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1、摘要调查研究了雕铣机的发展和电主轴对数控机床的发展意义。介绍RGDX-4040S数控雕铣机床的设计过程，包括机床总体方案设计、主传动系统设计和Z向进给传动系统的机械结构设计。在主传动系统设计中，主要分析了3KW主轴安装座的机械机构和电主轴的冷却和润滑的方式。Z向进给传动系统中主要分析了丝杠、导轨的安装，以及相关固定和支承。计算主要有两个方面：对滚珠丝杠和Z轴伺服电机的选择计算和校核。最后，通过模拟编程软件Mastercam,对相关零件进行加工。关键词: 数控雕铣机床，电主轴，滚珠丝杠，直线滚动导轨，Z轴ABSTRACTThe development of the CNC engraving a
2、nd milling and the meaning of the electric spindle to the NC machine was investigated. The process of design for 4040S CNC engraving and milling machine was introduced, including the design project of the machine, the design of main driving system and the mechanical structures of the feeding mechani
3、sm of Z axis. In the section of main driving system, the 3KW fastening seat of the electril spindle and the coling and lubrication of the electric spindle was analysised. In the section of the feeding mechansim of Z axis , the assembly of the straight guide-way and the bearing of the ball screw and
4、so forth was presented.The calculation mainly includes two aspects: choosing and verifying the ball screw and the servo-motor of Z axis. At last, via the simulation programming software Mastercam, the related part was generated.Keywords: CNC engraving and milling machine tools, Electric spindle, Bal
5、l screw, straight guide-way, Z axis目录1 绪论111 数控雕铣机的概述112 数控雕铣机和数控铣床的区别113 数控雕铣机和数控雕刻机的区别214 数控雕铣机的发展与现状2 1.4.1 典型数控雕铣机的介绍32 RGDX-4040S数控模具雕铣机的简介521 RGDX-4040S数控模具雕铣机的工艺范围522 RGDX-4040S数控模具雕铣机的特点523 RGDX-4040S数控模具雕铣机的主要技术参数63 RGDX-4040S数控模具雕铣机布局设计方案731 机床总体布局设计732 设计方案分析84 电主轴单元简介941 电主轴概述942 电主轴的基本结
6、构125 电主轴系统设计计算1351 主轴系统的重力计算1752 主轴切削力计算1753 电主轴的冷却与润滑2254 3kW电主轴的安装226 电主轴系统Z向传动进给设计计算226.1 Z向主传动系统的方案设计166.2 Z向进给系统方案设计16621 滚珠丝杠副的选择16622 滚珠丝杠副的选择计算16623 Z向进给伺服电机功率的计算及选择24624 滚珠丝杠的支承结构29625 支撑轴承的选择29626 滚珠丝杠的制动装置30627 Z向伺服电机与进给丝杠的联结结构30628 Z向导轨307 典型零件数控加工程序327.1 MasterCAM简介327.2 数控加工程序328 结论38参
7、考文献39致谢401 绪论1.1 数控雕铣机的概述近年来，在模具加工行业中，人们一直在探索用一种比较完美的加工方式来替代电火花成型加工，以避免工件表面质量因电加工后产生型面微观裂纹。 深型腔加工优势 深槽窄缝加工传统的电火花成型加工 微细复杂型腔加工 花纹加工 缺点 图案型腔加工 大型面良好的表面粗糙度加工工艺较多、时间较长高速铣削方式在这些模具加工中具有很大的优势，同时，伴随着加工高硬度材料刀具技术的发展，高速数控铣床在模具加工中的应用越来越广泛，但随着模具加工业对加工表面质量要求的提高，所需刀具半径越来越小，于是高速铣削加工出现了另一种分支工具高速数控雕铣机。通过高速雕铣机的加工方式来弥补
8、电火花成型加工的缺点。数控模具雕铣机的诞生为模具加工工业解决了这一问题。高速数控模具雕铣机不仅具有高效率强力粗铣半精铣加工能力，同时具有高表面加工质量的精细雕刻功能，使高效率和良好表面质量得以有机统一。1.2 数控雕铣机和数控铣床的比较（1）机型上的区别： 1）数控铣床主要用于完成较大铣削量的产品的加工； 2）雕铣机主要用于较小铣削量或者轻金属的加工；或对软金属的加工。（2）从机床的主轴转速分析：1）数控铣床对数控系统要求速度一般，主轴转速08000RPM左右； 2）雕铣机要求高速的数控系统，主轴转速150030000RPM左右。 （3）从机床采用的数控系统的角度来看 ：1）数控铣床对数控系统
9、的要求：稳定可靠，操作方面，维修方便等，现在市场上的数控系统主要集中在FANUC和西门子及MITISUBISH控制器；2）雕刻机大部分采用企业自主研发或者外购的工业控制器。 综上所述： 雕铣机大部分用于模具行业，也进行一些小切削量的铣削。而数控铣床大部分在机械加工行业中使用，主要用于一些精密零件的加工和小批量多品种的加工。1.3 雕铣机与雕刻机的比较对雕铣机(Router)与雕刻机(Engraver)的区别，很多人都不清楚。人们直观上的感觉是小幅面的是雕刻机，大幅面的是雕铣机，或叫雕凿机、镂铣机，或干脆统称大雕刻机。其实它们是两类不同结构的机器，但工作原理大致相同，都是由X、Y、Z三轴驱动，由
10、电子控制器控制移动。（1）从用途上分：雕刻机主要是用于对板材的雕刻，大量应用于双色板或亚克力雕刻，雕刻一次进刀深度约在1mm3mm左右，在标志、标牌方面应用较为普遍。（2）从机械构造方面：雕刻机的设计轻巧，X、Y轴移动速度快，Z轴行程较短，适合雕刻5mm8mm的材料。雕刻主轴头装有弹簧压鼻，作用是在雕刻过程中压平3mm以下的薄板材。雕刻主轴通过皮带连接到直径较大的马达上，以此使转速增大，这样雕刻出来的工件质量就较为光滑。其使用的雕刻刀具较长，长度约在15.9cm，直径为4.35mm左右。由于设计方面的限制，它适合做切削量很小的高转速的雕刻工艺制作。雕铣机可以理解为既可做精细雕刻，又能做切割、镂
11、铣。例如做三维雕刻，尽管落差很大，但200mm宽材料可一次完成，一次进刀量相当大。雕铣机可供选用的刀具直径规格从1mm16mm，其刀具长度为5080mm。我们可以灵活使用，装细刀干细活，装粗刀干大活。由于机器设计注重重型负载，机架刚性大，Z轴行程大，因此不仅可以做小型雕刻机的工艺，更可高速切割厚的板材，一次进刀量可达20mm30mm，这是雕刻机根本做不到的工艺制造。1.4 国内数控雕铣机的发展和现状随着家具制造业、广告招牌业、模具业的发展，尤其是模具业对表面加工要求的提高，以及传统电火花加工的不足，最近的一两年综合铣削与高速雕刻优点的CNC雕铣机在国内有了较大的发展。国内几家著名的数控机床厂在
12、这个领域里面都有较好的成绩。比如北京精雕、广东佳铁、南京四开、上海洛克等都是国内著名的数控雕铣机厂家。在雕刻CAD/CAM技术、CNC数控技术、精密雕刻机设计技术工艺等领域取得了重大的突破，并真正实现了先进技术向产业化的转化。1.4.1 典型数控雕铣机的介绍北京精雕-睿雕系列Carver600G_U图1-1 Carver600G_U模具雕刻机表1-1 Carver600G_U机械性能参数指标主要性能指标项标准值工作台尺寸700650mmX、Y、Z轴工作行程600500300mm快速移动速度10m/min主轴转速2100-24000rpm最高切削进给速度6m/minX/Y/Z轴运动定位精度0.0
13、08/300mmX/Y/Z轴重复定位精度0.005mm机床外形尺寸204218902144mm特点及应用： Carver600G_U在合理的工艺方法下，最大可以使用16的刀具进行加工。Carver600G_U使用精雕最新的JD45数控系统，各轴快速移动速度达10m/min,进给速度达6m/min；配备手轮，操作方便、控制平稳。Carver600G_U适合中小型注塑模具、紫铜电极、铝合金产品以及非金属材料等产品的加工。上海洛克MEII-4540模具雕刻机图1-2 MEII-4540模具雕刻机表1-2 MEII-4540模具雕刻机技术参数表主要性能指标项标准值工作台尺寸510x500mm最大雕刻尺
14、寸(X、Y、Z)450x400x145mm高雕刻速度4.0 m/min主轴电机2200 W主轴电机最高转速24000 r/min刀柄直径4、6、3.175 mm外型尺寸1310x1330x1700 mm特点及应用： 2003年最新推出的新型模具雕刻机,机身采用双立柱龙门式结构,装夹进料都十分方便.采用德国原装滚珠丝杆,进口矩形直线导轨副,精密细分驱动系统,满足模具加工所需要的刚性和精度要求,2.2kW意大利变频电主轴使此款模具雕刻机拥有更大的切削率。特别适用于注塑模,冷冲模等各种钢模以及滴塑模、烫金模、紫铜电极等铜模的制作加工。通过上述两台同类型数控雕铣机性能的综合比较。目前，国内雕铣机的最大
15、主轴转速一般都在24000r/min、主轴电机功率在2.2kW左右、最高切削速度在46m/min之间。2 RGDX-4040S数控雕铣机的简介数控模具雕铣机是一款集雕刻机和铣床功能于一身的数控机床。它充分集合了两种机床的优势，即能完成铣削任务，又能完成雕刻功能，使被加工工件达到高精度和高质量表面。 图2-1 RGDX-4040S数控雕铣机2.1 RGDX-4040S数控模具雕铣机的工艺范围RGDX-4040S是一款经济实用的高精密数控雕铣设备，该款设备外观大方、结构稳定、易操作、通用性强，主要用于各种钢模、注塑模、紫铜电极、精密滴塑模、烫金模，以及冷冲模等的加工，在合理的工艺条件下，可加工出表
16、面极佳的效果。2.2 RGDX-4040S数控模具雕铣机的特点1 床身整体铸造，刚性好，减震好2 采用高精密级直线导轨3 采用日本三菱（Mitsubishi）公司伺服系统，精度高，性能好4 主轴配置2.2kW恒功率电机，大功率，可满足加工要求5 有一定模具刚的粗加工能力6 定位精度0.01mm7 重复定位精度0.005mm8 使用英国Renishaw公司激光干涉仪进行精度保证9 采用台湾新代控制器，性能稳定，操作方便，支持G代码，常用的CAM软件后处理，都可以运行加工，独有的手轮模拟功能和自动对刀功能使在加工中保证了效率。2.3 RGDX-4040S数控模具雕铣机主要技术参数表2-1 RGDX
17、-4040S数控雕铣机主要技术参数序号项目参数单位1工作台尺寸（X/Y）500*480mm2最大行程（X/Y/Z）400*400*150mm3最大工件尺寸（X/Y/Z）460*600*200mm4最大刀具直径（ER20）13mm5最大进给速度6m/min6主轴电机功率3kW7主轴电机转速范围1500-24000n/min8分辨率0.001mm /p9定位精度0.008mm10重复定位精度0.005mm11外型尺寸1500*1200*1800mm12机器净重1400kg13电源电压AC380V5V14机器总功率5kW15机器轴联动数3轴16龙门宽度650mm17装料高度170mm3 RGDX-4
18、040S数控模具雕铣机总体布局设计方案数控模具雕铣机是一种高效率、多功能的中小型经济型数控加工设备。它集雕刻与铣削功能为一体，既保证了铣削小型工件所需要的低转速、大功率输出、又具备了雕刻所需要高转速的双重要求。3.1机床总体布局设计数控雕铣机主要用于较小铣削量或软金属材料的工件的加工。不但要求加工精度较高，而且要求实现高速切削，其主轴转速高达24000rmin左右。其移动部件不但要刚性好，而且要尽可能轻巧，以保证其灵活性。对数控系统，要求其具有高的速度和极好的伺服电机特性。 对于数控雕铣机，从机械的角度分析，其结构应满足：非移动部件刚性要好，移动部件在保证其具有良好刚性的前提下，尽可能轻巧，灵
19、活性要好。要从机械上满足既轻巧又刚性好的要求，关键在于机械结构的合理设计上1。 理论设计上，RGDX-4040S数控模具雕铣机总体结构布局如图所示。1-Y轴工作台（整体式），2-主轴组建，3-主轴冷却泵及冷却液泵站，4-立柱，5-X-Z轴二维工作台（横梁），6-操作及控制柜图3-1 RGDX-4040S数控雕铣机布局设计图机床主要组成： 二维数控十字工作台5( X-Z向) 立柱4 一维数控工作台1(Y向) 主轴组件2 泵站3 操作及控制柜63.2 设计方案分析本设计中，数控雕铣机选用龙门式结构。龙门式结构具有良好的刚性和对称性，一直是高速切削设备的首选结构。本机床总体布局采用龙门架式铣床结构，
20、并设计了较宽的立柱和横梁。为克服不良力矩的问题，尽量加宽了X、Y、Z三向的两根直线滚动导轨之间的跨距，从整体布置上有效保证了机床的刚性。因孕育铸铁（米汉那铸铁）具有良好的稳定性、吸振性和耐冲击性，可使床身的结构强度和刚性有显著提高，故本机床整体式床身底座采用孕育铸铁铸造而成。它为箱形结构，内部筋板采用米字型筋配合的网状结构，确保了对Y轴工作台和两立柱的刚性支承，使机床动态加工的稳定性可达最好。因机床的刚性主要用于克服移动部分在高速移动时对非移动部分的强大冲击，所以导轨和丝杆在设计时应尽量要求粗一些，以加强刚性。由于采取了这些措施，所设计的数控雕铣机的最大优点是能进行比较细小的加工，加工精度比较
21、高，对软金属可进行高速切削。4电主轴单元简介4.1电主轴概述高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一，是装备制造业的战略性产业。高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。数控机床高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等几个部分，它影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力学性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。高速高精度主轴单元系统，应该具有刚性好、回转精度高、运转时温升小、稳定性好、功耗低、寿命长、可靠性高等优点，同时，制造及操作成本也应适中。要满足这些要求，主轴的制造及动平衡、主轴的支承（轴承）、主轴系统的润滑和冷却、主轴系统的刚性等是很重要的2。高速主轴单元的类型
22、主要有电主轴、气动主轴、水动主轴等。不同类型的高速主轴单元输出功率相差较大。高速加工机床主轴要求在极短的时间内实现升降速，并在指定位置快速准停。这就需要主轴有较高的角减速度和角加速度。如果通过传动带等中间环节，不仅会在高速状态下打滑，产生振动和噪声，而且增加转动惯量，给机床快速准停造成困难。目前，随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使
23、主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。它在英文中有多种称谓，如Electric Spindle, Motor spindle和Motorized Spindle等等。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”（High Frequency Spindle）。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接传动主轴”（Direct Drive Spindle）。电主轴是一种智能型功能部件，它采用无外壳电动机，将带有冷却套的电动机定子装配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由变频交流电动机控制，使变
24、频电动机和机床主轴合二为一。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，不但转速高、功率大，还具有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全性。使用电主轴可以减少带轮传动和齿轮传动，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。当然，将电动机内置也会带来不少麻烦，但在高速加工时，采用该举措几乎是惟一的选择，也是最佳的选择。原因如下：（1）如果电动机不内置，仍采用电动机通过带轮或齿轮等方式传动，则在高速运转条件下，由此产生的振动等，势必影响高速加工的精度、加工表面粗糙度，而产生的噪声导致环境质量的恶化，这些问题都很难解决。
25、（2）高速加工的最终目的是为了提高生产率，相应地要求在最短时间内实现高转速的速度变化，即要求主轴回转时具有很高的角加速度和角减速度。达到这个要求的最经济的办法是将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减至最小。而只有将电动机内置，省掉齿轮、带轮等一系列中间环节，才有可能达到这一目的。（3）电动机内置于主轴两支承之间，与用带轮、齿轮等作末端传动的结构相比，可提高主轴系统的刚度，也就提高了系统的固有频率、从而提高了其临界转速值。这样，电主轴即使在最高转速运转时，仍可确保低于其临界转速，保证高速运转时的安全。（4）由于没有中间传动环节的传动冲击等外力作用，主轴高速运行更为平稳，使得主轴轴承的使用寿命相应得到
26、延长。（5）电主轴与传统的主轴传动系统相比有结构简单、紧凑等优点，这样便于把它用在多轴联动机床、多面体加工机床和并联（虚拟轴）机床上。电主轴内置于主轴部件后，不可避免的将会产生发热的问题，从而需要设计专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统。高频电动机要有变频器类的驱动器，以实现主轴转速的变换。高速轴承有时要有专门的润滑装置。另外为了保证高速回转部件的安全，还要有报警及停车因此，“电主轴”的概念不应简单地理解为只一根主轴套筒，而是一个完整的、在机床数控系统监控下的子系统，如图4-1所示。图4-1 完整的电主轴系统图4-1电主轴控制系统配置电主轴对现代数控机床有十分重大的意义，采用电主轴高速加工的优势
27、3：（1）加工时间大幅度缩短，加工节拍只有原来的1/4，这意味着一台高速机床可以代替4台普通CNC机床。（2）表面质量很高，不用在进行比如打磨等表面处理工序。（3）零件可换性好，有利于模具行业制造（4）零件变形小，可以加工很薄的零件。（5）从管理角度看，高速机床的投资可以很快收回，并能缩短交货期，占地面积小，人工数量可减少。表4-1 高速加工与传统加工的比较机床类别技术参数普通CNC机床HSC高速机床刀具直径/mm66主轴转速/(r/min)200024000计算进给速度/(mm/min)60010000切削速度/(mm3/min)12004800表面粗糙度/m62.4加工时间/h9.422.
28、36由表4-1 可见，电主轴带给数控机床的是高切削速度、高进给速度、高加工精度。这将会是数控雕铣机及各类机床的主要发展方向。4.2 电主轴的基本结构高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命，必须对电主轴各个部分进行精心设计和制造。电主轴基本结构原理如图所示。 图4-2 电主轴的结构原理图1.轴壳轴壳是高速电主轴的主要部件。轴壳的尺寸精度和位置精度直接影响主轴的综合精度。通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电动机定子，必须开放一端。大型或特种电主轴，为方便制造、节省材料，可将轴壳两端均设计成开放型。高速、大功率和超高速电主轴，应该严格控制整机装配精度。2.转轴转轴是速电主轴的主要回转主体，
29、其制造精度直接影响电主轴的最终精度。成品转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高。当转轴高速运转时，由偏心质量引起的振动，严重影响其动态性能。因此，必须对转轴进行严格的动平衡，部分安装在转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡。3.轴承高速电主轴的核心支承部件是高速精密轴承。这种轴承具有高速性能好、动载荷承载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。近年来，相继开发研制了陶瓷轴承、动静压轴承和磁浮轴承。5 电主轴系统设计计算5.1 主轴系统的重力计算主轴系统主要由三部分组成：3kW主轴安装座、滑块及拖板。根据图纸分别计算3kW主轴安装座、滑块和拖板的体积V及其重力G。查表1-812，可知工业用铝合金的密度铝合
30、金=2.7103(kg/m3);灰铸铁的密度HT250=7.0 103(kg/m3)。3kW主轴安装座的体积V1及重力G1计算： V1=（268155200-502200-212554200-24040200）10-93.7210-3m3 G1=m1g=铝合金 V1g=2.71033.7210-39.898.43N滑块体积V2及重力G2计算： V2=（27096730-16081246-24048570-12981570-2973157）10-97.2510-3m3 G2=m2g= V2g=7.0 1037.2510-39.8=497.35N拖板体积V3及重力G3计算 V3=（24227505
31、+4907212-1802006-1208642-702554）10-93.2410-3m3 G3=m3g= V3g=7.0 1033.2410-39.8222.26N表5-1 主轴系统的重力计算值计算项计算值3kW主轴安装座98.43N滑块497.35N拖板222.26N5.2 主轴铣削力计算RGDX-4040S数控雕铣机加工方式与数控铣床相似，因此按计算铣床的铣削公式计算其铣削力。主铣削力Fc计算：RGDX-4040S数控雕铣机属于立铣加工，刀具选用材料为硬质合金钢，加工材料为钢材，查表8，选用公式： Fc=CFKFae0.86af0.72d0-0.86Zap （5-1）式（5-1）中，C
32、F：切削系数。查表30208 取CF=669KF：修正系数。查表30218 取CF=1.08ae：铣削宽度。查表30358 取ae=1.5mmaf：每齿进给量。查表30358 取af =0.1mmd0：铣刀直径。 查表30358 取d0 =8mmZ： 铣刀齿数。查表30358 取Z =6ap：铣削深度。查表30358 取ap=0.5mm 代入式（5-1）得： Fc=6691.081.50.860.10.728-0.8660.5 97.89N垂直分力Fz、横向分力Fx，纵向分力Fy计算：根据表8-67，各铣削分力的比值可得：； ； 计算可得：=37.20N; =83.21N; =75.38N表5-2 主轴铣削力相关计算值计算项计算值主铣削力Fc97.89N垂直分力Fz37.20N横向分力Fx83.21N纵向分力Fy75.38N5.3 电主轴的冷却与润滑电主轴的工作转速极高，为了尽快给高速运行
