高速钻攻中心结构设计

引言
钻攻中心是一种对手机产品印刷电路板、机壳、面板、玻璃等零件钻攻、攻牙工序最理想的金属切削加工设备，可以实现镗削、铣削，由于主电机功率有限，不能进行黑色金属的重切削，但是其钻攻效率和质量比普通加工中心优越很多。钻攻中心就是为了满足客户寻找对手机产品更快、更高精度以及更环保的加工设备的要求孕育而生的。
1    钻攻中心的显著优势特征
钻攻中心（如图 1 所示）产品从外观到内在功能、性能都有了很大提升，主轴转速达到 12000r/min ，快速移动速度 60m/min ，坐标的直线度、垂直度可以控制在0 . 005mm 以内，完全优于国家同类精度标准。其显著优势特征如下：
（1）体积规模小。钻攻中心样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较小，机床最大行程 X 轴一般不超过 700mm ，Y 轴不超过 400mm。非常适合加工如手机产业、电子产业、医疗器械等小型零件。
（2）运行速度快。机床移动速度至少在 48m/min，通常为 60m/min；主轴转速至少在 10000rpm 以上，通常为12000rpm ；特别是在攻螺纹的速度上，钻攻中心可达到3000rpm 以上，最高可达到 6000rpm ，比普通立式加工中心快很多；刀具换刀速度通常在 1.2 秒以内，最快的可达到0 .6 秒，比立式加工中心节约一半的换刀时间。
（3）高效环保。钻攻中心在加工效率上比立式加工中心要高 2 倍，外形尺寸占地空间较立式加工中心减少21%，能耗消耗较立式加工中心减少 70%。
2    钻攻中心的设计关键技术
2 .1 高速
高速是实现高效率切削加工的前提和关键[ 1] 。机床由于结构设计的原因，一般直线运动行程较短，因此高速钻攻中心必须实现较高的进给加减速才能达到其真正的高速钻攻意义[ 2-3] 。为了适应进给运动高速化的要求，高速钻攻中心主要采用能实现高速度的线性导轨和换刀快的飞碟式刀库结构，这是高速钻攻中心机床的关键所在。
（1）机床导轨选用新型直线滚动导轨[ 4] 。国内目前大部分数控机床行业的机床导轨多采用硬轨，运行速度较低，一般在 15m/min 以下。研究表明：硬轨胜在刚性上，线轨胜在速度上，是数控机床发展的主要方向之一。高速钻攻加工中心就是采用新型的直线滚动导轨，滚动体安装在直线滚动导轨的工作面之间，滚动导轨中球轴承与与导轨之间实现点或者线接触，接触面积很小，所以摩擦系数小，其摩擦系数仅为槽式导轨的 1/20 左右，其运行速度达到 60m/min ，且“ 爬行”现象可大大减少，润滑也方便。长时间使用后，磨损小，精度损失较小，稳定性好。在导轨磨损后，硬轨的话就要调间隙修正，具体操作很麻烦，而线轨经过预紧处理可达到轨道间零间隙以及可实现各方向上的满承载能力，远比硬轨方便更换。
（2）高速进给伺服系统。高速进给伺服系统已逐渐的发展成为智能化、数字化和软件化，本钻攻加工中心采用交流伺服电机和全数字控制技术作为核心，高速进给机构则采用高质量、大尺寸、小螺距滚珠丝杠，其目的在于在获得较高的进给速度和进给加减速度的同时又不降低加工精度。
（3）换刀机构采用最新的飞碟式结构。换刀机构采用最新的飞碟式结构并采用交流伺服电机驱动，取代通常的交流异步电机，可在 1 .4 秒内完成刀对刀的换刀过程；
特别在换取对向刀时，伺服控制刀库可在 0 .8 秒内完成刀盘转动到位，相比凸轮机构的夹臂式刀库 6 秒换刀速度有提高了数倍，飞碟式换刀结构换刀可靠性提高到99 . 9% 。刀库本体及刀盘采用铝合金轻量化的设计，可以减轻主轴马达负载完成高速换刀动作的要求。刀库传动分度采用快速准确的筒型凸轮作传动分度结构，搭载高功率变频马达配合变频器使用，可以拥有更稳定及更佳的刀盘选刀速度，更进一步可以配合控制器来设定刀库重刀时的转速以及一般换刀转速。
2.2   2 精度
精度是机床的重要指标，钻攻中心机床关键部件皆采用高刚性设计，以保证加工精度。
（1）钻攻中心立柱采用大人字型立柱与超宽底座配合的设计。钻攻中心采用了大人字型立柱与超宽底座配合的设计（如图 2 所示），相比传统钻攻中心为追求速度而将机床设计地过于轻巧等方面有了很大的改变，比传统直立型立柱的刚性提升超过 30% 。框架式立柱结构固定在床身一侧，立柱两侧的外侧面中下部向外倾斜形成人字形，底座设计比常规设计各宽厚 30% ，从而使框架式立柱跨距大，与床身接触面积宽，与床身结合稳定牢固，机床整体刚性能够满足大扭矩铣削加工的要求。
（2）钻攻中心立柱导轨的设计。钻攻中心的立柱导轨根据立式加工中心进行设计，其中配置了增强型滚柱直线导轨，加长了 1/3 的滑动块，在满足快移速度 45m/min 的同时，可以提升加工精度和正极刚性；内部采用全封闭式加强筋设计，具备合理的结构强度及加强肋的搭配，最大程度保证机床各结构件的抗弯和抗扭强度，提升机械的高刚性。
（3）精密高速独立主轴的设计。对于钻攻中心来说提高生产效率是最重要的，高速主轴无疑是最重要的关键部件之一。钻攻中心采用隔绝热源的主轴直结设计，降低热变位的同时，还提高了主轴的精度与寿命[ 5] 。主轴电机通过特殊的联轴器与主轴直接联接，效率高且无皮带传动的动力损耗，同时不会出现皮带和齿轮传动所带来的噪音、震动等问题。
采用精密高速独立主轴长时间运转，主轴温升小，保证了加工的精度稳定，强力切削和微量进给切削都有优异的表现，这都与其主轴轴承的设计密不可分。钻攻中心主轴轴承是专门为其独立主轴设计的特殊角接触球轴承，其主要特点是轴承精度高、转速高、振动低、温升低，能提供良好的轴系刚性，满足机床精密加工的需要。
由于单列角接触球轴承只能承受一个方向的轴向载荷，在承受径向载荷时，会引起附加轴向力，必须施加相应的反向载荷，因此，钻攻中心主轴轴承采用轴承的外圈贴合，内圈有间隙，使两轴承的宽端面相对成对配置的背靠背安装方式（如图 3 所示）。背靠背安装使得轴承的接触角线沿回转轴线方向扩散，可增加其轴向和径向的支承角度刚性，承受倾覆力矩的性能好，轴承可以承受双向轴向载荷，抗变形能力最大。
2.3   油水分离结构的绿色环保设计
在机床设计过程中开展绿色设计，把环境影响、制造问题、资源优化统一起来考虑，有针对性地解决对可持续发展有不利影响的传统工艺。绿色环保设计如低温冷却切削、气体冷却切削等设计方式，可以很好地代替、改善容易造成环境污染的乳化冷却等切削，并在降低成本，提高零件加工质量等方面取得良好效果。钻攻中心在铸件机体上设计有专用独立回收油路，并收集汇总，避免与冷却液的混合，从而实现真正的绿色环保。
2.4   安全因素的考虑
加工区域采用全密闭式防护装置，防止高温切屑及切削液溅出。不仅可使操作人员安全可靠的操作机床，同时还能保护车间环境。三轴导轨防护均采用高速防护罩，保证经久耐用。其中独特的 Z 轴伸缩式防护板设计，可以有效防护 Z 轴传动系统，使 Z 轴在快速位移下平稳顺畅；X/Y 轴采用全复式，防止铁屑等外部杂物进入传动系统，并采用上口安装式，方便拆卸。
2.5   5 工艺流程设计
钻攻中心加工和装配方面严格按照工艺规程操作，关键零部件的加工由高精度的加工中心和导轨磨床来保证，机床装配在高清洁度安装车间进行，所有安装环节均要保证安装部件的洁净，严格按照装配工艺进行安装，整机安装完毕并进行 72 小时的拷机试验保证机床的可靠性。
机床安装完成后要进行一系列的试验保证机床的精度：整机安装完毕后先使用用激光干涉仪对 X 、Y 、Z 轴的定位、重复定位精度进行检验，保证机床的联动精度，然后用三坐标测量仪检测机床切削试件，保证整机的精度；实验后对数控系统等机电部分做一次优化整理，保证机床的各项性能均达标。
3   结束语
高速加工的研究目标是既实现高速加工，又能保证加工精度。今后金属切削加工设备将向专业化、专用性发展；进一步提高主轴转速、行程速度和高精度动态性能仍是高速钻攻中心的发展关键技术。在驱动技术和数控技术的进一步发展及机床构件轻量化和并联机床的开发推动下钻攻中心必将有更大的发展。

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