完整版数控铣床概述.docx

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完整版数控铣床概述

数控铣床概述

一．数控铣床的工艺范围

数控铣床（NumericalControlMillingMachine）适合于各种箱体类和板类零件的加工。

它的机械结构除基础部件外，还包括主传动系统和进给传动系统，实现工件回转、定位的装置和附件，实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气动、冷却等系统和排屑、防护等装置，特殊功能装置，如刀具破损监视、精度检测和监控装置，为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。

铣削加工是机械加工中最常用的加工方法之一，它主要包括平面铣削和轮廓铣削，也可以对零件进行钻、扩、铰、锪及螺纹加工等。

二．数控铣床的分类

1．按主轴布置形式分类

按机床主轴的布置形式及机床的布局特点分类，可分为数控立式铣床、数控卧式铣床和数控龙门铣床等。

（1）立式数控铣床

图1-1立式数控铣床

一般可进行三坐标联动加工，目前三坐标数控立式铣床占大多数。

如图1-1所示，数控立式铣床主轴与机床工作台面垂直，工件装夹方便，加工时便于观察，但不便于排屑。

一般采用固定式立柱结构，工作台不升降。

主轴箱做上下运动，并通过立柱内的重锤平衡主轴箱的质量。

为保证机床的刚性，主轴中心线距立柱导轨面的距离不能太大，因此，这种结构主要用于中小尺寸的数控铣床。

此外，还有的机床主轴可以绕X、Y、Z坐标轴中其中一个或两个做数控回转运动的四坐标和五坐标数控立式铣床。

通常，机床控制的坐标轴越多，尤其是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。

但随之而来的就是机床结构更加复杂，对数控系的要求更高，编程难度更大，设备的价格也更高。

数控立式铣床也可以附加数控转盘，采用自动交换台，增加靠模装置来扩大它的功能、加工范围及加工对象，进一步提高生产效率。

（2）卧式数控铣床

卧式数控铣床与通用卧式铣床相同，其主轴轴线平行于水平面。

如图1-2所示，数控卧式铣床的主轴与机床工作台面平行，加工时不便于观察，但排屑顺畅。

为了扩大加工范围和扩充功能，一般配有数控回转工作台或万能数控转盘来实现四坐标、五坐标加工，这样不但工件侧面上的连续轮廓可以加工出来，而且可以实现在一次安装过程中，通过转盘改变工位，进行“四面加工”。

尤其是万能数控转盘可以把工件上各种不同的角度或空间角度的加工面摆成水平来加工，这样可以省去很多专用夹具或专用角度的成形铣刀。

虽然卧式数控铣床在增加了数控转盘后很容易做到对工件进行“四面加工”。

使其加工范围更加广泛。

但从制造成本上考虑，单纯的数控卧式铣床现在已比较少，而多是在配备自动换刀装置（ATC）后成为卧式加工中心。

（3）数控龙门铣床

对于大尺寸的数控铣床，一般采用对称的双立柱结构，以保证机床的整体刚性和强度，这就是数控龙门铣床。

如图1-3所示，数控龙门铣床有工作台移动和龙门架移动两种形式。

主要用于大、中等尺寸，大、中等质量的各种基础大件，板件、盘类件、壳体件和模具等多品种零件的加工，工件一次装夹后可自动高效、高精度的连续完成铣、钻、镗和铰等多种工序的加工，适用于航空、重机、机车、造船、机床、印刷、轻纺和模具等制造行业。

图1-2卧式数控铣床图1-3数控龙门铣床

2．按数控系统的功能分类

按数控系统的功能分类，数控铣床可分为经济型数控铣床、全功能数控铣床和高速数控铣床等。

（1）经济型数控铣床

经济型数控铣床一般采用经济型数控系统，如SE.MENS802S等采用开环控制，可以实现三坐标联动。

这种数控铣床成本较低，功能简单，加工精度不高，适用于一般复杂零件的加工，一般有工作台升降式和床身式两种类型。

如图1-4（a）所示。

（2）全功能数控铣床

全功能数控铣床采用半闭环控制或闭环控制，其数控系统功能丰富，一般可以实现四坐标以上的联动，加工适应性强，应用最广泛，如图1-4（b）所示。

（a）经济型数控铣床（b）全功能数控铣床

图1-4数控铣床

（3）高速数控铣床

高速铣削是数控加工的一个发展方向，技术已经比较成熟，已逐渐得到广泛的应用。

这种数控铣床采用全新的机床结构、功能部件和功能强大的数控系统，并配以加工性能优越的刀具系统，加工时主轴转速一般在8000～40000r/min，切削进给速度可达10～30m/min，可以对大面积的曲面进行高效率、高质量的加工。

但目前这种机床价格昂贵，使用成本比较高。

三．数控铣床的组成

1．数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成：

（1）主传动系统由主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零件组成。

主轴的启动、停止等动作和转速均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具进行切削。

（2）进给伺服系统由伺服电动机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。

（3）控制系统数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。

（4）辅助装置如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。

（5）机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架。

2．主传动系统的结构

主传动系统包括主轴电动机、传动系统和主轴部件。

由于主传动系统的变速功能一般采用变频或交流伺服主轴电动机，通过同步齿形带带动主轴旋转，对于功率较大的数控铣床，为了实现低速大转矩，有时加一级或二级或多级齿轮减速。

对于经济型数控铣床的主传动系统，则采用普通电动机通过V带、塔轮、手动齿轮变速箱带动主轴旋转。

通过改变电动机的接线形式和手动换挡方式进行有级变速。

主轴具有刀具自动锁紧和松开机构，用于固定主轴和刀具的连接。

由碟形弹簧、拉杆和气缸或液压缸组成。

主轴具有吹气功能，在刀具松开后，向主轴锥孔吹气，达到清洁锥孔的目的。

3．进给传动系统的结构

进给系统即进给驱动装置，驱动装置是指将伺服电动机的旋转运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，主要包括减速装置、丝杆螺母副及导向元件等。

在数控铣床上，将回转运动与直线运动相互转换的传动装置一般采用双螺母滚珠丝杆螺母副。

进给系统的X、Y、Z轴传动结构是伺服电动机固定在支承座上，通过弹性联轴器带动滚珠丝杠旋转，从而使与工作台联结螺母移动，实现X、Y、Z轴的进给。

四．数控铣床的布局

1．工件的重量和尺寸与布局的关系可以有四种不同的布局方案：

（1）工件进给运动的升降台铣床

（2）铣头垂直进给运动的升降台铣床

（3）工件一个方向进给运动的龙门式数控铣床

（4）铣头垂直进给运动的龙门式数控铣床

2．运动的分配与部件的布局

一般需要对工件的顶面进加工，则铣床主轴应布局成立式的。

一般需要对工件的多个侧面进行加工，则主轴应布局成卧式的。

3．铣床的布局与结构性能

数控铣床的布局应能兼顾铣床有良好的精度、刚度、抗振性和热稳定性等结构性能。

运动要求与加工功能相同的数控机床，结构的总体布局不同，结构性能是有差异的。

T形床身布局的优点：

刚性好

框式立柱布局的优点：

热变形对加工精度的影响小

五．数控铣床刀具

数控铣床上所采用的刀具要根据被加工零件的材料、几何形状、表面质量要求、热处理状态、切削性能及加工余量等，选择刚性好、耐用度高的刀具。

1.铣刀类型选择

　　根据被加工零件的几何形状,选择刀具的类型有：

（1）加工曲面类零件时，为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切，而避免刀刃与工件轮廓发生干涉，一般采用球头刀，粗加工用两刃铣刀，半精加工和精加工用四刃铣刀

（2）铣大的平面时：

为了提高生产效率和提高加工表面粗糙度，一般采用刀片镶嵌式盘形铣刀

（3）铣小平面或台阶面时一般采用通用铣刀

（4）铣键槽时，为了保证槽的尺寸精度、一般用两刃键槽铣刀

（5）孔加工时，可采用钻头、镗刀等孔加工类刀具

2.铣刀结构选择

　　铣刀一般由刀片、定位元件、夹紧元件和刀体组成。

由于刀片在刀体上有多种定位与夹紧方式，刀片定位元件的结构又有不同类型，因此铣刀的结构形式有多种，分类方法也较多。

选用时，主要可根据刀片排列方式。

刀片排列方式可分为平装结构和立装结构两大类。

1）平装结构（刀片径向排列）　　

平装结构铣刀的刀体结构工艺性好，容易加工，并可采用无孔刀片（刀片价格较低，可重磨）。

由于需要夹紧元件，刀片的一部分被覆盖，容屑空间较小，且在切削力方向上的硬质合金截面较小，故平装结构的铣刀一般用于轻型和中量型的铣削加工。

2）立装结构（刀片切向排列）

立装结构铣刀的刀片只用一个螺钉固定在刀槽上，结构简单，转位方便。

虽然刀具零件较少，但刀体的加工难度较大，一般需用五坐标加工中心进行加工。

由于刀片采用切削力夹紧，夹紧力随切削力的增大而增大，因此可省去夹紧元件，增大了容屑空间。

由于刀片切向安装，在切削力方向的硬质合金截面较大，因而可进行大切深、大走刀量切削，这种铣刀适用于重型和中量型的铣削加工。

六.数控铣床的电路分析

1．VMC650数控立式铣床简介

VMC650数控立式铣床如图1-5，数控系统采用FANUCSeries0iMate-MC，该铣床是在装夹工件后进行连续铣削，适用于板件、盘件、模具等零件的铣削加工。

机床的特点：

（1）由于采用的是伺服主轴，并经同步齿形带传到主轴，主轴转速恒功率范围宽，低转速的扭矩较大，机床的主要构件刚度高，可进行强力切削，主轴系统进行了强力冷却，因此，机床运行时噪声低、震动小、热变形小。

图1-5VMC650数控铣

（2）交流伺服电机经联轴节和滚球丝杆副直联，使X、Y、Z轴获得高速移动，由于机床基础件刚度高，导轨副均采用直线滚动导轨副，使高速进给时震动小，低速进给时无爬行，并且有很高的精度稳定性。

　图1-5VMC650数控铣床

（3）全封闭式安全防护，机床外围采用了全封闭式安全防护罩，使加工过程中的冷却液和铁屑得到安全充分的回收。

该防护罩又具有开门断电的功能，避免了工作者的意外伤害。

（4）自动排屑功能可以大大减轻操作者的劳动强度。

（5）机床的主要规格及参数：

工作台面尺寸为：

420mmX800mm

工作台T型槽宽X槽数3-18H8

工作台T型槽距离100mm

工作台左右行程（X轴）650mm

工作台前后行程（Y轴）400mm

工作台上下行程（z轴）480mm

主轴端面与工作台面距离80～560mm

主轴锥孔BT40

主轴转速80～8000转/分

主轴驱动电机FANUC-βiI6/10000，带内置编码器

三坐标拖动电机FANUC-βis12/2000，额定扭矩：

10.5N.M2000转/分

快速移动速度（X、Y、Z轴）20000mm/min

进给速度（X、Y、Z轴）1～5000mm/min

（6）电源的要求：

电压为AC380V，+10%～—15%，50Hz±1Hz，3相，最大电源容量：

15KVA

（7）气源的要求：

气源流量：

300升/分，气源压力：

0.5～1MPa（5～10公斤/厘米2）

（8）环境的要求：

数控系统中过高的或湿度可能引起控制机构的失灵，同样温度过低，会使气动装置的水受冻而损坏装置。

建议在以下的环境条件下使用机床：

1）环境温度5°～40°C

2）最大温度变动1.1°C

3）相对湿度75%以下,短时间内最大湿度95%

2．在众多数控铣床中，有不少是采用FANUC系统进行控制的，本篇的四个情境以FANUC系统为基础进行相关知识介绍，典型的数控铣床机型是以VMC650数控铣床为例，该铣床采用的是FANUCSeries0iMate-MC数控系统，驱动器采用的βisVSP20/20/40-11交流伺服驱动器，主轴电机采用的是βiI6/10000的伺服主轴电机，X、Y、Z轴采用的是βis12/2000伺服电机，βi伺服放大器采用电源模块、主轴模块、进给伺服模块为一体，方便了安装与连接。

βisVSP20/20/40-11交流伺服驱动器的强电输出有：

TB2接口控制主轴伺服电机，CZ2L接口控制X轴伺服电机，CZ2M接口控制Y轴伺服电机，CZ2N接口控制Z轴伺服电机。

3．主电路连接具体如图1-6，进线电源经QF1总开关后，一路经QF2控制冷却泵，一路经变压器TM11，给交流伺服驱动器供电并给主轴风机提供电源，冷却主轴电机。

图1－6VMC650主电路

4．控制电路连接具体如图1-7，变压器TC1给各控制电路提供电源，控制电路主要包含Z轴抱闸、照明控制、冷却控制、润滑控制、指示灯控制、换刀控制及直流24V电源。

图1－7VMC650控制电路

5．输入、输出电路连接具体如图1-8和1－9，主要输入信号有润滑、手动换刀、X、Y、Z轴的回零及限位信号、手轮上X、Y、Z的轴选择、倍率开关X10、X100的选择，输出信号有KA515控制的Z轴抱闸、KA516控制的松刀、KA508控制的冷却、KA509控制的润滑、KA510控制的照明以及KA560、KA561、KA562控制的三色灯。

图1－8VMC650输入信号连接

图1－9VMC650输出信号连接