數(shù)控雕銑機(jī)電主軸和主軸托板設(shè)計說明書

1、rgdx-4040s數(shù)控雕銑機(jī)電主軸和主軸托板設(shè)計 45摘要調(diào)查研究了雕銑機(jī)的發(fā)展和電主軸對數(shù)控機(jī)床的發(fā)展意義。介紹rgdx-4040s數(shù)控雕銑機(jī)床的設(shè)計過程，包括機(jī)床總體方案設(shè)計、主傳動系統(tǒng)設(shè)計和z向進(jìn)給傳動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。在主傳動系統(tǒng)設(shè)計中，主要分析了3kw主軸安裝座的機(jī)械機(jī)構(gòu)和電主軸的冷卻和潤滑的方式。z向進(jìn)給傳動系統(tǒng)中主要分析了絲杠、導(dǎo)軌的安裝，以及相關(guān)固定和支承。計算主要有兩個方面：對滾珠絲杠和z軸伺服電機(jī)的選擇計算和校核。最后，通過模擬編程軟件mastercam,對相關(guān)零件進(jìn)行加工。關(guān)鍵詞: 數(shù)控雕銑機(jī)床，電主軸，滾珠絲杠，直線滾動導(dǎo)軌，z軸abstractthe develo

2、pment of the cnc engraving and milling and the meaning of the electric spindle to the nc machine was investigated. the process of design for 4040s cnc engraving and milling machine was introduced, including the design project of the machine, the design of main driving system and the mechanical struc

3、tures of the feeding mechanism of z axis. in the section of main driving system, the 3kw fastening seat of the electril spindle and the coling and lubrication of the electric spindle was analysised. in the section of the feeding mechansim of z axis , the assembly of the straight guide-way and the be

4、aring of the ball screw and so forth was presented.the calculation mainly includes two aspects: choosing and verifying the ball screw and the servo-motor of z axis. at last, via the simulation programming software mastercam, the related part was generated.keywords: cnc engraving and milling machine

5、tools, electric spindle, ball screw, straight guide-way, z axis目錄1 緒論111 數(shù)控雕銑機(jī)的概述112 數(shù)控雕銑機(jī)和數(shù)控銑床的區(qū)別113 數(shù)控雕銑機(jī)和數(shù)控雕刻機(jī)的區(qū)別214 數(shù)控雕銑機(jī)的發(fā)展與現(xiàn)狀2 1.4.1 典型數(shù)控雕銑機(jī)的介紹32 rgdx-4040s數(shù)控模具雕銑機(jī)的簡介521 rgdx-4040s數(shù)控模具雕銑機(jī)的工藝范圍522 rgdx-4040s數(shù)控模具雕銑機(jī)的特點(diǎn)523 rgdx-4040s數(shù)控模具雕銑機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)63 rgdx-4040s數(shù)控模具雕銑機(jī)布局設(shè)計方案731 機(jī)床總體布局設(shè)計732 設(shè)計方案分析84

6、 電主軸單元簡介941 電主軸概述942 電主軸的基本結(jié)構(gòu)125 電主軸系統(tǒng)設(shè)計計算1351 主軸系統(tǒng)的重力計算1752 主軸切削力計算1753 電主軸的冷卻與潤滑2254 3kw電主軸的安裝226 電主軸系統(tǒng)z向傳動進(jìn)給設(shè)計計算226.1 z向主傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計166.2 z向進(jìn)給系統(tǒng)方案設(shè)計16621 滾珠絲杠副的選擇16622 滾珠絲杠副的選擇計算16623 z向進(jìn)給伺服電機(jī)功率的計算及選擇24624 滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu)29625 支撐軸承的選擇29626 滾珠絲杠的制動裝置30627 z向伺服電機(jī)與進(jìn)給絲杠的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)30628 z向?qū)к?07 典型零件數(shù)控加工程序327.1 mast

7、ercam簡介327.2 數(shù)控加工程序328 結(jié)論38參考文獻(xiàn)39致謝401 緒論1.1 數(shù)控雕銑機(jī)的概述近年來，在模具加工行業(yè)中，人們一直在探索用一種比較完美的加工方式來替代電火花成型加工，以避免工件表面質(zhì)量因電加工后產(chǎn)生型面微觀裂紋。 深型腔加工優(yōu)勢 深槽窄縫加工傳統(tǒng)的電火花成型加工 微細(xì)復(fù)雜型腔加工 花紋加工 缺點(diǎn) 圖案型腔加工 大型面良好的表面粗糙度加工工藝較多、時間較長高速銑削方式在這些模具加工中具有很大的優(yōu)勢，同時，伴隨著加工高硬度材料刀具技術(shù)的發(fā)展，高速數(shù)控銑床在模具加工中的應(yīng)用越來越廣泛，但隨著模具加工業(yè)對加工表面質(zhì)量要求的提高，所需刀具半徑越來越小，于是高速銑削加工出現(xiàn)了另一

8、種分支工具高速數(shù)控雕銑機(jī)。通過高速雕銑機(jī)的加工方式來彌補(bǔ)電火花成型加工的缺點(diǎn)。數(shù)控模具雕銑機(jī)的誕生為模具加工工業(yè)解決了這一問題。高速數(shù)控模具雕銑機(jī)不僅具有高效率強(qiáng)力粗銑半精銑加工能力，同時具有高表面加工質(zhì)量的精細(xì)雕刻功能，使高效率和良好表面質(zhì)量得以有機(jī)統(tǒng)一。1.2 數(shù)控雕銑機(jī)和數(shù)控銑床的比較（1）機(jī)型上的區(qū)別： 1）數(shù)控銑床主要用于完成較大銑削量的產(chǎn)品的加工； 2）雕銑機(jī)主要用于較小銑削量或者輕金屬的加工；或?qū)浗饘俚募庸ぁ＃?）從機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速分析：1）數(shù)控銑床對數(shù)控系統(tǒng)要求速度一般，主軸轉(zhuǎn)速08000rpm左右； 2）雕銑機(jī)要求高速的數(shù)控系統(tǒng)，主軸轉(zhuǎn)速150030000rpm左右。 （3）

9、從機(jī)床采用的數(shù)控系統(tǒng)的角度來看 ：1）數(shù)控銑床對數(shù)控系統(tǒng)的要求：穩(wěn)定可靠，操作方面，維修方便等，現(xiàn)在市場上的數(shù)控系統(tǒng)主要集中在fanuc和西門子及mitisubish控制器；2）雕刻機(jī)大部分采用企業(yè)自主研發(fā)或者外購的工業(yè)控制器。 綜上所述： 雕銑機(jī)大部分用于模具行業(yè)，也進(jìn)行一些小切削量的銑削。而數(shù)控銑床大部分在機(jī)械加工行業(yè)中使用，主要用于一些精密零件的加工和小批量多品種的加工。1.3 雕銑機(jī)與雕刻機(jī)的比較對雕銑機(jī)(router)與雕刻機(jī)(engraver)的區(qū)別，很多人都不清楚。人們直觀上的感覺是小幅面的是雕刻機(jī)，大幅面的是雕銑機(jī)，或叫雕鑿機(jī)、鏤銑機(jī)，或干脆統(tǒng)稱大雕刻機(jī)。其實(shí)它們是兩類不同結(jié)構(gòu)

10、的機(jī)器，但工作原理大致相同，都是由x、y、z三軸驅(qū)動，由電子控制器控制移動。（1）從用途上分：雕刻機(jī)主要是用于對板材的雕刻，大量應(yīng)用于雙色板或亞克力雕刻，雕刻一次進(jìn)刀深度約在1mm3mm左右，在標(biāo)志、標(biāo)牌方面應(yīng)用較為普遍。（2）從機(jī)械構(gòu)造方面：雕刻機(jī)的設(shè)計輕巧，x、y軸移動速度快，z軸行程較短，適合雕刻5mm8mm的材料。雕刻主軸頭裝有彈簧壓鼻，作用是在雕刻過程中壓平3mm以下的薄板材。雕刻主軸通過皮帶連接到直徑較大的馬達(dá)上，以此使轉(zhuǎn)速增大，這樣雕刻出來的工件質(zhì)量就較為光滑。其使用的雕刻刀具較長，長度約在15.9cm，直徑為4.35mm左右。由于設(shè)計方面的限制，它適合做切削量很小的高轉(zhuǎn)速的雕刻

11、工藝制作。雕銑機(jī)可以理解為既可做精細(xì)雕刻，又能做切割、鏤銑。例如做三維雕刻，盡管落差很大，但200mm寬材料可一次完成，一次進(jìn)刀量相當(dāng)大。雕銑機(jī)可供選用的刀具直徑規(guī)格從1mm16mm，其刀具長度為5080mm。我們可以靈活使用，裝細(xì)刀干細(xì)活，裝粗刀干大活。由于機(jī)器設(shè)計注重重型負(fù)載，機(jī)架剛性大，z軸行程大，因此不僅可以做小型雕刻機(jī)的工藝，更可高速切割厚的板材，一次進(jìn)刀量可達(dá)20mm30mm，這是雕刻機(jī)根本做不到的工藝制造。1.4 國內(nèi)數(shù)控雕銑機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀隨著家具制造業(yè)、廣告招牌業(yè)、模具業(yè)的發(fā)展，尤其是模具業(yè)對表面加工要求的提高，以及傳統(tǒng)電火花加工的不足，最近的一兩年綜合銑削與高速雕刻優(yōu)點(diǎn)的cn

12、c雕銑機(jī)在國內(nèi)有了較大的發(fā)展。國內(nèi)幾家著名的數(shù)控機(jī)床廠在這個領(lǐng)域里面都有較好的成績。比如北京精雕、廣東佳鐵、南京四開、上海洛克等都是國內(nèi)著名的數(shù)控雕銑機(jī)廠家。在雕刻cad/cam技術(shù)、cnc數(shù)控技術(shù)、精密雕刻機(jī)設(shè)計技術(shù)工藝等領(lǐng)域取得了重大的突破，并真正實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化。1.4.1 典型數(shù)控雕銑機(jī)的介紹北京精雕-睿雕系列carver600g_u圖1-1 carver600g_u模具雕刻機(jī)表1-1 carver600g_u機(jī)械性能參數(shù)指標(biāo)主要性能指標(biāo)項標(biāo)準(zhǔn)值工作臺尺寸700650mmx、y、z軸工作行程600500300mm快速移動速度10m/min主軸轉(zhuǎn)速2100-24000rpm最

13、高切削進(jìn)給速度6m/minx/y/z軸運(yùn)動定位精度0.008/300mmx/y/z軸重復(fù)定位精度0.005mm機(jī)床外形尺寸204218902144mm特點(diǎn)及應(yīng)用： carver600g_u在合理的工藝方法下，最大可以使用16的刀具進(jìn)行加工。carver600g_u使用精雕最新的jd45數(shù)控系統(tǒng)，各軸快速移動速度達(dá)10m/min,進(jìn)給速度達(dá)6m/min；配備手輪，操作方便、控制平穩(wěn)。carver600g_u適合中小型注塑模具、紫銅電極、鋁合金產(chǎn)品以及非金屬材料等產(chǎn)品的加工。上海洛克meii-4540模具雕刻機(jī)圖1-2 meii-4540模具雕刻機(jī)表1-2 meii-4540模具雕刻機(jī)技術(shù)參數(shù)表主

14、要性能指標(biāo)項標(biāo)準(zhǔn)值工作臺尺寸510x500mm最大雕刻尺寸(x、y、z)450x400x145mm高雕刻速度4.0 m/min主軸電機(jī)2200 w主軸電機(jī)最高轉(zhuǎn)速24000 r/min刀柄直徑4、6、3.175 mm外型尺寸1310x1330x1700 mm特點(diǎn)及應(yīng)用： 2003年最新推出的新型模具雕刻機(jī),機(jī)身采用雙立柱龍門式結(jié)構(gòu),裝夾進(jìn)料都十分方便.采用德國原裝滾珠絲桿,進(jìn)口矩形直線導(dǎo)軌副,精密細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng),滿足模具加工所需要的剛性和精度要求,2.2kw意大利變頻電主軸使此款模具雕刻機(jī)擁有更大的切削率。特別適用于注塑模,冷沖模等各種鋼模以及滴塑模、燙金模、紫銅電極等銅模的制作加工。通過上述兩

15、臺同類型數(shù)控雕銑機(jī)性能的綜合比較。目前，國內(nèi)雕銑機(jī)的最大主軸轉(zhuǎn)速一般都在24000r/min、主軸電機(jī)功率在2.2kw左右、最高切削速度在46m/min之間。2 rgdx-4040s數(shù)控雕銑機(jī)的簡介數(shù)控模具雕銑機(jī)是一款集雕刻機(jī)和銑床功能于一身的數(shù)控機(jī)床。它充分集合了兩種機(jī)床的優(yōu)勢，即能完成銑削任務(wù)，又能完成雕刻功能，使被加工工件達(dá)到高精度和高質(zhì)量表面。 圖2-1 rgdx-4040s數(shù)控雕銑機(jī)2.1 rgdx-4040s數(shù)控模具雕銑機(jī)的工藝范圍rgdx-4040s是一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高精密數(shù)控雕銑設(shè)備，該款設(shè)備外觀大方、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、易操作、通用性強(qiáng)，主要用于各種鋼模、注塑模、紫銅電極、精密滴塑模、燙

16、金模，以及冷沖模等的加工，在合理的工藝條件下，可加工出表面極佳的效果。2.2 rgdx-4040s數(shù)控模具雕銑機(jī)的特點(diǎn)1 床身整體鑄造，剛性好，減震好2 采用高精密級直線導(dǎo)軌3 采用日本三菱（mitsubishi）公司伺服系統(tǒng)，精度高，性能好4 主軸配置2.2kw恒功率電機(jī)，大功率，可滿足加工要求5 有一定模具剛的粗加工能力6 定位精度0.01mm7 重復(fù)定位精度0.005mm8 使用英國renishaw公司激光干涉儀進(jìn)行精度保證9 采用臺灣新代控制器，性能穩(wěn)定，操作方便，支持g代碼，常用的cam軟件后處理，都可以運(yùn)行加工，獨(dú)有的手輪模擬功能和自動對刀功能使在加工中保證了效率。2.3 rgdx

17、-4040s數(shù)控模具雕銑機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表2-1 rgdx-4040s數(shù)控雕銑機(jī)主要技術(shù)參數(shù)序號項目參數(shù)單位1工作臺尺寸（x/y）500*480mm2最大行程（x/y/z）400*400*150mm3最大工件尺寸（x/y/z）460*600*200mm4最大刀具直徑（er20）13mm5最大進(jìn)給速度6m/min6主軸電機(jī)功率3kw7主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍1500-24000n/min8分辨率0.001mm /p9定位精度0.008mm10重復(fù)定位精度0.005mm11外型尺寸1500*1200*1800mm12機(jī)器凈重1400kg13電源電壓ac380v5v14機(jī)器總功率5kw15機(jī)器軸聯(lián)動數(shù)3軸16

18、龍門寬度650mm17裝料高度170mm3 rgdx-4040s數(shù)控模具雕銑機(jī)總體布局設(shè)計方案數(shù)控模具雕銑機(jī)是一種高效率、多功能的中小型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控加工設(shè)備。它集雕刻與銑削功能為一體，既保證了銑削小型工件所需要的低轉(zhuǎn)速、大功率輸出、又具備了雕刻所需要高轉(zhuǎn)速的雙重要求。3.1機(jī)床總體布局設(shè)計數(shù)控雕銑機(jī)主要用于較小銑削量或軟金屬材料的工件的加工。不但要求加工精度較高，而且要求實(shí)現(xiàn)高速切削，其主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)24000rmin左右。其移動部件不但要剛性好，而且要盡可能輕巧，以保證其靈活性。對數(shù)控系統(tǒng)，要求其具有高的速度和極好的伺服電機(jī)特性。 對于數(shù)控雕銑機(jī)，從機(jī)械的角度分析，其結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足：非移動部件剛性要

19、好，移動部件在保證其具有良好剛性的前提下，盡可能輕巧，靈活性要好。要從機(jī)械上滿足既輕巧又剛性好的要求，關(guān)鍵在于機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計上1。 理論設(shè)計上，rgdx-4040s數(shù)控模具雕銑機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局如圖所示。1-y軸工作臺（整體式），2-主軸組建，3-主軸冷卻泵及冷卻液泵站，4-立柱，5-x-z軸二維工作臺（橫梁），6-操作及控制柜圖3-1 rgdx-4040s數(shù)控雕銑機(jī)布局設(shè)計圖機(jī)床主要組成： 二維數(shù)控十字工作臺5( x-z向) 立柱4 一維數(shù)控工作臺1(y向) 主軸組件2 泵站3 操作及控制柜63.2 設(shè)計方案分析本設(shè)計中，數(shù)控雕銑機(jī)選用龍門式結(jié)構(gòu)。龍門式結(jié)構(gòu)具有良好的剛性和對稱性，一直是高速

20、切削設(shè)備的首選結(jié)構(gòu)。本機(jī)床總體布局采用龍門架式銑床結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了較寬的立柱和橫梁。為克服不良力矩的問題，盡量加寬了x、y、z三向的兩根直線滾動導(dǎo)軌之間的跨距，從整體布置上有效保證了機(jī)床的剛性。因孕育鑄鐵（米漢那鑄鐵）具有良好的穩(wěn)定性、吸振性和耐沖擊性，可使床身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性有顯著提高，故本機(jī)床整體式床身底座采用孕育鑄鐵鑄造而成。它為箱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部筋板采用米字型筋配合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，確保了對y軸工作臺和兩立柱的剛性支承，使機(jī)床動態(tài)加工的穩(wěn)定性可達(dá)最好。因機(jī)床的剛性主要用于克服移動部分在高速移動時對非移動部分的強(qiáng)大沖擊，所以導(dǎo)軌和絲桿在設(shè)計時應(yīng)盡量要求粗一些，以加強(qiáng)剛性。由于采取了這些措施，所設(shè)計的

21、數(shù)控雕銑機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是能進(jìn)行比較細(xì)小的加工，加工精度比較高，對軟金屬可進(jìn)行高速切削。4電主軸單元簡介4.1電主軸概述高速數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展方向之一，是裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。高速數(shù)控機(jī)床的工作性能，首先取決于高速主軸的性能。數(shù)控機(jī)床高速主軸單元包括主軸動力源、主軸、軸承和機(jī)架等幾個部分，它影響加工系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及應(yīng)用范圍，其動力學(xué)性能及穩(wěn)定性對高速加工起著關(guān)鍵的作用。高速高精度主軸單元系統(tǒng)，應(yīng)該具有剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、運(yùn)轉(zhuǎn)時溫升小、穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，同時，制造及操作成本也應(yīng)適中。要滿足這些要求，主軸的制造及動平衡、主軸的支承（軸承）、主軸系統(tǒng)的潤滑

22、和冷卻、主軸系統(tǒng)的剛性等是很重要的2。高速主軸單元的類型主要有電主軸、氣動主軸、水動主軸等。不同類型的高速主軸單元輸出功率相差較大。高速加工機(jī)床主軸要求在極短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)升降速，并在指定位置快速準(zhǔn)停。這就需要主軸有較高的角減速度和角加速度。如果通過傳動帶等中間環(huán)節(jié)，不僅會在高速狀態(tài)下打滑，產(chǎn)生振動和噪聲，而且增加轉(zhuǎn)動慣量，給機(jī)床快速準(zhǔn)停造成困難。目前，隨著電氣傳動技術(shù)（變頻調(diào)速技術(shù)、電動機(jī)矢量控制技術(shù)等）的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡化，基本上取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動機(jī)直接驅(qū)動，從而把機(jī)床主傳動鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動”

23、。這種主軸電動機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨(dú)立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”。它在英文中有多種稱謂，如electric spindle, motor spindle和motorized spindle等等。由于當(dāng)前電主軸主要采用的是交流高頻電動機(jī)，故也稱為“高頻主軸”（high frequency spindle）。由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)，有時又稱它為“直接傳動主軸”（direct drive spindle）。電主軸是一種智能型功能部件，它采用無外殼電動機(jī)，將帶有冷卻套的電動機(jī)定子裝配在主軸單元的殼體內(nèi)，轉(zhuǎn)子和機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)部

24、件做成一體，主軸的變速范圍完全由變頻交流電動機(jī)控制，使變頻電動機(jī)和機(jī)床主軸合二為一。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，不但轉(zhuǎn)速高、功率大，還具有一系列控制主軸溫升與振動等機(jī)床運(yùn)行參數(shù)的功能，以確保其高速運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性與安全性。使用電主軸可以減少帶輪傳動和齒輪傳動，簡化機(jī)床設(shè)計，易于實(shí)現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，將電動機(jī)內(nèi)置也會帶來不少麻煩，但在高速加工時，采用該舉措幾乎是惟一的選擇，也是最佳的選擇。原因如下：（1）如果電動機(jī)不內(nèi)置，仍采用電動機(jī)通過帶輪或齒輪等方式傳動，則在高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，由此產(chǎn)生的振動等，勢必影響高速加工的精度、加工表面粗糙

25、度，而產(chǎn)生的噪聲導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量的惡化，這些問題都很難解決。（2）高速加工的最終目的是為了提高生產(chǎn)率，相應(yīng)地要求在最短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速的速度變化，即要求主軸回轉(zhuǎn)時具有很高的角加速度和角減速度。達(dá)到這個要求的最經(jīng)濟(jì)的辦法是將主軸傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量盡可能地減至最小。而只有將電動機(jī)內(nèi)置，省掉齒輪、帶輪等一系列中間環(huán)節(jié)，才有可能達(dá)到這一目的。（3）電動機(jī)內(nèi)置于主軸兩支承之間，與用帶輪、齒輪等作末端傳動的結(jié)構(gòu)相比，可提高主軸系統(tǒng)的剛度，也就提高了系統(tǒng)的固有頻率、從而提高了其臨界轉(zhuǎn)速值。這樣，電主軸即使在最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時，仍可確保低于其臨界轉(zhuǎn)速，保證高速運(yùn)轉(zhuǎn)時的安全。（4）由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)的傳動沖擊等外力作

26、用，主軸高速運(yùn)行更為平穩(wěn)，使得主軸軸承的使用壽命相應(yīng)得到延長。（5）電主軸與傳統(tǒng)的主軸傳動系統(tǒng)相比有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊等優(yōu)點(diǎn)，這樣便于把它用在多軸聯(lián)動機(jī)床、多面體加工機(jī)床和并聯(lián)（虛擬軸）機(jī)床上。電主軸內(nèi)置于主軸部件后，不可避免的將會產(chǎn)生發(fā)熱的問題，從而需要設(shè)計專門用于冷卻電動機(jī)的油冷或水冷系統(tǒng)。高頻電動機(jī)要有變頻器類的驅(qū)動器，以實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的變換。高速軸承有時要有專門的潤滑裝置。另外為了保證高速回轉(zhuǎn)部件的安全，還要有報警及停車因此，“電主軸”的概念不應(yīng)簡單地理解為只一根主軸套筒，而是一個完整的、在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控下的子系統(tǒng)，如圖4-1所示。圖4-1 完整的電主軸系統(tǒng)圖4-1電主軸控制系統(tǒng)配置電主軸

27、對現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床有十分重大的意義，采用電主軸高速加工的優(yōu)勢3：（1）加工時間大幅度縮短，加工節(jié)拍只有原來的1/4，這意味著一臺高速機(jī)床可以代替4臺普通cnc機(jī)床。（2）表面質(zhì)量很高，不用在進(jìn)行比如打磨等表面處理工序。（3）零件可換性好，有利于模具行業(yè)制造（4）零件變形小，可以加工很薄的零件。（5）從管理角度看，高速機(jī)床的投資可以很快收回，并能縮短交貨期，占地面積小，人工數(shù)量可減少。表4-1 高速加工與傳統(tǒng)加工的比較機(jī)床類別技術(shù)參數(shù)普通cnc機(jī)床hsc高速機(jī)床刀具直徑/mm66主軸轉(zhuǎn)速/(r/min)200024000計算進(jìn)給速度/(mm/min)60010000切削速度/(mm3/min)120

28、04800表面粗糙度/m62.4加工時間/h9.422.36由表4-1 可見，電主軸帶給數(shù)控機(jī)床的是高切削速度、高進(jìn)給速度、高加工精度。這將會是數(shù)控雕銑機(jī)及各類機(jī)床的主要發(fā)展方向。4.2 電主軸的基本結(jié)構(gòu)高速電主軸要獲得好的動態(tài)性能和使用壽命，必須對電主軸各個部分進(jìn)行精心設(shè)計和制造。電主軸基本結(jié)構(gòu)原理如圖所示。 圖4-2 電主軸的結(jié)構(gòu)原理圖1.軸殼軸殼是高速電主軸的主要部件。軸殼的尺寸精度和位置精度直接影響主軸的綜合精度。通常將軸承座孔直接設(shè)計在軸殼上。電主軸為加裝電動機(jī)定子，必須開放一端。大型或特種電主軸，為方便制造、節(jié)省材料，可將軸殼兩端均設(shè)計成開放型。高速、大功率和超高速電主軸，應(yīng)該嚴(yán)格

29、控制整機(jī)裝配精度。2.轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸是速電主軸的主要回轉(zhuǎn)主體，其制造精度直接影響電主軸的最終精度。成品轉(zhuǎn)軸的形位公差和尺寸精度要求都很高。當(dāng)轉(zhuǎn)軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，由偏心質(zhì)量引起的振動，嚴(yán)重影響其動態(tài)性能。因此，必須對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行嚴(yán)格的動平衡，部分安裝在轉(zhuǎn)軸上的零件也應(yīng)隨轉(zhuǎn)軸一起進(jìn)行動平衡。3.軸承高速電主軸的核心支承部件是高速精密軸承。這種軸承具有高速性能好、動載荷承載能力高、潤滑性能好、發(fā)熱量小等優(yōu)點(diǎn)。近年來，相繼開發(fā)研制了陶瓷軸承、動靜壓軸承和磁浮軸承。5 電主軸系統(tǒng)設(shè)計計算5.1 主軸系統(tǒng)的重力計算主軸系統(tǒng)主要由三部分組成：3kw主軸安裝座、滑塊及拖板。根據(jù)圖紙分別計算3kw主軸安裝座、滑塊和拖板的體積

30、v及其重力g。查表1-812，可知工業(yè)用鋁合金的密度鋁合金=2.7103(kg/m3);灰鑄鐵的密度ht250=7.0 103(kg/m3)。3kw主軸安裝座的體積v1及重力g1計算： v1=（268155200-502200-212554200-24040200）10-93.7210-3m3 g1=m1g=鋁合金 v1g=2.71033.7210-39.898.43n滑塊體積v2及重力g2計算： v2=（27096730-16081246-24048570-12981570-2973157）10-97.2510-3m3 g2=m2g= v2g=7.0 1037.2510-39.8=497.3

31、5n拖板體積v3及重力g3計算 v3=（24227505+4907212-1802006-1208642-702554）10-93.2410-3m3 g3=m3g= v3g=7.0 1033.2410-39.8222.26n表5-1 主軸系統(tǒng)的重力計算值計算項計算值3kw主軸安裝座98.43n滑塊497.35n拖板222.26n5.2 主軸銑削力計算rgdx-4040s數(shù)控雕銑機(jī)加工方式與數(shù)控銑床相似，因此按計算銑床的銑削公式計算其銑削力。主銑削力fc計算：rgdx-4040s數(shù)控雕銑機(jī)屬于立銑加工，刀具選用材料為硬質(zhì)合金鋼，加工材料為鋼材，查表8，選用公式： fc=cfkfae0.86af0

32、.72d0-0.86zap （5-1）式（5-1）中，cf：切削系數(shù)。查表30208 取cf=669kf：修正系數(shù)。查表30218 取cf=1.08ae：銑削寬度。查表30358 取ae=1.5mmaf：每齒進(jìn)給量。查表30358 取af =0.1mmd0：銑刀直徑。 查表30358 取d0 =8mmz： 銑刀齒數(shù)。查表30358 取z =6ap：銑削深度。查表30358 取ap=0.5mm 代入式（5-1）得： fc=6691.081.50.860.10.728-0.8660.5 97.89n垂直分力fz、橫向分力fx，縱向分力fy計算：根據(jù)表8-67，各銑削分力的比值可得：； ； 計算可得

33、：=37.20n; =83.21n; =75.38n表5-2 主軸銑削力相關(guān)計算值計算項計算值主銑削力fc97.89n垂直分力fz37.20n橫向分力fx83.21n縱向分力fy75.38n5.3 電主軸的冷卻與潤滑電主軸的工作轉(zhuǎn)速極高，為了盡快給高速運(yùn)行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑。本機(jī)床電主軸采用水冷卻，其冷卻裝置配置在機(jī)床的后部。電主軸的潤滑方式有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑三種方式，可以根據(jù)不同情況下的需要任選其一。當(dāng)采用脂潤滑時，一般其相應(yīng)的速度相對油霧潤滑、油氣潤滑要低。因本機(jī)床主軸要求的最高轉(zhuǎn)速相對較低(最高轉(zhuǎn)速為24000rmin)，故采用脂潤滑。5.4 3kw

34、電主軸的安裝3kw電主軸安裝座的3維造型如圖5-1所示圖5-1 3kw電主軸安裝座的3d建模在電主軸系統(tǒng)上的安裝如圖5-2所示。通過三個m10內(nèi)六角圓柱頭螺釘3將電主軸鎖緊，這種鎖緊方式，操作簡單，夾緊可靠。在兩個m10內(nèi)六角圓柱頭鎖緊螺釘之間，分別打兩個m10的螺紋孔6。其作用是在拆卸的時候，通過擰入m10的內(nèi)六角圓柱頭螺釘，將距離為2mm的安裝間隙擴(kuò)大，從而起到方便拆卸的作用。 1電主軸 23kw主軸安裝座 3 m10內(nèi)六角螺釘3 4z向滑座 5z向拖板 6m10螺紋孔圖5-2 電主軸安裝圖6 電主軸系統(tǒng)z向傳動進(jìn)給設(shè)計計算6.1 z向主傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計主傳動系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動的系統(tǒng)，它的

35、轉(zhuǎn)速高，傳遞的功率大，是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件之一。數(shù)控雕銑機(jī)轉(zhuǎn)速高，不適合采用傳統(tǒng)的“主電機(jī)+皮帶傳動+齒輪變速” 的傳動方式，因而采用了銑削電主軸。電主軸是為高速數(shù)控機(jī)床而開發(fā)的一種新型的主軸部件， 目前在高速切削機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用。它結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣最小，可提高啟動、停止的響應(yīng)特性，且利于控制振動和噪聲。6.2 z向進(jìn)給系統(tǒng)方案設(shè)計在數(shù)控機(jī)床中，為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計機(jī)械傳動裝置時，通常需滿足低摩擦、低慣量、高精度、無間隙，高諧振以及有適宜阻尼比的要求。機(jī)床的精度很大程度取決于進(jìn)給絲杠的精度和機(jī)床導(dǎo)軌的精度，因此，rgdx-4040s數(shù)控雕銑機(jī)z向進(jìn)給系統(tǒng)采用內(nèi)

36、循環(huán)浮動式墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，z軸方向上采用高精度直線導(dǎo)軌。6.2.1 滾珠絲杠副的選擇本設(shè)計中z向工作臺的絲桿選用的是滾珠絲桿副。滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動或?qū)⒅本€運(yùn)動變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動，它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進(jìn)一步延伸發(fā)展。選定進(jìn)給傳動用滾珠絲杠副時，主要考慮的內(nèi)容是：與機(jī)床定位精度要求相適應(yīng)的絲杠精度、絲杠的剛性與轉(zhuǎn)動慣量。在開環(huán)和半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床中，滾珠絲杠的精度將直接影響機(jī)床的定位精度和隨動精度。為了獲得高精度、高剛度的進(jìn)給系統(tǒng)，應(yīng)選用精度高的滾珠絲杠傳動副。但是，隨著絲杠精度的提高，其價格也將大大上升。本機(jī)床z向進(jìn)給方向的滾珠絲杠副的精

37、度等級為4級。4級精度的絲杠經(jīng)采用一些如消隙、螺距誤差補(bǔ)償?shù)却胧?，完全能滿足機(jī)床的定位精度要求。絲杠的剛度與直徑的大小直接相關(guān)，直徑大、剛度就好。要想使進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)有足夠的剛性，就要選用直徑粗大的絲杠。但是，隨著直徑的增大，其轉(zhuǎn)動慣量也大大增大。本機(jī)床經(jīng)設(shè)計計算后選定z軸滾珠絲杠的公稱直徑為25mm，導(dǎo)程為5mm。 6.2.2 滾珠絲杠副的選擇計算1)確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程ph5 ph = （6-1）ph：滾珠絲杠副的導(dǎo)程mmvmax：工作臺最高移動速度m/minnmax：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速r/mini: 傳動比因rgdx-4040s雕銑機(jī)伺服電機(jī)與滾珠絲杠副通過聯(lián)軸器直接傳遞力矩，因此傳動比i=1根

38、據(jù)表2-1的技術(shù)參數(shù)可知，v max =5m/min ;根據(jù)電動機(jī)功率為400w, 查得nmax =3000r/min 代入式（6-1）得 ph = =1.67mm 根據(jù)表1 16選擇導(dǎo)程為5mm的滾珠絲杠副2）確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷當(dāng)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速接近正比變化時，各種轉(zhuǎn)速使用機(jī)會均等時，可采用下列公式計算。當(dāng)量轉(zhuǎn)速6nm = （6-2）nm:當(dāng)量轉(zhuǎn)速r/minnmax：滾珠絲杠副的最高轉(zhuǎn)速。因rgdx-4040s雕銑機(jī)伺服電機(jī)與滾珠絲杠副采用直聯(lián)方式連接，傳動比i=1。電動機(jī)所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速即為滾珠絲杠副的最高轉(zhuǎn)速，所以nmax =3000r/minnmin：滾珠絲杠副的最低轉(zhuǎn)速。nmin =

39、0代入式（6-2）得nm =1500r/min當(dāng)量載荷 fm = （6-3）fm：當(dāng)量載荷n；fmax：機(jī)器承受最大負(fù)荷時滾珠絲杠副的傳動力。fmax= g1+g2+g電主軸+=690.18+0.175.38=697.718n。fmin：機(jī)器空載時滾珠絲杠副的傳動力。因所計算的絲杠帶動z軸方向的運(yùn)動。所以fmin=g1+g2+g電主軸 =（98.43 +493.75+98）n=690.18n代入式（6-3）得 fm= 695.21n3）確定預(yù)期額定動載荷按滾珠絲杠副的預(yù)期工作時間lh（小時）計算： cam = （n） （6-4） cam：確定預(yù)期額定動載荷n lh：預(yù)期工作時間（小時）。查表-6 14 取lh=20000h。 fa：精度系數(shù)。根據(jù)初定的精度等級p4，查表-7 14 取fa=0.9。 fc：可靠性系數(shù)。一般情況下為fc=1。在重要場合，要求一組同樣的滾珠絲杠副在同樣條件下使用壽命超過希望壽命的90%以上時fc根據(jù)表-8 14選。 fw：負(fù)荷系數(shù)。根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)選擇，查表-914取fw=1。代入式（6-4）得cam= 9396n擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大載荷fmax計算 cam =fefmax