对立式加工中心学习的总结

20180627

近期因为需要，学习了一些立式加工中心的事情，虽然以前也知道一点，但不够全面，尽管这一次也还是不够深入，但还是有一些新知识，在此记录一二，算是学习总结。

1 溯源

立式加工中心是一种数控加工机械，其原初形态是立式铣床，也就是通常所说的立铣。普通立铣的配置XYZ三轴移动和Z轴动力头，动力头的变速及XYZ三轴移动，全部由手动完成，独立动作。在普通立铣上配置数控系统，就变成了数控立铣。在配置了数控系统之后，这些动作就可以实现程序控制，动力头的主轴转速自动变速，XYZ三轴可以协调联合动作，实现曲面加工。在数控立铣的基础上，再配置刀具库，就是立式加工中心了。

2 对象

这次关注的是一种形式的立式加工中心，固定工作台，类似于不升降工作台的立铣。

3 主结构

现在的立式加工中心，以不升降工作台铣床的结构为主，其主要形式是床身底座与立柱相连，底座上安装工作台，并配有水平两向滑轨，立柱上安装主轴头及垂向滑轨。除此之外还有一种类似于龙门结构的，也就是工作台在床身上只配置纵向移动滑轨，在工作台纵向移动空间的两侧设置立柱，在两个立柱间设置横梁，并配置横向移动导轨，在横梁移动滑台上再配置主轴头及其垂向滑轨。

当然还有其他的结构形式。

4 床身及其材料

床身通常是铸铁材料，细节上有所不同。铸铁材料具有良好刚性和吸震性，是机床床身的传统材料，相关的工艺成熟。

除此之外，还有一种叫矿物铸造的，俗称人造大理石，用来制造床身。以前只是在测量机上使用矿物材料制作工作台，这种材料的温度变化不敏感，稳定性好，也是现在的技术提高了，在金属切削加工设备上也使用了矿物铸件。但是通过了解，这种床身并不适应于重加工。

5 工作台及其尺寸

对应于不同的需求，有不同规格尺寸的配置，以适应于加工工件尺寸的需求。

6 轨道形式及特点

在加工中心，有三种移动，及XYZ中的移动，其移动的基础是轨道。在老式机床上，轨道都是与床身为一体式结构，铸造成型后，在加工。

滑动导轨有多种形状，有矩形、三角形、燕尾形等，这些形状的导轨组合使用，构成需要的结构。

这种形式的导轨，就是所谓的硬轨。与硬轨相对的是直线导轨。

直线导轨是一种标准组件，类似于轴承。由于直线导轨的出现，使得机床移动的实现相对的容易。但是以硬轨相比，线轨的承载能力相对稍差。

线轨也不是单一形式的，有园珠的，有圆柱的。相对而言，圆柱线轨比园珠线轨有更大的承载能力以及精度保持的更持久。

硬轨与线轨相比，线轨的移动速度要快些。

硬轨与线轨也可以组合使用，有些时候“两线一硬”就是指两个线轨和一个硬轨组合。

线轨的品牌有：南工、汉江、AMT、HIWIN、THK、NSK、博世力士乐、SBC等。

线轨的精度是指行走平行度，以导轨100mm长为例，可分为五个等级：

普通级（无标注/C）5μm

高级（H）3.0μm

精密级（P）2.0μm

超精密级（SP）1.5μm

超超精密级（UP）1.0μm

7 轨道润滑

轨道润滑是保持精度和寿命以及平滑移动的关键。润滑方式有油脂，润滑油，还有一种叫油气润滑，这种方式的润滑效果更好。

8 传动及冷却

现在的传动，都是采用的滚珠丝杠，相比于原来的普通丝杠，滚珠丝杠传动的精度更高，寿命更长，摩擦阻力更小，现在已经成了传动的标配部件。

由于传动过程中会产生摩擦，在传动副因摩擦而生热，使得传动的精度受到影响，因此就出现一种中空滚珠丝杠，以及中空丝杠座，中间通过冷却油，可以有效降低丝杠及相关部件的温度，减小因温度变化产生的精度的影响。

9 主轴及传动方式

主轴是加工中心的动力源头。

加工中心主轴有两种形式，即机械主轴和电主轴。机械主轴说起来很好理解，就是一个机械结构，可以提供回转运动，但是需要外部动力，而电主轴这是电机与主轴成为一体，就好像旋转的主轴，就是电机的转子。

电主轴可以实现零传动，即无需中间环节，与机械主轴相比，可以节省很多的空间。

机械主轴需要电机提供动力，因此需要一个电机与主轴的连接环节，因此就有几种方式：齿轮传动、皮带传动和电机直连传动。

因此就有4种连接方式：齿轮，皮带，直连，电主轴。

这几种连接方式也各有不同。相对而言，齿轮传动的扭矩最大，皮带连接相对具有柔性，电机直连与电主轴节省空间。

主轴有专门的生产厂家，有国内的，国外的，而也有机床主机厂自己生产的。

进口的主轴当然是高端的，高价的，如日本的NSK和德国GMN等品牌，而在主轴市场，目前台湾的品牌则是占据了不小的市场，比如旭泰、普森、罗翌等，国内的主轴，因价格因素也占有一定份额。

10 主轴规格与主轴刀柄

主轴规格通常以主轴可连接刀柄的规格加以表述，比如BT40，或BT50，而这两个标识是主轴刀柄的规格型号。

相对而言，BT50主轴的尺寸规格要大于BT40主轴。

主轴刀柄规格与主轴是一一对应的，原则上不可通用互换，就像尼康的相机只能用尼康卡口的镜头，佳能的相机只能使用佳能卡口的镜头。

刀柄规格有两大系统：锥度为7:24的通用系统，锥度为1:10的HSK真空系统。在两大系统下又衍生出若干个子系统。

锥度为7:24的通用刀柄通常有五种标准和规格：

1)  传统型：DIN2080型（简称NT或ST）

2) 德国标准：DIN69871型（简称JT、DIN、DAT或DV）。DIN69871型分两种，即DIN69871A/AD型和DIN69871B型，前者是中心内冷，后者是法兰盘内冷，其它尺寸相同。

3)  国际标准：ISO7388/1型（简称IV或IT）。其刀柄安装尺寸与DIN69871型没有区别，但由于ISO7388/1型刀柄的D4值小于DIN69871型刀柄的D4值，所以将ISO7388/1型刀柄安装在DIN69871型锥孔的机床上是没有问题的，但将DIN69871型刀柄安装在ISO7388/1型机床上则有可能会发生干涉。

4) 日本标准：MASBT型（简称BT）。BT型是日本标准，安装尺寸与DIN69871、IS07388/1及ANSI完全不同，不能换用。BT型刀柄的对称性结构使它比其它三种刀柄的高速稳定性要好。

5) 美国标准：ANSIB5.50型（简称CAT）。安装尺寸与DIN69871、IS07388/1类似，但由于少一个楔缺口，所以ANSIB5.50型刀柄不能安装在DIN69871和IS07388/1机床上，但DIN69871和IS07388/1刀柄可以安装在ANSIB5.50型机床上。

NT型刀柄德国标准为DIN2080，即国际标准ISO2583，是在传统型机床上通过拉杆将刀柄拉紧，国内也称为ST；其它四种刀柄均是在加工中心上通过刀柄尾部的拉钉将刀柄拉紧。目前国内使用最多的是DIN69871型（即JT）和MASBT型两种刀柄。DIN69871型的刀柄可以安装在DIN69871型和ANSI/ASME主轴锥孔的机床上，IS07388/1型的刀柄可以安装在DIN69871型、IS07388/1和ANSI/ASME主轴锥孔的机床上，所以就通用性而言，IS07388/1型的刀柄是最好的。

锥度为1:10的HSK真空刀柄的德国标准是DIN69893，有六种标准和规格，即HSK-A、HSK-B、HSK-C、HSK-D、HSK-E和HSK-F，常用的有三种：HSK-A(带内冷自动换刀)、HSK-C(带内冷手动换刀)和HSK-E(带内冷自动换刀，高速型)。

A型和E型的最大区别就在于：

1.A型有传动槽而E型没有。所以相对来说A型传递扭矩较大，相对可进行一些重切削。而E型传递的扭矩就比较小，只能进行一些轻切削。

2.A型刀柄上除有传动槽之外，还有手动固定孔、方向槽等，所以相对来说平衡性较差。而E型没有，所以E型更适合于高速加工。

E型和F型的机构完全一致，它们的区别在于:

同样称呼的E型和F型刀柄(比如E63和F63)，F型刀柄的锥部要小一号。也就是说E63和F63的法兰直径都是φ63，但F63的锥部尺寸只和E50的尺寸一样。所以和E63相比，F63的转速会更快(主轴轴承小)。

7:24的通用刀柄是靠刀柄的7:24锥面与机床主轴孔的7:24锥面接触定位连接的，在高速加工、连接刚性和重合精度三方面有局限性。HSK真空刀柄靠刀柄的弹性变形，不但刀柄的1:10锥面与机床主轴孔的1:10锥面接触，而且使刀柄的法兰盘面与主轴面也紧密接触，这种双面接触系统在高速加工、连接刚性和重合精度上均优于7:24的通用刀柄

拉钉有三个关键参数：θ角、长度l以及螺纹G

关于刀柄拉钉的θ角有如下几种情况：

1、MASBT（日本标准）刀柄拉钉θ角有45°、60°和90°之分，常用的是45°和60°的；

2、DIN69871刀柄拉钉（通常称为DIN69872－40/50）θ角只有75°一种；

3、IS07388/1刀柄拉钉（通常称为IS07388/2－40/50）θ角有45°和75°之分；

4、ANSI/ASME（美国标准）刀柄拉钉θ角有45°、60°和90°之分。

关于刀柄拉钉的螺纹G，除ANSI/ASME（美国标准）刀柄拉钉存在有英制螺纹标准外，其它三种均使用公制螺纹，40#刀柄拉钉通常使用M16螺纹，50#刀柄拉钉通常使用M24螺纹。

现在日本标准的BT刀柄，为了克服局限，将其升级为BBT规格，即在原来只是锥柄定位的基础上，增加了平面定位，与锥度为1:10刀柄类似，也适合于高速重切削的要求。

11 主轴冷却

主轴正在高速旋转时，也会产生热量，也会产生一定的影响，因此主轴需要冷却。为此就有一种中空内冷式主轴。

12 主轴转速

在普通形式的主轴，为了得到不同的转速，是通过变换连接齿轮的连接形成的，也就是有一个齿轮变速箱，这样得到的转速是有级的，而现在的转速控制是采用的无极变速，通常的速度范围可以从50~8000rpm，甚至到20000rpm。

对于齿轮传动的，可以有分级分段。

对于精细加工，高速主轴可以提供非常精密的表面加工质量，对于初加工有需要大的动力，往往是在低速的时候，才可以实现。

13 主轴功率

在不同连接方式下，同样的输出扭矩，可能对应的电机功率有很大的不同。也就是在同样的输出扭矩，会对应11,15.5,18.5,22kw等的不同的电机功率。

14 主轴功率

在不同连接方式下，同样的输出扭矩，可能对应的电机功率有很大的不同。也就是在同样的输出扭矩，会对应11,15.5,18.5,22kw等的不同的电机功率。

15 三轴快速移动速度

三轴快速移动速度，即指点到点的空走移动速度，通常在20~50米/秒范围。对于线轨，这个数值要大一些，而对于硬轨，相对要小一些，但是也有硬轨但是移动速度比较大的。

16 精度

精度有两个指标，即定位精度和重复定位精度，而这个精度是指传动系统的精度指标，即滚珠丝杠的精度。

滚珠丝杠精度等级划分的基本原则是在传动中，实际移动距离和理想移动距离的偏差，偏差越小，精度越高，其中有分为三种情况，一是旋转一周的运行精度；二是整根滚珠丝杠的运行精度；三是任意300的运行精度，一般情况下说的精度是任意300的精度。

通常精度有两种表示方法，国内的等级精度分为P1，P2，P3，P4，P5，P7，P10这7个等级，JIS等级精度分为C0，C1，C3，C5，C7，C10这6种精度，不过现在台湾也出现C2和C6，这两种精度，P5的精度等级介于C5和C7之间，与出现的C6=0.025基本可以等同。在精度等级的数字中，数字越小，精度越高。

机床的精度，依据被加工工件的精度而定，虽然是高精度的好，但是价格高，保养和使用严格，性价比不高，而对于模具加工等，则要求有较高的精度，就必须选用相对高精度的设备。

以上是相关的学习总结，部分文字源于网络。

学习了也就知道了。