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高速鉆攻中心結構設計

引言
 鉆攻中心是一種對手機產品印刷電路板、機殼、面板、玻璃等零件鉆攻、攻牙工序最理想的金屬切削加工設備，可以實現鏜削、銑削，由于主電機功率有限，不能進行黑色金屬的重切削，但是其鉆攻效率和質量比普通加工中心優越很多。鉆攻中心就是為了滿足客戶尋找對手機產品更快、更高精度以及更環保的加工設備的要求孕育而生的。
1    鉆攻中心的顯著優勢特征
鉆攻中心（如圖 1 所示）產品從外觀到內在功能、性能都有了很大提升，主軸轉速達到 12000r/min ，快速移動速度 60m/min ，坐標的直線度、垂直度可以控制在0 . 005mm 以內，完全優于國家同類精度標準。其顯著優勢特征如下：
（1）體積規模小。鉆攻中心樣式和功能同加工中心基本相似，但是外形尺寸要比加工中心普遍較小，機床最大行程 X 軸一般不超過 700mm ，Y 軸不超過 400mm。非常適合加工如手機產業、電子產業、醫療器械等小型零件。
（2）運行速度快。機床移動速度至少在 48m/min，通常為 60m/min；主軸轉速至少在 10000rpm 以上，通常為12000rpm ；特別是在攻螺紋的速度上，鉆攻中心可達到3000rpm 以上，最高可達到 6000rpm ，比普通立式加工中心快很多；刀具換刀速度通常在 1.2 秒以內，最快的可達到0 .6 秒，比立式加工中心節約一半的換刀時間。
（3）高效環保。鉆攻中心在加工效率上比立式加工中心要高 2 倍，外形尺寸占地空間較立式加工中心減少21%，能耗消耗較立式加工中心減少 70%。
2    鉆攻中心的設計關鍵技術
2 .1 高速
高速是實現高效率切削加工的前提和關鍵[ 1] 。機床由于結構設計的原因，一般直線運動行程較短，因此高速鉆攻中心必須實現較高的進給加減速才能達到其真正的高速鉆攻意義[ 2-3] 。為了適應進給運動高速化的要求，高速鉆攻中心主要采用能實現高速度的線性導軌和換刀快的飛碟式刀庫結構，這是高速鉆攻中心機床的關鍵所在。
（1）機床導軌選用新型直線滾動導軌[ 4] 。國內目前大部分數控機床行業的機床導軌多采用硬軌，運行速度較低，一般在 15m/min 以下。研究表明：硬軌勝在剛性上，線軌勝在速度上，是數控機床發展的主要方向之一。高速鉆攻加工中心就是采用新型的直線滾動導軌，滾動體安裝在直線滾動導軌的工作面之間，滾動導軌中球軸承與與導軌之間實現點或者線接觸，接觸面積很小，所以摩擦系數小，其摩擦系數僅為槽式導軌的 1/20 左右，其運行速度達到 60m/min ，且“ 爬行”現象可大大減少，潤滑也方便。長時間使用后，磨損小，精度損失較小，穩定性好。在導軌磨損后，硬軌的話就要調間隙修正，具體操作很麻煩，而線軌經過預緊處理可達到軌道間零間隙以及可實現各方向上的滿承載能力，遠比硬軌方便更換。
（2）高速進給伺服系統。高速進給伺服系統已逐漸的發展成為智能化、數字化和軟件化，本鉆攻加工中心采用交流伺服電機和全數字控制技術作為核心，高速進給機構則采用高質量、大尺寸、小螺距滾珠絲杠，其目的在于在獲得較高的進給速度和進給加減速度的同時又不降低加工精度。
（3）換刀機構采用最新的飛碟式結構。換刀機構采用最新的飛碟式結構并采用交流伺服電機驅動，取代通常的交流異步電機，可在 1 .4 秒內完成刀對刀的換刀過程；
特別在換取對向刀時，伺服控制刀庫可在 0 .8 秒內完成刀盤轉動到位，相比凸輪機構的夾臂式刀庫 6 秒換刀速度有提高了數倍，飛碟式換刀結構換刀可靠性提高到99 . 9% 。刀庫本體及刀盤采用鋁合金輕量化的設計，可以減輕主軸馬達負載完成高速換刀動作的要求。刀庫傳動分度采用快速準確的筒型凸輪作傳動分度結構，搭載高功率變頻馬達配合變頻器使用，可以擁有更穩定及更佳的刀盤選刀速度，更進一步可以配合控制器來設定刀庫重刀時的轉速以及一般換刀轉速。
2.2   2 精度
精度是機床的重要指標，鉆攻中心機床關鍵部件皆采用高剛性設計，以保證加工精度。
（1）鉆攻中心立柱采用大人字型立柱與超寬底座配合的設計。鉆攻中心采用了大人字型立柱與超寬底座配合的設計（如圖 2 所示），相比傳統鉆攻中心為追求速度而將機床設計地過于輕巧等方面有了很大的改變，比傳統直立型立柱的剛性提升超過 30% ?？蚣苁搅⒅Y構固定在床身一側，立柱兩側的外側面中下部向外傾斜形成人字形，底座設計比常規設計各寬厚 30% ，從而使框架式立柱跨距大，與床身接觸面積寬，與床身結合穩定牢固，機床整體剛性能夠滿足大扭矩銑削加工的要求。
（2）鉆攻中心立柱導軌的設計。鉆攻中心的立柱導軌根據立式加工中心進行設計，其中配置了增強型滾柱直線導軌，加長了 1/3 的滑動塊，在滿足快移速度 45m/min 的同時，可以提升加工精度和正極剛性；內部采用全封閉式加強筋設計，具備合理的結構強度及加強肋的搭配，最大程度保證機床各結構件的抗彎和抗扭強度，提升機械的高剛性。
（3）精密高速獨立主軸的設計。對于鉆攻中心來說提高生產效率是最重要的，高速主軸無疑是最重要的關鍵部件之一。鉆攻中心采用隔絕熱源的主軸直結設計，降低熱變位的同時，還提高了主軸的精度與壽命[ 5] 。主軸電機通過特殊的聯軸器與主軸直接聯接，效率高且無皮帶傳動的動力損耗，同時不會出現皮帶和齒輪傳動所帶來的噪音、震動等問題。
采用精密高速獨立主軸長時間運轉，主軸溫升小，保證了加工的精度穩定，強力切削和微量進給切削都有優異的表現，這都與其主軸軸承的設計密不可分。鉆攻中心主軸軸承是專門為其獨立主軸設計的特殊角接觸球軸承，其主要特點是軸承精度高、轉速高、振動低、溫升低，能提供良好的軸系剛性，滿足機床精密加工的需要。
由于單列角接觸球軸承只能承受一個方向的軸向載荷，在承受徑向載荷時，會引起附加軸向力，必須施加相應的反向載荷，因此，鉆攻中心主軸軸承采用軸承的外圈貼合，內圈有間隙，使兩軸承的寬端面相對成對配置的背靠背安裝方式（如圖 3 所示）。背靠背安裝使得軸承的接觸角線沿回轉軸線方向擴散，可增加其軸向和徑向的支承角度剛性，承受傾覆力矩的性能好，軸承可以承受雙向軸向載荷，抗變形能力最大。
2.3   油水分離結構的綠色環保設計
在機床設計過程中開展綠色設計，把環境影響、制造問題、資源優化統一起來考慮，有針對性地解決對可持續發展有不利影響的傳統工藝。綠色環保設計如低溫冷卻切削、氣體冷卻切削等設計方式，可以很好地代替、改善容易造成環境污染的乳化冷卻等切削，并在降低成本，提高零件加工質量等方面取得良好效果。鉆攻中心在鑄件機體上設計有專用獨立回收油路，并收集匯總，避免與冷卻液的混合，從而實現真正的綠色環保。
2.4   安全因素的考慮
加工區域采用全密閉式防護裝置，防止高溫切屑及切削液濺出。不僅可使操作人員安全可靠的操作機床，同時還能保護車間環境。三軸導軌防護均采用高速防護罩，保證經久耐用。其中獨特的 Z 軸伸縮式防護板設計，可以有效防護 Z 軸傳動系統，使 Z 軸在快速位移下平穩順暢；X/Y 軸采用全復式，防止鐵屑等外部雜物進入傳動系統，并采用上口安裝式，方便拆卸。
2.5   5 工藝流程設計
鉆攻中心加工和裝配方面嚴格按照工藝規程操作，關鍵零部件的加工由高精度的加工中心和導軌磨床來保證，機床裝配在高清潔度安裝車間進行，所有安裝環節均要保證安裝部件的潔凈，嚴格按照裝配工藝進行安裝，整機安裝完畢并進行 72 小時的拷機試驗保證機床的可靠性。
機床安裝完成后要進行一系列的試驗保證機床的精度：整機安裝完畢后先使用用激光干涉儀對 X 、Y 、Z 軸的定位、重復定位精度進行檢驗，保證機床的聯動精度，然后用三坐標測量儀檢測機床切削試件，保證整機的精度；實驗后對數控系統等機電部分做一次優化整理，保證機床的各項性能均達標。
3   結束語
高速加工的研究目標是既實現高速加工，又能保證加工精度。今后金屬切削加工設備將向專業化、專用性發展；進一步提高主軸轉速、行程速度和高精度動態性能仍是高速鉆攻中心的發展關鍵技術。在驅動技術和數控技術的進一步發展及機床構件輕量化和并聯機床的開發推動下鉆攻中心必將有更大的發展。

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標簽：鉆攻中心

分類：鉆攻中心

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