立式加工中心的设计和应用
2010-05-12 13:48:40
随着国民经济飞速发展，制造业向着高、精、尖方向发展，特别是汽车、船舶、纺织、电子技术、航空航天的迅猛发展，对机床的精度和生产率要求也越来越高，急需一大批加工精度为“µ”级、主轴转速12,000r/min以上、快移速度大于40m/min的高效高精机床。为了适应国内市场的需要，满足用户对高速、高精及强力切削的需求，北京机床研究所研制了新一代精密立式加工中心µ1000系列。
全新结构和高性能的立式加工中心µ1000系列基型产品是在分析国内外立式加工中心主流产品规格参数，结合中国市场需求，同时按照高速、高精、高品质、高稳定性的技术发展方向和高性能价格比的目标进行开发的。
设计原则
新一代立式加工中心的设计原则如下：
在速度和精度方面达到国际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；
高刚性结构设计，保证机床设计寿命长；
产品模块化设计，降低设计成本，形成不同配置的系列产品；
高精度设计，满足µ级加工精度的需要；
高效率设计，满足现代高生产率的要求；
注重环保。
主要技术参数确定
根据市场调研确定作为标准配置。µ1000系列的工作台面尺寸为500mm×1200mm；坐标行程X、Y、Z分别为1000mm、560mm、550mm；主轴功率18.5/22KW，主轴转速15,000r/min，BT40刀柄；换刀时间(刀到刀)1.5s，最大刀具重量7kg，刀库容量24把；快速移动速度X、Y、Z分别为48m/min、48m/min、36m/min；全闭环情况下定位精度≤0.008mm，重复定位精度≤0.004mm(执行GB/T8771.4标准)。
作为系列产品和选用配置，五轴联动控制时配两轴数控转台，工作台面尺寸为Ø500mm，坐标行程X、Y、Z分别为500mm、500mm、415mm(五轴时)；主轴转速12,000r/min、20,000 r/min任选，刀柄可选择HSKA63。
设计过程
机床设计从常用的功能设计进一步发展为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现代先进机床设计技术。为了实现精密机床设计要求，在机床设计中对各方面进行了综合考虑。
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。
在设计开发过程的初期，初步设计了外形尺寸和工作区范围相同而结构不同的四套方案，即：定梁顶置滑枕式、定立柱十字工作台式、横梁滑座式和定立柱三坐标单元式四种结构。通过有限元刚度分析和加工误差分析，得出方案1(即定梁顶置滑枕式)的刚度是最大的，且误差分配也比较合理，所以在实际设计中选择了方案1。
按方案1的结构进行了机床整机和部件的设计，并且根据设计图对机床整机和部件进行了有限元分析和结构参数改进，避免薄弱环节的出现。结论如下：与同类的立式加工中心相比，这台机床在各个方向的刚度都具有较大的优势，综合当量刚度约提高40%至两倍以上，并且三个方向的刚度值较均匀(见表1)。
表1 与类似规格加工中心的刚度计算值比较
机床名称 X向刚度
Kx(N/µm) Y向刚度
Ky(N/µm) Z向刚度
Kz(N/µm) 三向综合当量刚度
K(N/µm)
其它类似加工中心 A 46.6 46.8 53.7 48.7
B 32.3 50.0 95.9 45.2
C 20.4 37.2 59.1 29.7
D 32.3 65.1 118.2 48.7
E 31.2 34.2 39.7 34.5
µ1000 59.7 64.9 92.9 68.7
由计算结果可知，机床整机的整体性能优良，机床静态刚度显着提高，可以满足高速、高精、高效的要求。
这种布局结构的优点是：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；Y向悬伸小，热变形影响小；X、Y、Z轴移动部件轻，加速性好；构件结构稳固易于保证导轨运动精度，精度稳定性好。
为保证机床的精度稳定，床身、立柱、滑座、主轴箱等都采用有限元分析，应用高阻尼性能的优质铸铁制造；合理的截面设计和筋格布置，尽量避免行程中出现不合理的悬臂状态；导轨采用高刚性滚柱导轨，安装基面精密刮研。
µ1000系列机床打破通常机床结构形式，床身采用三点支撑，高刚性设计，使机床调整简单，不依赖于地基，机床可不需特殊地基而直接安装在水泥地坪上。床身用基于无弯矩的力流原理的特殊筋板设计，保证其上构件在运动过程中，负载重心和切削点始终不离开三点支撑的范围<
