加工中心设计浅谈

加工中心设计浅谈

何远成

摘要：本文概述了加工中心的种类和构造形式并以FWV-1为例叙述了加工中心的一般设计过程

关键词：加工中心种类构造设计

加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，是机械加工工业发展的方向。其高精度，高质量，高效率的表现正越来越受到世界各工业发达国家的高度重视，并成为当今世界机械加工设备中最引人注目的一类产品。

一、加工中心的种类

1、按机床的形态分类，可分为卧式、立式、龙门式三大类加工中心。（1）卧式加工中心指主轴轴心线为水平状态的加工中心。通常都带有可进行分度回转运动的正方形分度工作台。如我公司生产的FWH-4卧式加工中心。

（2）立式加工中心指主轴轴心线为垂直状态的加工中心，工作台通常是长方形，且台上可附带第四、五轴回转功能，可一齐联动；主轴可带齿轮减速箱以增加扭矩，如我公司生产的FWV-1立式加工中心。

（3）龙门式加工中心形状与龙门铣床相似，但它的功能远比龙门铣床多。它带有自动换刀装置、带可更换的主轴头附件。数控装置的软件功能相当齐全，能够一机多用。如我公司生产的FWB-2A型龙门式加工中心。

2、按数字控制（NC）伺服机构的种类分类。

（1）半闭环控制方式普通精度的加工中心，大都采用这种方式，它不是直接检测工作台等移动件的位置，而是通过检测滚珠丝杆的回转角度（或伺服电机轴的回转角度）来间接地检测移动件的位置，故而叫半闭环控制方式。

（2）全闭环控制方式这种控制方式，通常是在精密加工中心上采用。移动部件（如工作台，主轴箱等）的移动位置，是由直线尺（如感应同步器、光栅尺等）直接进行检测并反馈给比较回路，因而不受滚珠丝杆精度和热变形的影响，得到较高的定位精度。

二、加工中心的构造

加工中心一般是由床身、立柱、工作台、滑台、主轴箱、主轴系统、刀库机械手、气动液压、伺服控制和传动系统等组成。

1、床身床身是机床的基础件，要求有足够高的静、动刚度和精度保持性。床身设计受机床总体设计的制约，在满足总体设计要求的前提下，应尽可能做到既要结构合理，肋板布置恰当，又要保证良好的冷热加工工艺

性。

（1）床身的材料一般选用HT300铸铁，床身导轨需淬火50-55HRC后磨削，精密加工中心床身导轨的精度要求很高，如果仍采用淬火后磨削的方法，将达不到精度要求，故一般都用手工刮研的方法来保证导轨的高精度，此种床身材料要选用不经淬火而仍有足够耐磨性的材料。目前常用的材料有磷铜钛耐磨铸铁和高磷耐磨铸铁，其磨性比灰铸铁高1-2倍。床身材料除了用铸铁之外，还有用钢板焊接结构，但要注意焊后、精加工前均需作多次去应力处理和振动时效处理。否则残余应力逐步释放会使精度变差。（2）床身尺寸与结构床身上的导轨跨距不能太窄，否则工作台在移动到行程两端时容易出现翘曲。大型立式加工中心增设了辅助导轨，使Y轴导轨数从两条增加到四条。一般来说，滑台长度与床身上的导轨跨距之比不能大于1.5，而床身高度与宽度之比小于1。床身内部的肋板布置形式很多，但是归结起来就可分为纵向、横向和斜向三大类。纵向肋板可加强纵向抗弯刚度；横向肋板对提高抗扭刚度有显著效果；斜向肋板对提高抗弯、抗扭刚度有较好效果。当肋板厚度相同时，米字肋板结构的抗弯刚度接近于井字形肋板结构，而抗扭刚度却是井字形肋板结构的两倍。米字形虽然有这些优点，但制造工时却比井字形多2-3倍，而且工艺性差。

（3）床身导轨的形式

a、滑动导轨选用滑动导轨时，一般给移动件（如工作台、主轴箱等）导轨粘贴聚四氟乙烯导轨软带，以减少摩擦力（f≤0.04）和更耐磨。平面导轨有整体铸铁导轨和镶钢导轨（材料为T10A、GC r15、38C r MoAl）两种，在条件允许情况下尽量采用整体式铸铁导轨；镶钢导轨的硬度更高（一般58~-62HRC），耐磨性好，但其制造工艺复杂，安装费时（分段接长时，每段长度一般为600~2000），端部应精确加工，保证接合处无间隙，因而成本较高，且总体刚度不如整体铸铁导轨好。

图1

b、滚动导轨又叫直线滚动导轨。按滚动体的类型分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨。其

摩擦力更少，f＝0.003~0.01，运动灵敏度高，因而对控制指令响应更佳，能实现高定位精度和重复定位精度；驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的1/10；瞬时速度比滑动导轨提高10倍，适合高速直线运动。但抗振性和刚性相对不如滑轨。钢板焊接结构的床身，导轨通常会选用镶钢导轨或直线滚动导轨。

三、加工中心的设计

立柱、工作台、滑台、主轴箱的设计作为机床大件其要求与床身类似，其精度、动态特性和可靠性等都要高于普通机床,因此设计时要注意以下几点:1.结构刚度和固有频率要高,阻尼特性要好，就是使所设计的大件结构在提高静刚度的同时，又必须减轻结构的重量，以减小结构的惯性；2. 要减少热变形对加工精度的影响

下面就我公司研发的FWV-1系列立式加工中心（如图1）的设计过程为例作说明。

设计原则：1.在速度和精度方面达到国内同类型同规格产品的先进水平，同时兼顾强力切削，满足用户一机多用的目的； 2.高刚性结构设计，保证机床设计寿命长；3.产品模块化设计，降低设计成本，形成不同配置的系列产品；4.高精度设计，满足加工精度的需要；5.高效率设计，满足现代高生产率的要求。主要技术参数：FWV-1系列X、Y、Z轴行程分别为500mm、500mm、415mm主轴功率7.5KW，主轴转速10000r/min，BT40刀柄；凸轮刀库换刀时间1.5s；工作台承重大于600kg。快速移动速度X、Y、Z轴均为36m/min；定位精度≤0.008mm，重复定位精度≤0.004mm(优于GB/T8771.4标准)。作为系列产品和选用配置，该机可配四轴或五轴联动数控回转分度盘；

设计过程机床设计包括常用的功能设计、机床结构的刚度设计、精度设计、高速化设计、误差补偿技术、寿命设计和可靠性设计等。为保证机床结构设计的合理性，对基础件、传动系统、主轴及整机都进行了有限元分析，找出设计的薄弱环节加以改进，对机床整体性能优化和高刚性设计起到很好的指导作用。FWV-1布局结构的优点是：床身、立柱分体，且主要构件均呈箱形结构，加工中不易变形，加工工艺性好；结合面较大，基础稳固，主轴悬伸小，整体结构刚度高；左右完全对称式设计，主轴X 向热平衡较好，热变形影响小；导轨采用了宽度较大的滚柱导轨，中等预载荷消除了间隙和爬行，提高系统刚度和运动精度，适应高速要求。线性轴驱动采用伺服电机带动高速滚珠丝杠副4012，它采取内循环双螺母预紧形式，结构紧凑。丝杠的支撑采用一端固定支撑而另一端施加预拉伸方式，以提高传动系统刚度，吸收丝杠发热引起的热伸长造成的误差。滚动轴承则选用NSK的丝杠专用轴承30TAC62BDFD三列组合。丝杠与电机间的联