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数控立式加工中心的原理及数控铣床主轴轴承御荷装置的功能

发布日期: 2014-08-12
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 数控立式加工中心及数控铣床的主轴自动换刀,是机床加工中必不可少的功能。机床在进行换刀时,首先通过松刀动作后,才能将主轴上的刀具取下,待主轴换上新刀后,再进行拉刀动作,将主轴上的刀具拉紧后,方可进行加工。目前的机床主轴换刀时,通常的结构都是首先通过松刀缸的动作,推动带有碟形弹簧的拉杆,使机床夹持刀具的夹头松开,然后由机械手(对于加工中心)或手工(对于数控铣床)来进行换刀动作,当新的刀具被换到主轴上后,松刀缸反向运动,活塞回退,拉刀杆在蝶形弹簧的作用下回退,拉紧刀具。
   1 主轴结构及自动换刀工作原理

  数控立式加工中心及数控铣床主轴结构,多采用组件结构形式,主要由主轴套筒2、主轴构件4、主轴前、后支承轴承1和8、实现自动换刀功能的主轴拉杆5,蝶形弹簧9及拉杆头部的拉爪机构组成。采用组件结构,便于主轴的生产、装配和维修。

 不带主轴轴承御荷装置立式加工中心主轴部件内部结构。其换刀过程如下:

  在加工过程中需要进行换刀时,松刀缸14在高压油或压缩气体的作用下,松刀缸活塞杆下行,逐渐与主轴拉杆5上端接触,压迫拉杆下行,拉杆的下端刚性连接着拉爪套16和拉爪机构17,拉爪机构在下行过程中瓣松开拉爪,这时主轴锥孔中的刀柄及拉钉被放开,在机械手的作用下实现自动换刀。待换刀完成后,松刀油缸回程,拉杆在蝶形弹簧的作用下上行,带动拉爪上行,通过刀柄上的拉钉实现刀具的拉紧。

   2 主轴轴承的受力分析

  如图1结构所示,换刀过程中.拉杆要下行一定距离,由于蝶形弹簧压缩量增大,使其内部作用力增大,而蝶形弹簧的作用力通过下垫板7作用到主轴构件4上,主轴前、后支承轴1和8在轴承内隔圈及锁紧螺母的连接下,与主轴构件形成刚性联接,所以这个作力也就施加到了主轴轴承上,使得主轴轴承产生了一个较大的轴向力;由于拉爪结构的需要,主轴松刀行程一般要达到5-6.55mm左右,这样主轴轴承在每次换刀时,都会产生较大的轴向力,一般而言,40#主轴的松刀力将达到12kN左右,50#主轴的松刀力将达到18kN左右,而且加工中心在工作过程中,换刀是相当频繁的,这就造成主轴轴承要承受经常性的较大的轴向冲击力,严重影响了主轴的精度的稳定和使用寿命

3 浮动反扣御荷装置结构

  为了消除换刀过程中松刀力对主轴轴承的轴向冲击作用,采用图2所示的结构,将会起到明显的效果。主要结构与工作原理与图1大致相同,不同的是在主轴构件a的上端安装一固定拉环20与主轴构件4通螺钉形成刚性联接,在主轴箱上端安装浮动拉环21(在安装时要先将固定拉环20拆下),浮动环与松刀缸底座1b通过螺钉19固定形成整体,在导向套12、压缩弹簧t3、压板14及螺钉15的作用下,实现其在主轴箱内孔的上下浮动,主轴在正常回转过中,浮动环及压缩缸座在压簧13的作用下,与主轴箱休孔上平面靠实,确保浮动环与固定环不接触。具体工作过程如下:

  在加工过程中,需要进行换刀时,松刀缸16在高压油或压缩气体的作用下,松刀缸活塞杆下行,逐渐与主轴拉杆S上端接触,在松刀缸和拉杆的接触面之间产生一对作用力且随之加大,当作用力超过压簧13的预压力时,松刀缸与浮动环一起向上运动,直到浮动环与固定环相互接触,在这之后,松刀缸与拉杆之间的作用力,就完全由浮动环与主轴构件形成的刚性体来承担,拉杆与拉爪机构及松刀抓刀动作,与图1完全相同,不作详述。

  由于增加浮动反扣御荷装置结构,在松刀过程中主轴产生的很大的轴向力,都传递给了主轴构件,有效地减轻了主轴轴承的轴向受力,从而大提高了主轴部件的运动精度和使用寿命。

4 设计中的注意事项

  (1)浮动机构的压簧弹簧力要选用适当,在确保正常工作时,将松刀缸底座及浮动环整体压靠主轴箱体上端面的前提下,弹簧力要尽可能小,否则对主轴轴承轴向力的减小不明显,相反会增大松刀的工作力。

  (2)主轴正常工作时,要确保浮动环与主轴构件上固定环不接触,否则会造成磨擦和发热,影响主轴工作性能。

  (3)主轴上端的固定环在安装过程中,需要拆下,必须考虑拆装前后位置不变,以确保拆装时不破坏原主轴组件的动平衡。

数控立式加工中心系列为中的通用自动化金属切削机床,具备数控标准化功能的精密数控系统,可以实现绝大多数的钻、铣、镗、扩、绞等自动加工工艺,地完成各种复杂的凸轮、样板、压模、弧形槽等典型零件自动加工,并可通过RS232串口进行DNC复杂零配件加工。该系列机床广泛应用于各类通用机械、零件、注塑模具、铸造刚等批量生产加工,是五金、模具制造、电子、军工等行业理想的数控加工设备。   数控立式加工中心系列为中的通用自动化金属切削机床,具备数控标准化功能的精密数控系统,可以实现绝大多数的钻、铣、镗、扩、绞等自动加工工艺,地完成各种复杂的凸轮、样板、压模、弧形槽等典型零件自动加工,并可通过RS232串口进行DNC复杂零配件加工。 

    它把铣削、镗削、钻削、攻螺纹和切削螺纹等功能集中在一台设备上,使其具有多种工艺手段。加工中心设置有刀库,刀库中存放着不同数量的各种刀具或检具,在加工过程中由程序自动选用和更换。    该系列机床广泛应用于各类通用机械、零件、注塑模具、铸造刚等批量生产加工,是五金、模具制造、电子、军工等行业理想的数控加工设备。特别适用于加工各种形状复杂的二、三维凹凸模型及复杂的型腔和表面。更适于企业生产车间批量加工零件。适用于高精密模具、汽车、机车、航空、航天、仪器仪表、轻工轻纺、电子仪器和机械制造等行业的中小型箱体、盖、板、壳、盘等零件的加工。

    就是这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎,这是工作台回转式立式加工中心难以做到的。这样通过A轴与C轴的组合,固定在立式加工中心的工作台上的工件除了底面之外,其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。    相信再不怎么专业的人对立式加工中心也多多少少的有点了解,随着时间的流逝,立式加工中心也历尽了多次升级变化,zui新型的五轴立式加工中心,即工件一次装夹就可完成五面体的加工,就是这一种立式加工中心的回转轴有两种方式!   一种是依靠立式主轴头的回转:    主轴前端是一个回转头,能自行环绕Z轴360度,成为C轴,回转头上还带可环绕X轴旋转的A轴,一般可达±90度以上,实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活,工作台也可以设计的非常大,客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类立式加工中心上加工。    这种设计还有一大优点:我们在使用球面铣刀加工曲面时,当刀具中心线垂直于加工面时,由于球面铣刀的顶点线速度为零,顶点切出的工件表面质量会很差,采用主轴回转的设计,令主轴相对工件转过一个角度,使球面铣刀避开顶点切削,保证有一定的线速度,可提高表面加工质量。 

其次就是这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎,这是工作台回转式立式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度,的回转轴还配置了圆光栅尺反馈,分度精度都在几秒以内,当然这类主轴的回转结构比较复杂,制造成本也较高。

另一种是工作台回转轴:    

设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转,定义为A轴,A轴一般工作范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台,在图示的位置上环绕Z轴回转,定义为C轴,C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合,固定在立式加工中心的工作台上的工件除了底面之外,其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。    A轴和C轴zui小分度值一般为0.001度,这样又可以把工件细分成任意角度,加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动,就可加工出复杂的空间曲面,当然这需要的数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单,主轴刚性非常好,制造成本比较低。

运用主轴轴承松刀卸荷装置,可以使主轴轴承在频繁的换刀过程,不受较大的轴向松刀力的影响,提高了轴承使用寿命,保持了主轴轴承精度的稳定性。尤其是对大功率、大扭矩的主轴,为保证了大功率、大扭矩切削时刀具夹持的稳定性,主轴松刀力大多超过20kN以上,为了提高机床主轴轴承精度的稳定性和使用寿命,采用主轴轴承松刀卸荷结构是非常必要的。两种不同的工作回转轴,呈现不同的精彩,运用更多的技术,实现更多的功能,加速了立式加工中心的进步!  

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