卧式加工中心设计

设计与研究

卧式加工中心设计

杨元芳

（邹平县农机局，邹平256200）

摘要：本文对一款卧式加工中心的设计过程进行了总结。介绍了设计过程，分析了结构特点，列出了重要部分的计算过程，列出了产品的优点及达到的水平。

关键词：卧式结构特点计算过程

本次设计的卧式加工中心以市场为导向，设计一款高精度、高性能、高附加值的精品产品。本产品采用动柱式正T字形布局形式，立柱X向运动，主轴箱Y向运动，工作台Z向运动，主轴箱采用液氮平衡装置，床身为整体铸件，立柱、主轴箱、工作台在其上运动，交换工作台及刀库机械手固定在床身上。

1设计过程

对国内外技术信息的搜集和了解，对市场上现有的同类机床进行调研和信息搜集、整理，确定设计任务书，确定产品的型号为HMC630高速卧式加工中心。进行方案设计，提出设计难点，进行技术方案证，解决技术难点。HMC630高速卧式加工中心，全方位体现出现代的加工中心机床对于高性能、高刚性、高速度、高精度和高可靠性的要求，整机结构紧凑，响应速度快，具有非常强劲的柔性加工能力。

2工作原理及主要技术特征

2.1总体布局

本机床采用动柱式正T字形的整体布局。整体式床身、框式立柱、回转式双工作台交换装置形式。框式立柱在床身上左、右往复作X向运动，主轴箱在框式立柱中上、下往复作Y向运动，工作台在床身上前、后往复作Z 向运动。回转式双工作台交换装置位于床身上的前部，与床身固定为一体；链式刀库位于机床床身的左后侧，固定在机床基础上；机械凸轮式换刀机械手固定在刀库的前面，位于立柱的左前方；冷却、排屑装置位于机床左前部的下方；数控电气柜位于机床的右后侧，固定在床身上的专用支架上，旋转式数控操作面板位于电柜的前面；气动、润滑装置位于电柜下方防护的壁笼内；油冷机、液压站位于机床的后侧，固定在床身后侧的专用支架上。

2.2结构件

床身、工作台、立柱、主轴箱和交换装置底座等基础件均采用树脂沙造型高强度铸铁。经过铸件时效和粗加工后时效，两次时效处理消除应力，使铸件达到要求的应力稳定状态，保证大型基础件的尺寸和形状精度的稳定性。床身、立柱采用双壁式封闭箱形结构，主轴箱和交换装置底座采用封闭箱形结构，内部合理布置加强筋，有效提高机床的静刚度和动刚度。2.3进给轴传动系统

本机床X、Y、Z三个导轨全部采用瑞士施耐博格生产的大规格滚柱直线滚动导轨，摩擦阻力小，支撑刚性强，抗振性好，寿命长。X、Y、Z三个进给轴采用先进的高精度中空冷却滚珠丝杠技术，通过恒温油箱对油温实施控制，使其在较小的温度范围内变化，达到控制丝杠在切削受力及快速移动过程中产生的热变形，提高机床加工精度2.4立柱

本机床采用热对称结构的框式立柱，主轴箱在立柱中间，沿立柱前面的Y向滚柱直线导轨升降，立柱沿床身底座后面的X向滚柱直线导轨左右运动，主轴基本对称立柱及Y向导轨，有效避免热变形产生的位置偏移。立柱采用高强度铸铁铸造，双壁式封闭箱形结构，前面安装Y向滚柱直线导轨和滚珠丝杠，底面安装X向滚柱直线导轨块，具有较高的的静刚度和动刚度。

2.5分度工作台

本机床采用端齿盘分度工作台，带630×630双交换托盘。分度工作台由伺服电机驱动涡轮蜗杆旋转作粗定位，端齿盘作精确定位，最小分度为1°，定位精度±3＂，重复定位精度±1＂，液压抬起、夹紧（落下）分度工作台。

2.6刀库及换刀机械手

本机床采用液压链式刀库，BT50#刀柄，60个刀位，前置式凸轮换刀机械手。刀库刀链每刀位分度时间0.5s，凸轮换刀机械手换刀时间3.45s(刀-刀)。

2.7回转式双工作台交换装置

本机床的回转式双工作台交换装置采用高强度铸铁底座，焊接门形框架结构，上悬轮叉式托盘架。回转驱动装置和升降装置均设在门形框架上部，底座前面设有托盘站，作为装卸工件的工位。回转装置采用液压油缸齿轮齿条驱动方式，液压油缸推动齿条，带动安装在托盘架旋转轴上的齿轮，使托盘架旋转。升降装置采用液压油缸驱动方式，液压油缸通过旋转联轴器连接到托盘架旋转轴上，以使油缸活塞杆不随旋转轴转动。液压油缸均为标准油缸，方便维修和更换。

托盘站设有回转盘，回转盘上有与托盘相配的四个园锥体定位装置，回转盘下面设有四个等分的定位销孔，底座上设有气动插拔销，手动旋转回转盘进行90°分度，方

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2017第7期总第248期现代制造技术与装备

便工件的装卸。在0°位上设有检测开关，保证托盘回到正确位置进行交换。

2.8冷却系统

本机床冷却系统包括主轴内冷、主轴环喷、喷淋、冲屑四部分。主轴内冷设有专用高压小流量软体泵和专用过滤器，以适应内冷刀具小直径、大液阻的高压力，和主轴装刀锥孔高清洁度的要求。主轴环喷设有专用中压中流量软体泵，四个球绞可调向喷头使工件和刀具得到充分的冷却。喷淋装置配有专用大流量软体泵，在加工区上方的环形管道上安装有多达16个球绞可调向喷头，大量的冷却液保证工件和机床工作台得到充分的冷却，并将加工产生的热量尽快带离加工区。使机床处于一个相对衡定温度的加工环境。有利于机床加工精度的提高。冲屑装置配有专用大流量软体泵，在工作台一侧有冲屑管道，其上安装有6个球绞可调向喷头，大量的冷却液将切屑冲离加工区，集中到工作台另一侧的排屑口，可通过编程设定间歇式冲屑的时间间隔。

各冷却部分均可单独控制，并有各自的M指令供数控编程使用。

3主要技术指标

（1）工作台尺寸：630×630mm；

（2）工作台工作台最大承重：1200kg(均布重量)；

（3）工作台分度:1度×360；

（4）行程：X:050；Y：900；Z：900；

（5）主轴最高转速：8000rpm(ZF变速箱两档变速)；

（6）主电机功率：AC22kW（30min）18.5kW（连续）；

（7）最快进给速度：X/Y/Z：45m/min；

（8）定位精度;±0.0025mm（JIS）；

（9）重复定位精度:±0.0015mm（JIS）。

4主要计算内容

主要进行各进给轴的丝杠、导轨、进给电机的选取计算。首先进行各运动部件的重量估算，再进行各种切削条件下的切削力计算，以此为依据进行各轴最大进给力的计算。(仅计算X轴)

4.1最大进给力的计算（立柱进给）

运动部件总重量（立柱+主轴箱）：G=3100+675=3775kg=37000N；

最大切削进给力为周边铣顺铣进给力：F进=15300N；

磨擦力（最大载荷工进时）：F′=（37000+15300x740/730）×0.02=1050N；

X轴的最大工作进给力为：F=15300+1050=16350N；

快进加速度为：a=2.5m/s2（0.25g）；

快进速度为45m/min，加速时间为：t=45/60×2.5=0.3s；

启动力：F=ma=3775×2.5=9440N；

磨擦力（快进时）：F′=37000×0.02=740N；

X轴的最大快速进给力为F=9440+740=10200N；

X轴最大进给力为16350N。

4.2滚珠丝杠的选择（按台湾上银丝杠选用）（立柱进给）

按每天一班，每年工作250天，使用寿命5年计算。快进占1/3，工进占2/3，快进时nmax=3000rpm，工进时n=60rpm。

工况系数（3000*1/3+60*2/3）*60(每小时60分钟) =62400；

X轴最大工作进给力F=16350N，X轴最大快速进给力F=10200N；

nmax=2820r·p·m，l=1300mm；

计算当量载荷为F=0.5（10200×2/3+16350×1/3）=6130N；

Ca1=（58400×15000/106）1/3×6130=7.53×6130=46200N =4720kgf；

选取高速化R50-20C1-OFSWC1（动载荷为5027kgf，静载荷为14278kgf）。

5设计产品技术特点

高精度：机床的X、Y、Z三个坐标丝杠全部采用先进的中空冷却技术，有效地控制了机床加工运动过程中的发热变形问题，提高了机床的加工精度，此外机床具有温度补偿功能，在机体的主要位置装有温度传感元件通过数控系统分析并补偿坐标的位置实现机床高精度。

高速度：机床主轴采用电主轴结构，最高转速达13000rpm并具有内部两档变速，可在满足低速切削要求的同时满足高速加工要求。X、Y、Z三个坐标导轨采用了高刚性的直线滚动导轨，其快速移动速度36~54m/min。机床的机械手在换刀过程中将主轴松、拉刀通过凸轮连动实现快速换刀（换刀时间：2秒）。工作台交换的全过程也采用两组凸轮连续运动实现快速交换。以上参数均处于国内领先水平及国际先进水平。

高刚性：机床的主体部分全部采用树脂砂高强度铸件，床体为整体铸件，立拄、滑台、工作台在其上运动。交换工作台及刀库机械手固定于床体上，保证了机床整体刚性。此外，机床在设计过程中通过有限元分析使结构更加合理。

参考文献

[1]现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册.机

械工业出版社.2006.6.

[2]成大先.机械设计手册.化学工业出版社.2007.11.

[3]施耐博格产品技术手册.2011.

Horizontal Machining Center Design

YANG Yuanfang

（Agricultural Machinery Bureau of Zouping,Zouping256200）

Abstract：The design process of a horizontal machining center is summarized in this paper.The design process is introduced.The structural features are analyzed.The calculation process of important parts is listed,and the advantages and the level of the products are listed.

Key words:horizontal,structural features,calculation process

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