【文章內容簡介】 度低，工作條件好 加工中心的加工零件是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進行關鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，不需要進行繁重的重復性手工操作，勞動強度可大為減輕；同時，加工中心的結構均采用全封閉設計，操作者在外部進行監(jiān)控，切削、冷卻液等對工作環(huán)境的影響微乎其微，工作條件較好。 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 有利于生產管理的現代化 利用加工中心進行生產，能準確地計算出零件的加工工時，并有效地簡化檢驗、工夾具和半成品的管理工作，這些特點有利于生產管理現代化。當前有許多大型CAD/CAM 集成軟件已經開發(fā)了生產管理模塊，實現了計算機輔助生產管理。加工中心使用數字信息與標準代碼輸入，最適宜計算機聯網及管理。當前較為流行的 FMS、 CIMS、ERP 等都離不開加工中心的應用。 加工中心的主要加工對象 既有平面又有孔系的零件 加工中心具有自動換刀裝置，在一次安裝中，可以完成零件上平面的銑削、孔系的鉆削、鏜削、鉸削、及螺紋切削等多工步加工。加工部位可以在一個平面上，也可以在不同的平面上。因此，既有平面又有孔系的零件是加工中心的首選加工對象，常見的這類零件有箱體和盤、套、板 類零件。 結構形狀復雜、普通機床難加工的零件 主要表面是由復雜曲線、曲面組成的零件加工時，需要多坐標聯動加工，這在普通機床上是較難甚至是無法加工的，加工中心是這類零件加工的最佳設備。常見的零件有凸輪類、整體葉輪類、模具類。 外形不規(guī)則的異形零件 異形零件指外形不規(guī)則的零件，大多要點、線、面多工位混合加工。如支架、基座、撥叉等。異形零件由于外形不規(guī)則，在普通機床上只能采取工序分散的原則加工，需要工裝較多，周期較長。利用加工中心多工位點、線、面混合加工的特點，可以完成大部分甚至全部工 序內容。 新產品試制中的零件 在新產品定型之前，需經反復試驗和改進、選擇加工中心試制，可省去許多通用機床加工所需要的試制工裝。當零件被修改時，只需修改相應的程序及適當地調整夾具、刀具即可，節(jié)省了費用，縮短試制周期 。 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁 周期性投產的零件 用加工中心加工零件時，所需工時主要包括基本時間和準備時間，其中，準備時間占很大比例。例如工藝準備、程序編制、零件首件試切等，這些時間往往是單件基本時間的幾十倍。采用加工中心可以將這些準備時間的內容儲存起來，供以后反復使用。這樣，對周期性投產的零件，生 產周期就可以大大縮減。 加工中心的基本組成 基礎部件 如圖 所示， 它是加工中心的基礎結構，有床身、立柱、工作臺等組成，它們不僅要承受加工中心的靜載荷，還要承受切削加工時產生的動載荷，所以要求加工中心的基礎部件必須有足夠的剛度。這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接而成的鋼結構件，它們是加工中心中體積和重量最大的部件 。 主軸部件 由主軸箱、主軸、主軸軸承等零件組成。主軸的啟動、停止、變速等動作均由數控系統(tǒng)控制，并且通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是切削加工的功率輸出部件。主軸 是加工中心的關鍵部件，其結構的好壞對加工中心的性能有很大的影響，它決定著加工中心的切削性能、動態(tài)剛度、加工精度等。 數控系統(tǒng) 單臺加工中心的數控部分由 CNC 裝置、可編程控制器、伺服驅動裝置以及電機等部件組成。 CNC 裝置是一種位置控制系統(tǒng)，其控制的過程是根據輸入的信息進行數據處理、插補運算，獲得理想的運動軌跡信息，然后輸出到執(zhí)行部件，加工出所需要的工件?？删幊炭刂破鞔嬉话銠C床中電氣柜，執(zhí)行數控系統(tǒng)指令，控制機床執(zhí)行動作。數控系統(tǒng)主要功能有：控制功能、進給功能、主軸功能、輔助功能、刀具功能和第二輔 助功能、補償功能、字符圖形顯示功能、自診斷功能、通信功能、人機對話程序編制功能等。數控系統(tǒng)是加工中心執(zhí)行順序控制動作和完成加工過程的控制中心。 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 自動換刀系統(tǒng) 該系統(tǒng)是加工中心區(qū)別于其他數控機床的典型裝置，它解決工件一次裝夾后多工序連續(xù)加工中，工序與工序間的刀具自動存儲、選擇、搬運和交換任務。它由刀庫、機械手、驅動機構等部件組成。刀庫是存放加工過程所使用的全部刀具的裝置，刀庫有盤式、鼓式、鏈式等多種形式，容量從幾把到幾百把，當需換刀時，根據數控系統(tǒng)指令，由機械手將刀具取出裝入主軸孔中。機械手的結 構根據刀庫與主軸的相對位置及結構的不同也有多種形式，如單臂式、雙臂式、回轉式、軌道式等。有的加工中心不用機械手而利用主軸箱或刀庫的移動來實現換刀。 輔助裝置 包括潤滑、冷卻、排屑、防護、液壓、氣動、檢測系統(tǒng)等部件。這些裝置雖然不直接參與切削運動，但對加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起著保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。 圖 加工中心的組成 1X 軸直流伺服電動機； 2換刀機械手； 3數 控柜； 4刀庫； 5主軸箱； 6操作面板； 7驅動電源柜； 8工作臺； 9滑座； 10床身 加工中心的工作原理 根據零件圖紙，制定工藝方案，采用手工或計算機自動編制零件加工程序，把零件遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 所需的機床各種動作及全部工藝參數變成機床的數控裝置能接受的信息代碼，并把這些代碼存儲在信息載體上，將信息載體送到輸入裝置，讀出信息并送入數控裝置。另一種方法是利用計算機和加工中心的接口直接進行通信輸入。進入數控裝置的信息，經過一系列處理和運算轉變?yōu)槊}沖信號。有的信號送到機床的伺服系統(tǒng)，通過伺服機構進行轉換和放大，在經 過傳動機構，驅動機床有關部件，使刀具和工件嚴格執(zhí)行零件程序所規(guī)定的相應運動。還有的信號送到可編程控制器中，用以順序控制機床的其他輔助動作，實現刀具自動更換。 加工中心的分類 立式加工中心 立式加工中心指主軸軸心線為垂直狀態(tài)設置的加工中心，其結構形式多為固定立柱式，工作臺為長方形，無分度回轉功能，適合加工盤、套板類零件。立式加工中心通常有三個直線運動坐標，由溜板和工作臺來實現平面上 X、 Y 兩個坐標軸的移動。主軸箱沿立柱導軌上下實現 Z 坐標移動。立式加工中心裝夾方便，便于操作，易于觀察加工情況 ，調試程序容易，應用廣泛。但受立柱高度及換刀裝置的限制，不能加 工太高的零件。 臥式加工中心 臥式加工中心指主軸軸線為水平狀態(tài)設置的加工中心，臥式加工中心通常采用移動式立柱，工作臺不升降， T 形床身。臥式加工中心的立柱普遍采用雙立柱框架結構形式，主軸箱在兩立柱之間，沿導軌上下移動。這種結構剛性大，熱對稱性好，穩(wěn)定性高。臥式加工中心各個坐標的運動可由工作臺移動或由主軸移動來完成，即某一方向的運動可以由刀具固定，工件移動來完成；或者由工件固定，刀具移動來完成。臥式加工中心一般具有三軸聯動，三四個運動坐標 。常見的是三個直線坐標 X、 Y、 Z 聯動和一個回轉坐標 B 分度，它能夠在一次裝夾下完成四個面的加工，最適合加工箱體類零件。臥式加工中心的結構復雜，占地面積大，重量大，價格也較高。 萬能加工中心 萬能加工中心也稱五面加工中心如圖所示。這類加工中心具有立式和臥式加工中心的功能，工件一次裝夾后，能完成除安裝面外的所有側面和頂面的加工。常見的萬能加遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 工中心有兩種形式：一種是主軸可以旋轉 90176。，另一種是主軸不改變方向，而工作臺帶著工件旋轉 90176。這種加工方式可以使工件的形位誤差降到最低，省去了二次裝夾的工裝，從而 提高生產效率，降低加工成本。但萬能加工中心結構復雜、造價高、占地面積大等缺點。 圖 萬能加工中心 虛軸加工中心 虛軸加工中心 ， 它改變了以往傳統(tǒng)機床的結構，通過連桿的運動，實現主軸多自由度運動，完成工件復雜曲面的加工。其基本結構是由一個動平臺、一個定平臺和六根長度可變的連桿構成。動平臺上裝有機床主軸和刀具，定平臺上安裝工件，六根桿實際是六根滾珠絲杠螺母副，它們將兩個平臺連在一起，同時將伺服電動機的旋轉運動轉換為直線運動，從而不斷改變六根桿的長度，帶動動平臺產生六自由度的空間運動，使刀具在工件上加工出復雜的三維曲面。由于這種機床沒有導軌、轉臺等表征坐標軸方向的實體構件，故稱為虛軸機床。 加工中心的發(fā)展方向 數控技術與加工中心的發(fā)展已走過了半個多世紀的歷程，隨著科學技術的發(fā)展，世界先進制造技術的興起和不斷成熟，對數控加工技術提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術的應用，對加工中心的各種組成部分提出了更高的性能指標。當今的加工中心正在不斷采用最新技術成就，朝著高速化、高精度化、多功能 化、智能化、系統(tǒng)化與高可靠性等發(fā)面發(fā)展。 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 2 加工中心主傳動系統(tǒng) 加工中心主傳動系統(tǒng) 的要求 加工中心主傳動系統(tǒng)是由主軸電動機、主軸傳動系統(tǒng)以及主軸組件組成。它是加工中心的主要組成部分。和常規(guī)機床主軸系統(tǒng)相比，加工中心主軸要具有更高的轉速、更高的回轉精度以及更高的結構剛性和抗振性。 由于加工中心具有更高的加工效率，更寬的使用范圍，更高的加工精度，因此，它的主軸系統(tǒng)必須滿足如下要求。 調速功能 為了適應不同工序、各種工件材料及刀具等各種切削要求，主軸必須具有一定的調速范圍并實現無極變速，以保證加工時選用合 理的切削用量，從而獲得最佳切削效率、加工精度和表面質量。調速范圍的指標主要由各種加工工藝對主軸最低速度和最高速度的要求來確定。目前加工中心主軸基本實現無級變速。 動態(tài)響應性能 要求升降速時間短，調速時運轉平穩(wěn)。對有的機床需同時能實現正反轉切削，則要求換向時均可進行自動加減速控制。 精度和剛度要求 具有較高的精度與剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。加工中心加工精度與主軸系統(tǒng)精度密切相關。主軸部件的精度包括旋轉精度和運動精度。旋轉精度指裝配后，在無載荷和低速轉動條件下，主軸前端工作部位的徑向和軸向跳 動值。主軸部件的旋轉精度取決于部件中各個零件的幾何精度、裝配精度和調整精度。運動精度指主軸在工作狀態(tài)下的旋轉精度，這個精度通常和靜止或低速狀態(tài)的旋轉精度有較大差別，它表現在工作時主軸中心位置的不斷變化，即主軸軸心漂移。運動狀態(tài)下的旋轉精度取決于主軸的工作速度、軸承性能和主軸部件的平衡。靜態(tài)剛度反映了主軸部件或零件抵抗靜態(tài)外載的能力。加工中心多采用抗彎剛度作為衡量主軸部件剛度的指標。影響主軸部件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸形狀，主軸軸承的類型、數量、配置形式、預緊情況、支撐跨距、主軸前端的懸伸量等。 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 抗振性和熱穩(wěn)定性要求 加工中心在加工時，由于斷續(xù)切削、加工余量大且不均勻、運動部件速度高且不平衡，以及切削過程中的自振等原因引起的沖擊和交變力的干擾，會使主軸產生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴重時甚至破壞刀具和主軸系統(tǒng)中的零件。主軸系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產生變形，破壞相對位置精度和運動精度，造成加工誤差。為此，主軸組件要有較高的固有頻率，保持合適的配合間隙并進行循環(huán)潤滑等。 具有刀具的自動夾緊功能 加工中心突出的特點是自動換刀功能。為保證加工過程的連續(xù)實施，加工中心主軸系統(tǒng)與其 他主軸系統(tǒng)相比，必須具有刀具自動夾緊功能。 功率要求 要求主軸系統(tǒng)具有足夠的驅動功率或輸出轉矩，能在整個速度范圍內提供切削所需功率和轉矩，以滿足機床強力切削時的要求。 主軸定位功能要求 主軸準停功能又稱主軸定位功能。即當主軸停止時，控制主軸停在固定的位置，這是自動換刀所必需的功能。在自動換刀的數控銑鏜加工中心上，切削轉矩通常是通過刀桿的端面鍵來傳遞的，這就要求主軸具有準確定位于圓周上特定角度功能。為此，在通過前壁小孔鏜內壁的同軸大孔，或進行反倒角加工時，要求主軸實現準停，使刀尖停在一個固定的方位上，以便主軸偏移一定尺寸后大刀刃能通過前壁小孔進入箱體內對大孔進行鏜削。 主傳動系統(tǒng)主要技術指標的 確定 HMC50 是中等規(guī)格的臥式銑鏜加工中心， 工作臺面積 500 500mm，允許最大荷重500kg，主軸錐孔 ISO 7:24，工作臺最大行程 X 700mm，主軸箱最大行程 Y 650mm,立柱最大行程 Z 600mm,工作臺回轉 B 360 1176。，主軸轉速范圍 40~4000r/min，刀庫容量 40/定點 (帶預選功能 )，電動機功率 11kw，數控系統(tǒng) FANUC 0iMC，機床重量 21000kg。 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 主運動變速系統(tǒng)主要參數 機床主傳動系統(tǒng)的參數有動力參數和運動參數。動力參數是指主運動驅動電機的功率，運動參數是指主運動的變速范圍。 主傳動中 各 傳動件的尺寸要根據傳動功率來確定。傳動功率過大，使傳動件尺寸粗大，電動機常在低負載下工作，功率因數小而浪費能源；功率過小將限制 機 床 加工能力而降低生產效率。因此需合理確定主傳動功率。主傳動功率用理論計算的方法來確定比較困難，一般 通過類比、統(tǒng)計 等方法 來確定。 主傳動功率 機床主傳動的功率 P 可根據切削功率 cP 與主運動傳動鏈的總效率 η來確定 ηCPP= 。 表 動力參數的選取 刀具材料 工件材料 背吃刀