卧式镗铣数控机床设计方案 1绪论 1.1国外发展现状 卧式镗铣床是一种加工围极广、自由度很大的通用机床，主要用来加工中、小型箱体零件，并多用于孔加工，镗孔精度可达IT7；除扩大工件上已铸出或已加工的孔外，还能铣削平面、钻削、加工端面和凸缘的外圆，以及切螺纹等。 卧式镗铣床在发展早期，主轴多采用经典的镗轴与铣轴组成的双层主轴结构，为保证刚性与高精度加工，主轴前端由双列圆柱滚子轴承与推力球轴承支承。近年来，随着电子技术、新材料和新工艺的广泛应用，以及零件加工对机床提出的更高的要求，卧式镗铣床发展呈现出新的特点，在提高进给速度和快速移动的同时，又出现了提高加速度这一概念，使得卧式镗铣床采用电主轴设计成为新的追求。但是，电主轴的结构单一，仅能提高加工速度与效率，而不适合重切削，更不能替代卧式主轴镗杆伸缩移动，进行深孔加工，其加工能力受到了限制，可谓顾此失彼。 针对这个问题，德国Dorries Scharmann公司生产的ALPHA系列卧式加工中心对此给出了完美的解决方案。ALPHA系列卧式加工中心立柱采用斜面概念的设计，刚性极高，具有卧式主轴和电主轴可交换使用的功能，具有“一机两用”之功效，大大提高了机床的工艺性能，也降低了制造成本，这一创新引领着卧式镗铣床的发展方向。该机的最大特点是

高效、高精，快速移动最高达min/50m，最大加速度达2/5sm，位置精度mm01.0~008.0。 武重的TR6513型卧式柔性加工单元，是目前国同类产品中规格最大的产品，处国领先水平。主轴直径mm130，最高转速min/2500r，ZYX、、三轴移动速度min/10m。配有2个交换工作台和1个回转工作台，交换工作台的定位精度在mm01.0以。刀库安装在立柱的侧面，随立柱移动，还可配备直角铣头、万能角铣头、两座标数控铣头、平旋盘等各种附件，一次装夹完成孔、面、曲面的加工。 与国外同类产品相比，国厂家的产品主要还是设计上的差距，国外已经全部采用模块化设计，强化设计的“柔性化”，产品结构形式多样；其次，国产品从机床性能和制造水平上讲，产品运行速度、进给速度与国外产品相比也还有很大差距。

1.2本文研究的目的与意义 通过此次毕业设计，主要了解当前卧式镗铣数控机床的国外发展概况和发展趋势，弄清楚卧式镗铣数控机床的总体布局、主传动系统方案和进给系统方案，学习镗轴和铣轴双层主轴结构设计的实现方法，明白作为一名机械工程师在机械系统结构和传动系统设计中所承担的主要任务，掌握机床传动系统设计的一般方法以及机床其它基础件设计的要求并进一步提高应用计算机绘图的能力；此外，还应通过此次毕业设计加深对专业基本知识的理解，培养收集资料和调查研究的能力，为以后的学习、生活打下良好的基础。

1.3本文的主要容 按照设计任务书要求，在本文中要完成一台中型卧式镗铣数控机床的总体设计、主传动系统及主轴进给系统设计：机床必须具有镗和铣的功能，立柱应能根据工件的大小移动而实现其粗定位；为在一次装夹中完成尽可能多的表面的加工，工件应能在回转工作台上实现精密分度；机床要求能实现四轴三联动。 要完成的主要任务： 1）绘制镗铣数控机床总装配图1； 2）绘制主轴箱及主轴传动系统总成部件装配图1； 3）绘制典型零件的零件图若干（总绘图工作量：折合0#图纸不少于3）； 4）编制开题报告1份； 5）翻译有关外文资料1份（5000汉字）； 6）编写设计计算说明书1份（10000字以上）。 2机床总体方案设计 2.1运动个数和形式的确定 零件的加工表面是由机床刀具和工件之间的相对运动形成的，因此不同的工件表面，往往需要采用不同类型的刀具与工件一起做不同的表面成形运动，就产生了不同类型的机床。 因为卧式镗铣床主要用来加工中、小型箱体零件，用来扩大工件上已铸出或已加工的孔，以及铣削平面、钻削、加工端面和凸缘的外圆，以及切螺纹等，而不需要加工曲面或圆弧面。 归纳起来，卧式镗铣床的加工可分为平面和孔加工两大类。如图1所示，平面的加工可由铣刀头与ZYX、、三个方向的成形运动合成得到；而孔加工由镗刀与镗杆在轴向的进给（即Z方向的成形运动）即可合成得到。

图1 平面和孔加工时的成形运动分析 因此，卧式镗铣床加工工件时只需要ZYX、、三个方向的直线成形运动即可满足加工要求（回转工作台的转动不包括在）。

2.2运动的分配 加工工件所需的运动仅仅是相对运动，因此，对部件的运动分配可以有多种方案。铣削加工时，进给运动可以由工件运动也可以由刀具运动来完成，或者部分由工件运动，部分由刀具运动完成，这样就影响到了部件的配置和总体关系。 图2（a）是加工件较轻的升降台铣床，一般由工件完成三个方向的进给运动，分别由工作台、滑鞍和升降台来实现； 当加工工件较重或者尺寸较大时，则不宜由升降台带着工件作垂直方向的进给运动，而是改由铣头带着刀具来完成垂直进给运动，如图2（b）所示； 图2 数控铣床总体布局示意 图2（c）所示的龙门数控铣床，其工作台载着工件作一个方向的进给运动，其它两个方向的进给运动由多个刀架在立柱与横梁上移动来完成，这样的布局不仅适用于较重的工件加工，而且由于增多了铣头，使铣床生产效率得到很大提高； 当加工更大更重的工件时，由工件作进给运动在结构上就很难实现了，这种情况全部进给运动均由铣头运动来完成，如图2（d）所示，这种布局形式可以减小铣床的结构尺寸和质量。 本次设计的是中型卧式镗铣数控机床，加工时零件尺寸和质量可能都较大，但任务书未对生产效率提出特别的要求。因此综合考虑，采用由铣头带着刀具完成垂直进给运动，立柱带着主轴箱完成横向进给，工件只作纵向进给的运动分配方案。

2.3机床总体布局 机床总体布局应能同时保证机床具有良好的精度、刚度、抗振性和热稳定性等结构性能。如图3所示，为几种常见的数控卧式铣床布局结构。 在前面的运动分配中，已选择采用由铣头带着刀具完成垂直进给运动，立柱带着主轴箱完成横向进给，工件只作纵向进给的运动分配方案，此即为立柱移动式结构。此时若机床布局选择图3（c）和图3（d）方案，当工作台带着数控转台在横向（即X向）做距离移动和下滑板做Z向进给时，Z向床身的一条导轨将会承受很大的偏载。而在图3（a）和图3（b）方案中，立柱通过床身直接与地面接触，就没有这一问题了。 图3 几种常见的数控卧式铣床布局 因此机床总体布局选择图3（a）或图3（b）方案，T形床身设计。为简化设计，最终选择图3（b）方案，单立柱式侧挂主轴箱T形床身设计。机床布局示意图如下图所示。

图4 卧式镗铣数控机床布局方案图 3主传动系统方案设计 3.1主传动系统变速方式的选择 数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此大多数数控机床采用无级变速系统，以使变速机构适应自动操作的要求。其常见的主传动系统有下面三种方式：

（a）变速齿轮 （b）带传动 （c）装电动机主轴传动结构 图5 数控机床主传动的配置方式 其中： （a）是带有变速齿轮的主传动，它通过两级或三级齿轮降速，使之成为分段无级变速，确保低速运行时满足主轴输出转矩特性的要求。这种配置方式主要用于大、中型数控机床。（b）是通过带传动的主传动，它主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低转矩特性要求的主轴。 （c）是电主轴设计，这种变速方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效提高了主轴部件刚度，但由于电动机转子轴即为机床主轴，受电机输出转矩特性限制，主轴输出转矩小，并且电动机发热对主轴精度影响较大。 结合我的毕业设计分析： 铣削过程是断续切削，同时工作的齿数较多，每个刀齿切削的厚度也是变化的，因此铣刀刀刃处于间歇切削状态，散热条件较好，有利于采用高速铣削，以提高生产率。但与铣削相比，镗削加工多用于半精和精加工，对加工质量的要求比生产效率放在更重要的位置，并且镗削的适用切削速度也比铣削低得多。 这就要求该机床主传动应具有一定的调速围，以保证加工时铣削和镗削能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量；也对主轴低速时的输出转矩提出了一定要求。 并且，在毕业设计过程中，指导老师建议我按中型数控机床规格进行设计。 因此，本次设计的卧式镗铣数控机床主传动系统采用带有变速齿轮的主传动，以满足加工对机床变速围的要求和镗削时对主轴输出转矩的要求。 3.2主传动系统变速方案的确定 正如上面的分析，该机床的主传动系统采用分段无级变速系统。齿轮变速级数初步定为两级，高速级和低速级。当机床用于铣削加工时，其主轴输出转速较大，一般都处在电动机的恒转矩变速围，此时可由高速级输出；而当机床用于镗削加工时，其主轴输出转速一般都较小，为了保证此时主轴输出转矩满足加工要求，转速由变速系统低速级输出。 考虑到设计中镗杆的可伸缩结构，为使传动件结构和设计计算尽量简单，将滑移齿轮布置在Ⅱ轴上，并且齿轮传动的高速级和低速级传动比分别为1：1和1：2；Ⅱ轴和Ⅲ轴间采用定比传动，传动比为1：1.5。 本次设计的主传动系统示意图如下：

图6 传动系统示意图 4主传动系统主要传动件计算 4.1主轴电机功率和型号的选择 4.1.1主传动功率的确定 在进行机床设计过程中，主轴电机功率的正确选择是很重要的。功率选得过小，不能保证工作机的正常工作或使电动机将长期处于满载甚至过载状态而过早损坏。而功率选得过大，电动机价格高，且经常不在满载下运行，电动机效率和功率因数都很低，造成很大的浪费。因此，机床的主传动功率是选择主轴电机功率和型号的重要依据。

机床主传动的功率P可根据切削功率mP与主运动传动链的总效率来确定

mPP

其中，为机床传动总效率，一般取0.75—0.85，在本次设计中取0.8计算。而切削功率mP应是三个切削分力消耗功率的总和，但背向力pF消耗的功率为零，进给力fF消耗的功率很小，一般可忽略不计。因此，切削功率mP可用下式计算：

ccmvFP•310 kW

式中：cv——切削速度，sm/；

cF——切削力，单位N。

生产中，常用切削层单位面积切削力ck来估算切削力cF的大小。因为ck是切削力cF与切削层公称横截面积DA之比，所以 fakhbkAkFPcDDcDcc•••••

N

式中：ck——切削层单位面积切削力，MPa（即2/mmN）； Db——切削层公称宽度，mm； Dh——切削层公称厚度，mm。 因为铣削时，同时工作的齿数较多，加工余量也比镗削大得多，因此切削功率应以硬质合金刀具铣削碳钢为标准来计算。