立式铣床设计文献.doc

1、吉 林 化 工 学 院文 献 综 述立 式 数 控 铣 床 传 动 系 统 设 计Vertical CNC milling machine transmission design性 质 : 毕 业 设 计 毕 业 论 文教 学 院 ：机 电 工 程 学 院系 别 ： 机 械 电 子 系学 生 学 号 ： 11410227学 生 姓 名 ： 孟 凡 华专 业 班 级 ： 机 自 1102指 导 教 师 ： 田 爱 华 /申 东 辉职 称 ： 教 授 /助 教起 止 日 期 ： 2015.3.2 2015.3.28吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Tec

2、hnology吉 林 化 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 文 献 综 述- 1 -SK125 立 式 数 控 铣 床 传 动 系 统 关 键 部 件 设 计 及 发 展 趋 势摘 要 ： 本 文 主 要 介 绍 了 立 式 数 控 铣 床 常 用 铣 刀 及 其 特 点 和 用 途 ， 为 大 家 在 实 际 生 产中 选 用 合 适 的 铣 刀 加 工 零 件 提 供 参 考 。 应 用 锤 击 法 对 立 式 数 控 铣 床 进 行 了 试 验 模 态 分析 , 研 究 了 该 立 式 数 控 铣 床 的 动 态 特 性 , 获 得 该 立 式 数 控 铣 床 低 频 段 的 固 有

3、频 率 、 阻 尼 比 和 振 型 。 通 过 对 整 机 各 阶 模 态 振 型 的 分 析 , 找 到 了 立 式 数 控 铣 床 结 构的 薄 弱 环 节 , 并 为 进 行 结 构 优 化 设 计 提 出 了 改 进 措 施 。关 键 词 ： 立 式 数 控 铣 床 面 铣 刀 立 铣 刀 ； 动 态 特 性 ； 模 态 分 析 ； 锤 击 ； 激 振1 立 式 数 控 铣 床 的 常 见 形 式 和 工 作 方 式 立 式 数 控 铣 床 有 小 型 和中 型 之 分小 型 数 控 铣 床 一 般 为 立 式 升 降 台 结 构 ， 即 机 床 的 主 运 动 和 进 给 运 动 都

4、 是 由 工 作 台完 成 的 ； 而 中 型 立 式 铣 床 的 主 运 动 Z 方 向 由 主 轴 箱 完 成 ， 进 给 运 动 X 和 Y 方 向 运 动 由 工作 台 完 成 。 由 于 立 式 数 控 铣 床 一 般 都 是 三 坐 标 机 床 ， 根 据 可 控 制 联 动 的 坐 标 轴 数 分 类 ，立 式 数 控 铣 床 有 三 坐 标 联 动 数 控 铣 床 和 两 轴 半 坐 标 联 动 数 控 铣 床 。 立 式 数 控 铣 床 常 加工 的 零 件 有 平 面 轮 廓 类 零 件 、 空 间 曲 面 轮 廓 类 零 件 和 模 具 类 零 件 等 ， 可 用 于 零

5、 件 的 平面 铣 削 、 平 面 型 腔 铣 削 、 外 形 轮 廓 铣 削 、 三 维 及 三 维 以 上 复 杂 型 面 铣 削 等 1。2 立 式 铣 床 大 平 面 加 工 常 用 刀 具 硬 质 合 金 可 转 位 面 铣 刀面 铣 刀 的 定 义 立 式 数 控 铣 床 加 工 大 平 面 类 零 件 时 ， 一 般 选 用 面 铣 刀 ， 也 称 端 铣 刀 。面 铣 刀 有 一 个 大 直 径 的 刀 盘 ， 切 削 面 积 大 ， 切 削 效 率 高 。 面 铣 的 主 切 削 刃 分 布 在 铣 刀周 围 的 圆 柱 面 和 圆 锥 面 上 ， 副 切 削 刃 分 布 在

6、 铣 刀 的 端 面 上 。硬 质 合 金 面 铣 刀 的 分 类 及 应 用 立 式 数 控 铣 床 最 常 用 的 面 铣 刀 是 硬 质 合 金 可 转 位 面铣 刀 ， 根 据 刀 片 主 偏 角 的 不 同 分 为 45面 铣 刀 、 75面 铣 刀 和 90面 铣 刀 等 。 45面铣 刀 由 于 振 动 小 ， 被 经 常 使 用 ， 可 加 工 平 面 和 斜 面 、 倒 角 面 等 。 用 该 类 刀 具 加 工 平 面时 ， 刀 片 破 损 率 低 ， 耐 用 度 高 。 75面 铣 刀 的 抗 震 性 较 90面 铣 刀 有 较 大 改 善 ， 切 削平 稳 、 轻 快

7、， 在 面 加 工 中 应 优 先 选 用 。 该 类 面 铣 刀 为 通 用 型 刀 具 ， 适 用 范 围 较 广 ， 可用 于 粗 加 工 。 90面 铣 刀 既 可 加 工 台 阶 面 ， 又 可 加 工 平 面 ， 但 加 工 时 振 动 大 ， 要 求 机床 具 有 较 大 功 率 和 足 够 的 刚 性 ， 一 般 用 于 薄 壁 件 加 工 。吉 林 化 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 文 献 综 述- 2 -面 铣 刀 直 径 和 齿 数 选 择 方 法 面 铣 刀 直 径 选 择 时 ， 主 要 需 考 虑 刀 具 所 需 功 率 应 在 机 床功 率 范 围 之 内

8、， 也 可 将 机 床 主 轴 直 径 作 为 选 取 的 依 据 。 面 铣 刀 直 径 可 按 公 式 D 1 .5 d 选 取 。 在 批 量 生 产 时 ， 也 可 按 工 件 切 削 宽 度 的 1.6 倍 选 择 刀 具 直 径 。 面 铣 刀 有 粗 齿 、 中齿 和 细 齿 之 分 。 粗 齿 齿 数 少 ， 容 屑 空 间 大 ， 刀 齿 强 度 大 ， 适 合 用 于 粗 加 工 ； 中 齿 铣 刀切 平 稳 ， 应 用 广 泛 ； 细 齿 铣 刀 齿 数 多 ， 容 屑 空 间 小 ， 刀 齿 的 强 度 小 ， 适 合 用 于 精 加 工 2-6。3 立 式 数 控 铣

9、 床 轮 廓 加 工 常 用 刀 具 立 铣 刀3.1 立 铣 刀 的 定 义立 铣 刀 是 数 控 铣 床 上 利 用 率 最 高 的 刀 具 ， 可 以 加 工 平 面 、 零 件 轮 廓 和 一 些 开 口 通槽 和 成 形 面 等 。 立 铣 刀 的 形 状 是 圆 柱 形 的 ， 一 般 有 三 刃 以 上 ， 主 切 削 刃 分 布 在 铣 刀 的圆 柱 面 上 端 面 上 是 副 切 削 刃 ， 铣 刀 端 面 的 形 状 有 中 心 孔 式 或 是 开 口 式 。 2.立 铣 刀 的 螺 旋角 及 其 用 立 铣 刀 有 左 螺 旋 和 右 螺 旋 之 分 ， 铣 削 刃 也

10、有 左 刃 和 右 刃 之 分 ， 最 常 见 的 是 右刃 右 螺 旋 。 立 铣 刀 圆 柱 表 面 上 的 刃 可 以 是 直 刃 ， 也 可 以 是 螺 旋 刃 。 但 直 刃 是 断 续 切 削 ，振 动 大 ， 表 面 质 量 不 好 ； 而 螺 旋 刃 是 连 续 切 削 各 刀 齿 沿 切 削 刃 逐 渐 切 入 和 切 出 ， 振 动很 小 ， 从 而 提 高 了 切 削 过 程 的 平 稳 性 和 工 件 的 加 工 表 面 质 量 ， 带 有 螺 旋 刃 的 立 铣 刀 最常 见 。 螺 旋 角 般 有 30和 45两 种 。 对 于 一 些 加 工 要 求 较 低 的

11、工 件 ， 一 般 用 30螺 旋角 ， 用 大 进 给 量 小 转 速 。 而 如 果 零 件 要 求 质 量 较 高 ， 就 要 选 用 45螺 旋 角 ， 用 小 进 给量 、 大 转 速 ， 提 高 零 件 的 表 面 质 量 。 3.立 铣 刀 的 齿 数 选 择 立 铣 刀 的 容 屑 槽 随 着 刃 数 的增 多 而 减 小 ， 而 刚 性 则 相 反 ， 刃 数 越 多 的 立 铣 刀 刚 性 越 好 ， 而 刚 性 影 响 着 铣 削 时 刀 具的 平 稳 性 。 所 以 ， 一 般 将 刀 齿 个 数 为 3 6 个 的 立 铣 刀 用 于 粗 加 工 ， 而 将 刀 齿

12、个 数 为5 10 个 的 立 铣 刀 用 于 精 加 工 7-9。3.2 立 铣 刀 的 进 给立 铣 刀 在 应 用 时 ， 有 一 个 禁 忌 ， 即 一 般 不 能 沿 铣 刀 的 轴 向 做 进 给 运 动 ， 而 推 荐 沿铣 刀 的 径 向 做 进 给 运 动 。 但 是 如 果 改 变 加 工 方 式 ， 也 可 以 沿 Z 方 向 切 深 进 刀 。 常 见 的进 刀 方 如 下 。（ 1） 利 用 钻 头 和 工 艺 孔 进 刀 。 先 选 用 直 径 较 小 的 钻 头 加 工 出 工 艺 孔 ， 再 用 立 铣刀 进 行 Z 向 垂 直 切 深 进 给 。（ 2） 利

13、用 螺 旋 进 刀 方 法 。 数 控 铣 床 可 以 实 现 三 轴 联 动 螺 旋 线 进 刀 ， 使 得 Z 向 进 刀和 内 轮 廓 加 工 自 然 平 滑 过 渡 ， 一 般 不 会 产 生 加 工 刀 痕 ， 因 此 ， 这 种 方 式 得 到 广 泛 应 用 。吉 林 化 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 文 献 综 述- 3 -（ 3） 斜 线 进 刀 方 法 。 采 用 三 轴 联 动 的 斜 线 方 式 进 刀 ， 利 用 立 铣 刀 的 端 面 刃 切 削 ，从 而 避 免 了 刀 具 的 中 心 部 分 参 与 切 削 。 但 不 足 之 处 是 ， 这 种 进 刀

14、方 式 无 法 实 现 Z 向 进 刀和 内 轮 廓 加 工 的 平 滑 过 渡 ， 容 易 产 生 加 工 痕 迹 10-14。国 外 数 控 铣 床 现 状 与 发 展 趋 势国 外 数 控 铣 床 的 生 产 厂 家 主 要 集 中 在 德 国 、 美 国 和 日 本 。 从 机 械 结 构 上 看 ， 其 发展 经 历 了 十 字 架 型 （ 轻 型 ） 、 门 型 （ 小 型 ） 、 龙 门 型 （ 大 型 ） 3 个 阶 段 ， 相 应 的 型 号 种类 繁 多 。 能 够 代 表 数 控 铣 床 技 术 最 高 水 平 的 厂 家 主 要 集 中 在 德 国 ， 目 前 ， 国

15、外 已 有 厂家 在 龙 门 式 切 割 机 上 安 装 一 个 专 用 切 割 机 械 手 ， 开 发 出 五 轴 控 制 系 统 的 龙 门 式 专 用 切割 工 具 ， 该 系 统 可 以 在 空 间 切 割 出 各 种 轨 迹 ， 利 用 特 殊 的 跟 踪 探 头 ， 在 切 割 过 程 中 控制 切 割 运 行 轨 迹 。我 国 工 厂 的 板 材 下 料 中 应 用 最 为 普 遍 的 是 数 控 铣 床 和 等 离 子 切 割 ， 所 用 的 设 备 包括 手 工 下 料 、 仿 形 机 下 料 、 半 自 动 切 割 机 下 料 及 数 控 切 割 机 下 料 等 。 与 其

16、 他 切 割 方 式比 较 而 言 ， 手 工 下 料 随 意 性 大 、 灵 活 方 便 ， 并 且 不 需 要 专 用 配 套 下 料 设 备 。 但 手 工 切割 下 料 的 缺 点 也 是 显 而 易 见 的 ， 其 割 缝 质 量 差 、 尺 寸 误 差 大 、 材 料 浪 费 大 、 后 道 加 工工 序 的 工 作 量 大 ， 同 时 劳 动 条 件 恶 劣 。 用 仿 形 机 下 料 ， 虽 可 大 大 提 高 下 料 工 件 的 质 量 ，但 必 须 预 先 加 工 与 工 件 相 适 应 的 靠 模 ， 不 适 于 单 件 、 小 批 量 和 大 工 件 下 料 。 半 自

17、 动 切割 机 虽 然 降 低 了 工 人 劳 动 强 度 ， 但 其 功 能 简 单 ， 只 适 合 一 种 形 状 的 切 割 。 上 述 3 种 切 割方 式 ， 相 对 于 数 控 切 割 来 说 由 于 设 备 成 本 较 低 、 操 作 简 单 ， 所 以 在 我 国 的 中 小 企 业 甚至 在 一 些 大 型 企 业 中 仍 在 广 泛 使 用 。随 着 国 内 经 济 形 势 的 蓬 勃 发 展 以 及 以 焊 代 铸 趋 势 的 加 速 ， 数 控 铣 床 的 优 势 正 在 逐渐 为 人 们 所 认 识 。 数 控 铣 床 不 仅 使 板 材 利 用 率 大 幅 度 提

18、高 ， 产 品 质 量 得 到 改 进 ， 而 且改 善 了 工 人 的 劳 动 环 境 ， 劳 动 效 率 进 一 步 提 高 。 目 前 ， 我 国 金 属 加 工 行 业 使 用 的 数 控铣 床 是 以 火 焰 和 普 通 等 离 子 切 割 机 为 主 ， 但 纯 火 焰 切 割 ， 已 不 能 适 应 现 代 生 产 的 需 要 ，该 类 切 割 机 可 满 足 不 同 材 料 、 不 同 厚 度 的 金 属 板 材 的 下 料 以 及 金 属 零 件 的 加 工 的 需 要 ，因 此 需 求 量 将 会 越 来 越 大 ， 但 与 国 外 的 差 距 仍 极 为 明 显 ， 主

19、要 表 现 为 ： 发 达 国 家 金 属加 工 行 业 90%为 数 控 切 割 机 下 料 ， 仅 10%为 手 工 下 料 ； 而 我 国 数 控 切 割 机 下 料 仅 占 下 料总 量 的 10%， 其 中 数 控 铣 床 下 料 所 占 比 例 更 小 。我 国 数 控 铣 床 每 年 市 场 需 求 量 约 在 400500 台 之 间 。 相 较 而 言 ， 仿 形 切 割 机 每 年销 售 几 千 台 ， 半 自 动 切 割 机 每 年 销 售 达 上 万 台 。 由 此 可 见 ， 我 国 数 控 切 割 市 场 ， 尤 其是 数 控 铣 床 市 场 的 发 展 潜 力 是

20、 巨 大 的 15-16。3.3 数 控 技 术 的 现 状 与 发 展吉 林 化 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 文 献 综 述- 4 -计 算 机 技 术 的 飞 速 发 展 推 动 了 数 控 技 术 的 更 新 换 代 ， 而 这 也 日 益 完 善 了 数 控 铣 床 的高 精 、 高 速 、 高 效 功 能 。 代 表 世 界 先 进 水 平 的 欧 洲 、 美 国 、 日 本 的 数 控 系 统 生 产 商 利 用工 控 机 丰 富 的 软 硬 件 资 源 开 发 的 新 一 代 数 控 系 统 具 有 开 放 式 体 系 结 构 ， 即 数 控 系 统 的 开发 可 以 在

21、 统 一 的 运 行 平 台 上 ， 面 向 最 终 用 户 ， 通 过 改 变 、 增 加 或 剪 裁 结 构 对 象 （ 数 控 功能 ） ， 形 成 系 列 化 ， 并 可 方 便 地 将 用 户 的 特 殊 应 用 和 技 术 诀 窍 集 成 到 控 制 系 统 中 ， 快速 实 现 不 同 品 种 、 不 同 档 次 产 品 的 开 发 。开 放 式 体 系 结 构 使 数 控 系 统 有 更 好 的 通 用 性 、 柔 性 、 适 应 性 、 扩 展 性 ， 并 向 智 能化 、 网 络 化 方 向 发 展 。近 几 年 来 ， 由 于 对 切 割 质 量 、 劳 动 环 境 等

22、的 要 求 越 来 越 高 ， 其 相 应 产 品 在 我 国 的市 场 需 求 量 也 逐 年 上 升 。 在 我 国 的 数 控 铣 床 设 备 生 产 行 业 中 ， 由 于 缺 乏 切 割 理 论 研 究与 生 产 实 践 相 转 换 的 机 制 ， 因 此 新 技 术 运 用 不 广 、 新 产 品 开 发 速 度 不 快 ， 制 约 了 数 控铣 床 技 术 的 进 一 步 发 展 和 运 用 17。4 主 轴 箱 部 分包 括 主 轴 箱 体 和 主 轴 传 动 系 统 ， 用 于 装 夹 刀 具 并 带 动 刀 具 旋 转 ， 主 轴 转 速 范 围 和输 出 扭 矩 对 加

23、工 有 直 接 的 影 响 。 我 的 设 计 课 题 是 针 对 SK125 立 式 数 控 铣 床 传 动 系 统关 键 部 件 设 计S 铣 床 类 别 代 号 （ 螺 纹 加 工 铣 床 ）K 机 床 特 性 代 号 （ 数 控 ）125 代 表 主 要 参 数主 轴 传 动 系 统 及 箱 体 部 分1. 范围： 各种不同的机床对调速范围的要求不同，多用途，通用性比较大的机床，要求主轴的调速范围大，不但有低速大转距的功能，而且还要有比较高的速度。2. 热变形：电动机、主轴及传动件都有热源。降低温升，减少热变形是对主传动系统要求的重要指标。3. 旋转精度和运动精度（1）主轴的旋转精度:

24、是指装配后，在无载荷，低速转动条件下，测量主轴前端和 300mm 处的径向和轴向跳动值。（2）主轴在以工作速度旋转时，测量上述两项精度称为运动精度。4. 主轴的静刚度和抗振性由于数控机床的加工精度比较高，主轴的转速又很高。因此，主轴组件的质量吉 林 化 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 文 献 综 述- 5 -分布是否均匀以及主轴组件的阻尼等，对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。5. 主轴组件的耐磨性 主 轴 组 件 必 须 有 足 够 的 耐 磨 性 ， 使 之 能 够 长 期 保 持 要 求 的 准 确 精 度 。 凡 是 有 机 械摩 擦 的 部 位 ， 轴 承 ， 锥 孔 等 都

25、 要 有 足 够 的 硬 度 ， 轴 承 还 应 具 有 良 好 的 润 滑 18-19。5 总 结 部 分数 控 铣 床 任 然 是 数 控 加 工 行 业 的 中 流 砥 柱 ， 对 未 来 发 展 方 向 ， 有 以 下 看 法中 国 数 控 铣 床 虽 说 价 格 便 宜 ， 但 在 性 能 方 面 还 存 在 不 足 之 处 。 未 来 数 控 铣 床 技 术将 朝 数 字 化 、 高 速 高 精 化 、 复 合 化 、 智 能 化 等 方 向 发 展 1、 高 速 高 精 与 多 轴 加 工 成 为 数 控 铣 床 的 主 流 ， 纳 米 控 制 成 为 高 速 高 精 加 工 的

26、 潮 流 。2、 多 任 务 和 多 轴 加 工 数 控 铣 床 越 来 越 多 地 应 用 到 能 源 、 航 空 航 天 等 行 业 。3、 机 床 与 机 器 人 的 集 成 应 用 日 趋 普 及 ， 且 结 构 形 式 多 样 化 ， 应 用 范 围 扩 大 化 ，运 动 速 度 高 速 化 ， 多 传 感 器 融 合 技 术 实 用 化 ， 控 制 功 能 智 能 化 ， 多 机 器 人 协 同 普 及 化 。4、 智 能 化 加 工 与 监 测 功 能 不 断 扩 充 ， 车 间 的 加 工 监 测 与 管 理 可 实 时 获 取 机 床 本身 的 状 态 信 息 ， 分 析 相

27、 关 数 据 ， 预 测 机 床 的 状 态 ， 提 前 进 行 相 关 的 维 护 ， 避 免 事 故 的发 生 ， 减 少 机 床 的 故 障 率 ， 提 高 机 床 的 利 用 率 。5、 最 新 的 机 床 误 差 检 测 与 补 偿 技 术 能 够 在 较 短 的 时 间 内 完 成 对 机 床 的 补 偿 测 量 ，与 传 统 的 激 光 干 涉 仪 相 比 ， 对 机 床 误 差 的 补 偿 精 度 能 够 提 高 3 4 倍 ， 同 时 效 率 得 到 大幅 度 提 升 6、 CAD/CAM 技 术 为 多 轴 多 任 务 数 控 铣 床 的 加 工 提 供 强 有 力 的 支

28、 持 ， 可 以 大 幅 度 提高 加 工 效 率 。7、 刀 具 技 术 发 展 迅 速 ， 众 多 刀 具 的 设 计 涵 盖 了 整 个 加 工 过 程 ， 并 且 新 型 刀 具 能够 满 足 平 稳 加 工 以 及 抗 振 性 能 的 要 求 20。参 考 文 献1吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册第二版M.北京:高等教育出版社,1999.2廖念钊,莫雨松,李硕根,杨兴骏.互换性与技术测量第四版M.北京:中国计量出版社,2000.吉 林 化 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 文 献 综 述- 6 -3陈锦昌,刘就女,刘林.计算机工程制图M.广州:华南理工大学出版社,1999.4冯

29、辛安,黄玉美,杜君文.机械制造装备设计M.北京:机械工业出版社,2004.5熊光华.数控机床M. 北京:机械工业出版社,2001.6李峻勤,费仁元.数控机床及其使用与维修M.北京:国防工业出版社,2000.7张柱银,陈思义,明兴祖.数控原理与数控机床M.北京:化学工业出版社,2003.8林东.数控技术M.北京:北京理工大学出版社,1995.9王爱玲,白思远.现代数控机床M.北京:国防工业出版社,2001.10何存兴,张铁华.液压传动与气压传动第二版M.湖北:华中科技大学出版社,2000.11毛谦德,李振清.袖珍机械机械设计师手册第二版M.北京:机械工业出版社,2001.12朱龙根.简明机械零件

30、设计手册M.北京:机械工业出版社,2000.13王可.实用机床设计手册M.辽宁: 辽宁科学技术出版社,1999.14 Zeah M, Siedl D. A new method for simulation of machining performance by integrating finite element and multi-body simulation for machine tools. Annalsof the CIRP 2007;56(1):383.15 Pritschow G, Croon N. Wege zur virtuellen Werkzeugmaschine,

31、WT Werkstattstechnik online 92 H.5. Springer-VDIVerlag;2002. p.194.16 Lorenzer Th, Weikert S, Bossoni S, Wegener K. Modeling and evaluation tool for supporting decisions on the design of reconfigurable machine tools. Journal of Manufacturing Systems 2007;26(34):167.17周开勤 机械零件手册M北京：高等教育出版社，199418卢小平，

32、数控机床加工与编程M.成都：电子科技大学出版社，199719李佳，数控机床及应用M.北京：清华大学出版社，200220全国数按培训网络天津分中心，数控机床M.北京：机械工业出版社，1997SK125 Vertical CNC milling machine Transmission Design and Development TrendAbstract:This paper describes the vertical CNC milling cutters and their common characteristics and uses, provide a reference for

33、all the appropriate choice of milling parts in the actual production. Application of Vertical CNC milling machine hammering experimental 吉 林 化 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 文 献 综 述- 7 -modal analysis conducted to study the dynamic characteristics of the vertical CNC milling machine, CNC vertical milling machine

34、 to obtain the low frequency natural frequency, damping ratios and mode shapes. Through the whole of each modal modal analysis, found a weakness in the structure of vertical CNC milling machine and structural optimization design for proposed improvements.Keyword : Vertical CNC milling machine; Face milling cutter; Dynamic characteristic; Modal Analysis; Exciting hammering