【正文】 CIMl9 CCMT2020 分別推出 3 臺國產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床； CIMT2020t4J 國際機(jī)床展覽會上，北京第一機(jī)床廠和桂林機(jī)床股份有限公司分別展出了主軸轉(zhuǎn)速 10000r／ min 的五軸高速龍門加工中心，北京市機(jī)電院的主軸轉(zhuǎn)速 15000r／ min 的五軸高速立式加工中心；清華大學(xué)與昆明機(jī)床股份有限公司聯(lián)合研制的 XNZ63，采用標(biāo)準(zhǔn) Stewart 平臺結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)六自由度聯(lián)動(dòng)；大連機(jī)床廠自行研制的串并聯(lián)機(jī)床 DCB 一 510，其 數(shù)控系統(tǒng)由清華大學(xué)開發(fā)，該機(jī)床通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) x、 l，、 z軸直線運(yùn)動(dòng)，由串聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) A、c 軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，其直線快速進(jìn)給速度可達(dá) 80m／ min。這些機(jī)床均已達(dá)到國際先進(jìn)水平，體現(xiàn)出我國機(jī)床工業(yè)為國防尖端工業(yè)發(fā)展提供裝備的實(shí)力又有突破性提高。中國機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，利用自己研制的高、精、尖產(chǎn)品參與國際競爭，打破了國際技術(shù)壟斷，國際機(jī)床巨頭們不愿失去中國這個(gè)大有潛力可挖的市場，于是蜂擁而來，把他們的產(chǎn)品“送上門來”：國外展團(tuán)共展出五軸加工中心 8臺、五軸車銑加工中心一臺、五軸數(shù)控刀具磨床 5臺。 我國數(shù)控技術(shù)及其設(shè)備在各工業(yè)部門中的應(yīng)用整體水平仍然偏低，與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比差距很大。為了實(shí)現(xiàn)“十五”規(guī)劃的發(fā)展目標(biāo)，各部門迫切需要進(jìn)一步大力發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)，急需配置大量的各類工藝設(shè)備，尤其是數(shù)控機(jī)床設(shè)備。對于數(shù)控機(jī)床設(shè)備的主要技術(shù)要求是多軸、高速、剛性好、功率大；對坐標(biāo)數(shù)的需求，以 3～ 5 軸聯(lián)動(dòng)為主。對于關(guān)鍵零件形狀復(fù)雜的行業(yè)，如航空、電力、船舶、模具制造業(yè)等，其生產(chǎn)部門對多軸機(jī)床要求比例較大，新增五軸數(shù)控機(jī)床大約占數(shù)控機(jī)床總數(shù)的 70％～ 80％。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 第 9 頁 共 41 頁 我國機(jī)床制造業(yè)具備相當(dāng)?shù)膶?shí)力，機(jī)械精度和可靠性方面在國際市 場上都名列前茅。然而配套的五軸數(shù)控系統(tǒng)要么從國外進(jìn)口，要么采用國內(nèi)還不成熟的數(shù)控系統(tǒng)?？傊遢S數(shù)控技術(shù)仍舊是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。高校擁有雄厚的科研開發(fā)力量，是高科技的前沿陣地，若與機(jī)床制造企業(yè)優(yōu)勢互補(bǔ)，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，勢必加快五軸數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品化的進(jìn)程。 第二節(jié) 課題研究涉及內(nèi)容 在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心的開發(fā)過程中，自動(dòng)萬能銑頭是關(guān)鍵技術(shù)，目前國內(nèi)只有很少數(shù)幾個(gè)廠家正在開發(fā)和生產(chǎn)自動(dòng)萬能銑頭，主要還處于搜集技術(shù)資料和研究階段。而國外一些發(fā)達(dá)國家中，自動(dòng)萬能銑頭已經(jīng)普遍應(yīng)用于立式和龍門式數(shù)控銑床以及數(shù)控加工中 心。使銑床達(dá)到五軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)四面體和五面體加工，可以大大提高銑床的自動(dòng)化水平和工藝范圍以及工作效率。研究開發(fā)五軸加工中心要求具有較高的性能技術(shù)指標(biāo)，不僅要具有多坐標(biāo)復(fù)雜曲面的加工功能，而且還要滿足高速度、高剛度和高精度的要求。而發(fā)達(dá)國家在進(jìn)出口技術(shù)含量高的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心方面，對我國進(jìn)行限制，因此，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心的研究開發(fā)是一個(gè)難度比較大的項(xiàng)目。 本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)高速雕銑機(jī)的五軸聯(lián)動(dòng)銑頭 ，它的基本原理是在傳統(tǒng)加工中心的三個(gè)移動(dòng)坐標(biāo)軸的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，使這種加工中心具有 X、 Y、 Z三個(gè)直線 運(yùn)動(dòng)的數(shù)控坐標(biāo)軸和 A、 B(C)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)數(shù)控坐標(biāo)軸，并且各坐標(biāo)軸既可單獨(dú)運(yùn)動(dòng)又可聯(lián)動(dòng)。 本課題的設(shè)計(jì)方案首先是了解五軸 銑頭的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)方面的基本原理，其次是提出 五軸聯(lián)動(dòng)銑頭的 整體 設(shè)計(jì)方案 ，再對方案進(jìn)行可行性分析后，逐步細(xì)化設(shè)計(jì)方案， 并對所選的零件進(jìn)行計(jì)算畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 第 10 頁 共 41 頁 校核，用 CAD 軟件畫出工程圖后，按圖紙要求對所設(shè)計(jì)的零件用PRO/E 軟件造型、裝配，并在建模和裝配過程 中 檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)零件的合理性，還有裝配是否有干涉問題， 使所設(shè)計(jì)的方案能盡可能的符合客觀的實(shí)際需要。 根據(jù)主軸的方向，傳統(tǒng)的 CNC 加工 中心通常被分為立式和臥式兩類 ，本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是立式銑削五軸 聯(lián)動(dòng)銑頭，它具有較強(qiáng)的數(shù)控功能，可以加工各種復(fù)雜輪廓表面的工件。可作銑、鏜、鉆孔等加工，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。它可以實(shí)現(xiàn)五軸控制、五軸聯(lián)動(dòng)。主軸 系統(tǒng)單元采用電主軸，實(shí)現(xiàn)高速切削 對五軸銑頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，使五軸銑頭不但具有 X、 Y、 Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)的數(shù)控坐標(biāo)軸而且還具有 A、 B(C)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)數(shù)控坐標(biāo)軸，并且各坐標(biāo)軸既可單獨(dú)運(yùn)動(dòng)又可聯(lián)動(dòng)，具有很大的靈活性，且加工性能好。安裝專用刀桿及附件，可以加工平面，斜面、螺旋面、溝槽、花鍵、弧形槽等等。通過轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸頭，機(jī)床可實(shí)現(xiàn)銑削空間前半球任意角 度的加工它采用精密同步帶傳遞主傳動(dòng)，采用伺服電 機(jī)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)，該主軸頭具有較高剛度，主軸轉(zhuǎn)速變換范圍寬。 本次設(shè)計(jì) 的數(shù)據(jù)及來源： 基本數(shù)據(jù)： 工作臺面積（寬長） 570 400mm 行程（ X/Y/Z） 500*500*230mm 主軸轉(zhuǎn)速 100020200 r/min 主軸功率 最大可夾持刀具 直徑 216。10 ㎜ 伺 服驅(qū)動(dòng) 進(jìn)口數(shù)字式交流伺服 750w*3 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 第 11 頁 共 41 頁 第二章 五軸銑頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第二節(jié) 整體方案設(shè)計(jì)研究 本次設(shè)計(jì)的五軸銑頭將安裝在高速數(shù)控雕銑機(jī)上，受所設(shè)計(jì)的雕銑機(jī)的基本參數(shù)的限制，該五軸銑頭必須滿足尺寸小， 質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)緊湊 的要求。 五軸銑頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要完成沿 X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的 A軸擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和沿著 Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的 C 軸擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， A軸擺動(dòng)的角度范圍在 110 度到 +110 度之內(nèi)，而 C軸的結(jié)構(gòu)則可以沿著 C軸方向旋轉(zhuǎn)一周。 主軸系統(tǒng)采用電主軸結(jié)構(gòu)， 電主軸又稱內(nèi)裝式電機(jī)主軸單元，具有結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械效率高，躁聲低，運(yùn)行平穩(wěn)，精度高的優(yōu)點(diǎn)。采用電主軸 不僅有易于實(shí)現(xiàn)高速切削加工，而且可以 使整個(gè)五軸銑頭結(jié)構(gòu)緊湊 。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 第 12 頁 共 41 頁 方案一 在 A 軸 的設(shè)計(jì)中采用錐齒輪傳動(dòng)，將 A 軸的伺服電機(jī)放入銑頭內(nèi)，如上圖，而 C 軸的電機(jī)放入滑枕中，驅(qū)動(dòng)整個(gè)銑頭沿著 C軸方向轉(zhuǎn)動(dòng) ，傳動(dòng)方式采用齒輪傳動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)基本可以滿足 A、C 軸方向的擺動(dòng)，但將 A 軸的電機(jī)放在銑頭中使整個(gè)銑頭的尺寸增大，為了克服這一缺點(diǎn)，并使整個(gè)銑頭的尺寸變小，結(jié)構(gòu)更加緊湊，對此方案進(jìn)行修改，提出了以下方案： 方案二： 在方案二中，將銑頭設(shè)計(jì)成上圖所 示，這樣 A 軸電機(jī)就可以放在滑枕中，從而減小了銑頭的體積，傳動(dòng)方式改用蝸輪蝸桿傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)，同樣使銑頭的結(jié)構(gòu)緊湊 。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 第 13 頁 共 41 頁 整個(gè)銑頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中還需考慮電主軸和伺服電機(jī) 的電線和冷卻裝置的安置。銑頭和滑枕相對于整臺機(jī)床設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的主軸箱，主軸箱上帶有 Z軸的絲杠和電機(jī)，然后再總體裝配在機(jī)床上。由于所設(shè)計(jì)的雕銑機(jī)必須滿足高速切削的要求，所以 Z 軸的絲杠 采用滾珠絲杠。 第二節(jié) 銑頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)及計(jì)算 A 軸傳動(dòng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算 在 A軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 包括以下幾個(gè)部分： 連接和電主軸中供電和冷卻所涉及的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 、蝸桿的設(shè)計(jì)，蝸輪蝸桿在銑頭內(nèi)的支承 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 第 14 頁 共 41 頁 主軸系統(tǒng)單元采用電主軸，其結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)精度和靜態(tài)精度好，易于實(shí)現(xiàn)高速化，從而提高生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。目前國內(nèi)已有專門生產(chǎn)電主軸的廠家，本次設(shè)計(jì)中采用安陽萊必泰機(jī)械有限公司的產(chǎn)品，如下圖。 初步擬訂電主軸的主軸轉(zhuǎn)速為 100020200RPM。主軸的功率為 。 為解決電主軸和銑頭的連接問題，本次設(shè)計(jì)中專門設(shè)計(jì)了一個(gè)電主軸套， 不僅解決了電主軸的供電和冷卻的問題，還方便了電主軸在銑頭上的安裝。 電主軸套的結(jié)構(gòu)如下圖所示 選用的安陽萊必泰有限公司的電主軸的電線和冷卻管從電主軸的后部伸出，在電主軸套上鉆孔，將電線和冷卻管插入 ，直至電主軸套兩側(cè)的凸臺中，凸臺和兩個(gè)法蘭盤用螺釘連接，中間有直徑為 80 毫米的內(nèi)孔，內(nèi)孔中放置耦合器，然后再從耦合器中接出電線和冷卻管到銑頭內(nèi)，這個(gè)設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)特色，它解決了以往銑頭 設(shè)計(jì)中由于電線和冷卻管而產(chǎn)生的電主軸運(yùn)動(dòng)的干涉問題，并使整個(gè)銑頭的結(jié)構(gòu)更加緊湊 。 、蝸桿的設(shè)計(jì)，蝸輪蝸桿在銑頭內(nèi)的支承 A 軸傳動(dòng)方式采用蝸桿傳動(dòng)主要由于蝸桿傳動(dòng)方式可以使五軸銑頭的結(jié)構(gòu)緊湊，此外蝸桿傳動(dòng)方式還有傳動(dòng)比大，工作平穩(wěn)，畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 第 15 頁 共 41 頁 躁聲低，可以自鎖等優(yōu)點(diǎn)。 具體設(shè)計(jì)計(jì)算 輸入功率 P=750W，蝸桿轉(zhuǎn)速為 n1=1500 轉(zhuǎn) /分，傳動(dòng)比在 50~80 范圍之內(nèi)。工作載荷較穩(wěn)定。 根據(jù) GB/T10085—— 1988的推薦，采用阿基米德蝸桿（ ZA蝸桿） . 蝸桿傳 動(dòng)傳遞的功率不大 ,速度只是中等 ,故蝸桿用 45 鋼 。因希望效率高些 ,耐磨性好些 ,故蝸桿螺旋齒面要求淬火 ,.蝸輪用鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1 ,金屬模鑄造 . 根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ,先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) ,再較核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 . 傳動(dòng)中心距 ? ?3 22 E HZZa KT ????? ???? 1) 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)距 2T 按 1z =1,估取效率為 ? =， 估取 i=65 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 第 16 頁 共 41 頁 662 1 2