 承铸件筋板的布局形式 结构尺寸等来提高机床床 身的刚度 使机床在加工过程中由于受力而产生的 扭转 弯曲振动频率尽可能提高 使机床 的振型更 趋合理 C 主轴系统热性能的影响因素及解决措施 双主轴复合数控加工机床的双主轴系统采用 的是双 电主轴系统 在 电主轴系统中电机的转子是 机床的主轴 定子则安装在双主轴车铣复合机床的 两主轴箱的箱体孔内 因此机床的整个主传动系统 就是一发热体 高速回转时 机床主传动系统 的主 轴前后支承轴承也就变为发热体 因此在设计时 要综合考虑如下 因素 1 双主轴车铣复合机床的主传动 系统采用 零传动的电主轴系统 电机是机床主轴系统的主要 发热源 对这种传动结构降温采取的最直接措施就 是采用外循环冷却方式 即将外循环冷却水套装在 电主轴 的定子外套外面 通过温控装置对外循环冷 却水套内的冷却水进行独立循环控制 使两主轴电 机产生的热量由循环冷却水迅速带走 从而保证双 主轴车铣复合机床两 电主轴 系统 在 2 2 2 的 恒温下工作 实现车铣复合 双电主轴系统 的热平 衡 有效地控制双主轴系统在高速运行时因热变化 产生变形对机床双主轴系统精度的影响 2 机床工作 时 机床主轴高速旋转 主轴组 零件预载后 预加载荷越大 轴承运转克服摩擦作 的功就越多 其摩擦转化成的热量就越大 造成轴 承温升就越大 这样双主轴系统的温度就会快速提 高 使主轴系统的精度产生偏离 因此 在装配时 主轴轴承必须进行合理的润滑 和冷却 在进行双 主轴车铣复合机床主轴轴承系统设计时 采用具有 良好品质的锂基脂润滑 并且通过合理控制润滑脂 填充量 有效控制主轴系统的温升 3 在机床的铸件设计时 要应用 C A E技术 利 用有限元分析软件 系统地研究高速精密数控车床主 轴系统的温度场及其热性能 建立主轴系统温度场模 型 通过对主轴系统的热源及轴承发热量 的计算 应 用热接触单元模拟系统各结合面间热量的传递 以及 对模型热边界条件的合理简化 使得所建的主轴系统 温度场模型与实验结果能很好地吻合 进一步进行 主轴系统的热特I生 研究 从理论上保证主轴端部的径 向跳动及端面跳动误差在允许的范围内 3 结束 语 影响复合加工机床双主轴系统精度的因素很 多 本文仅从设计 加工 调试几个方面提出了提高 主轴系统的静态精度的措施 但在实际生产过程 中 还有其他诸多因素如配套件的质量 机床关键零件 的制造工艺水平和机床装配综合调试水平等的影 响 但只要根据机床 的负载大小 精 密等级进行主 轴系统合理的设计 就可获得所要求精度的双主轴 车铣复合机床的主轴系统 参考 文献 I 中华人民共 和国国家标准 G B T 1 6 4 6 2 1 2 0 0 7数控车床 和 车削中心检验条件 S 2 中华人 民共和 国国家标准 J B T 8 7 7 1 2 1 9 9 8加 工中心 检 验条件 第 2部分 立式加工 中心 几 何精度检验 s 3 中华人 民共 和国国家标 准 J B T 8 7 7 1 4 1 9 9 8加 工 中心检 验条件 第 4部分 线性 和 回转 轴线的定位 精度 和重复定 位 精度检验 s 4 中华人 民共和国国家标 准 J B T 8 7 7 1 7 1 9 9 8加工 中心检验 条件 第 7部分 精加工试件精度检验 s 5 周永 良 数控车床精度分析及 提高精度保持性措施 J 中 国 制造业信息化 2 0 1 0 3 9 5 7 8 8 O 8 4 6 刘桂芝 影响机床主轴系统加工精 度的分析 J 机械制造与 自动化 2 0 0 6 4 5 7 6 O 7 机 床设计手册编写组 机床设计 手册 第 三卷 部 件机 构及 总体设计 M 北京 机械工业 出版社 1 9 9 2 8 浦林祥 金属切削机床夹具设 计手册 M 2版 北京 机械 工业 出版社 1 9 9 5 An a l y s i s o n t h e f a c t o r s a ffe c t e d t o t he t wi n s p i n dl e s s y s t e m pr e c i s i o n f o r t ur n i n g mi l l i ng ma c h i n e t o o l s L I U Gu i z h i Z HOU Yo n g l i a n g 1 N a n j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y J i a n g s u N a n j i n g 2 1 1 1 6 7 C h i n a 2 N a n j i n g C N C M a c h i n e T o o l C o L t d J i a n g s u N a n j i n g 2 1 1 1 0 0 C h i n a Ab s t r a c t T h e p r e c i s i o n o f s p i n d l e s y s t e m i s t h e i mp o r t a n t f a c t o r t o t h e ma c h i n i n g p r e c i s i o n o f t u r n i n g mi l l i n g ma c hi n e t o o l s wi t h t wi n s pi n dl e s s y s t e m Th e pr e c i s i o n o f s p i n d l e s y s t e m i s u p t o ma n y f a c t o r s s uc h a s g e o me t r y p r e c i s i o n s t a t i c a n d d y n a mi c a l r i g i d i t y a n d t h e r ma l p e r f o rm a n c e Th e r e f o r e t h e mo s t i mpo rta n t i n ma c h i n e t o o l s d e s i g n i s h o w t o g u a r a nt e e t h e h i g h p r e c i s i o n o f t he s p i n d l e s y s t e m Th i s pa p e r p u t s f o r wa r d t h e s o l u t i o n f o r t h e f a c t o r