• 加强推进高效化。提高机床的动静刚度，通过数控机床高速化、高输出功率扭矩，使其达到甚至超过专用的组合机床的生产效率。
• 确保精度稳定提升。用以满足汽车向运行平稳、噪声低和寿命长等方向发展而对加工精度提出的要求，并有足够的精度储备。通常以过程能力指数Cp来表徵，常取Cp=1.67-2.0,以保证获得稳定的加工精度。近十几年，汽车的一些关键件，如发动机的缸体、缸盖、曲轴、制动器以及模具等在精度要求上有明显的提高。
• 柔性化及信息化。具有调整的灵活性，能满足汽车产品的更新和变型要求，并能方便地融入大批量生产、多机集成控制的制造系统中去。
• 注重结构简约化。贯彻高刚性设计原则，降低故障率和提高可靠性，并有利于节约成本。

一、μ2000系列卧式加工中心所包括的产品

1. 高刚性、高速度的主轴部件
   衡量数控机床水平的高速精密电主轴在中国还主要依赖进口，但我所在电主轴的技术方面一直拥有自主产权。
   图2的内装式电机主轴单元，由于是零传动的方式，降低了噪声、发热、振动和功率损失，在加工中心的应用上越来越广泛。

   1. 主轴电机的选择
      主轴电机功率—扭矩曲线图如图3。
      

      图3 主轴电机功率—扭矩曲线图

      电机功率22/25kW，具有高速和低速双绕组电机，短时间扭矩可达到600Nm ，允许使用较大刀具迅速通过低转速的切削操作。主轴最高转速可达8000r/min，可实现低速大扭矩和高速切削的功能，在高刚性和高速度方面达到良好的统一。
   2. 主轴轴承的选择
      采用角接触球轴承与单列圆柱滚子轴承结合的支承方式，可承受径向和轴向力，而单列圆柱滚子轴承的采用，克服了主轴热伸长造成的主轴弯曲变形。
   3. 主轴的拉刀机构
      主轴锥柄标准配置为BT50，也可选用HSKA100锥柄。BT50为标准配置，可以满足用户需要通用性刀柄的情况。HSK是国际标准，锥度为1：10，锥面接触的同时端面也接触，它的特点是：拉刀时靠刀柄的弹性变形与主轴锥面过盈配合，接触角为自锁角，这样配合稳定，不易松动，刀柄拉紧后端面紧密接触，使刀具接触刚度好，提高切削刚度，传递大扭矩，提高切削能力和加工精度。由于端面接触，所以与传统主轴不同的是主轴端面和锥孔均有清洁空气吹出，以保证刀具与主轴的配合精度。装刀时刀具肩面与主轴靠上后开始拉刀，拉刀力分解为径向和轴向，故主轴端面处会有一定的过盈。另外，刀柄质量较轻(空心柄)，故转动惯量小，离心力小，适于高速运转和高速切削。
      由于HSK型锥柄要求端面(控制刀具轴向尺寸变形)与锥面(主要是定心作用)同时与主轴贴紧，对主轴锥孔及端面均有较高要求，在设计及制造方面均是一个难题，我所对此难题进行了攻关，并达到了良好的效果，积累了比较成熟的经验。
   4. 主轴中心内冷却功能及高速回转密封技术
      主轴中心内冷却功能可满足高速切削、小孔加工和深孔加工时对排屑畅通、及时带走加工热量的要求。本机床主轴单元内冷却最大压力为30bar，高速回转接头使用碳化硅密封表面，确保密封可靠；采用轴承结构，其独特的弹性膜片，能够使其在没有冷却压力时使密封面“脱开”，压力恢复后再恢复闭合状态，其铝制挡油环组件能够将密封渗漏从轴承中导至壳体出口，防止因轴承污染而引起接头故障。
   5. 主轴的冷却
      高速加工时，发热是必须首先考虑的问题。
      本机床前后轴承及内装式电机均采用室温跟踪式恒温油冷却的方式，使冷却液循环通过主轴电机套筒、轴承套筒的循环槽，带走主轴运转时的热量，控制主轴发热，防止主轴及主轴箱热变形引起机床整体精度降低，提高主轴寿命，充分实现电机、轴承、主轴的高性能使用。无论环境温度如何变化，主轴也能够用一致的精度加工工件。设计中采用有限元分析的方法，对主轴的热变形进行了预期的分析和控制。
   6. 主轴单元的动平衡
      主轴单元在高速运转时，对动平衡提出了较高的要求，才能保证主轴的高精度。本机床主轴采用两次动平衡，动平衡精度高，最大可能地提高主轴运转平稳性，降低噪声，减小振动。平衡时采用增重的方式，采用螺钉增重，增重准确易操作。
   7. 主轴单元的实验装置
      在主轴单元装配完成后，在试验台上进行无负荷实验、温升试验等项目，以保证主轴单元的可靠性。性能良好的主轴单元以单元的型式安装到主轴箱即可。
   8. 主轴的有限元分析
      在主轴单元的设计中，除了对主轴轴承及各参数进行详细计算之外，也借助了有限元分析的手段，对主轴的变形量及热变形进行了分析，对主轴悬伸量、主轴跨距等的确定及主轴结构的优化设计起到了很好的指导作用。同时对两者进行对比，可达到彼此验证的效果。

   图4 整体床身的外形图和结构图

   图5 整体立柱的外形图和结构图

   图6 主轴箱的外形图和结构图

2. 基础件的高刚性设计
   1. 整体床身的高刚性设计
      作为机床最基本的支承基础件，床身的刚性对机床的精度具有举足轻重的作用。本机床采用整体床身的结构型式(图4)，合理布筋，采用高规格铸铁铸造，使整体床身达到很高的刚性。同时整体床身型式的采用，使机床的精度在加工阶段得到很好的保证，便于装配时的调整，提高了装配的效率。
   2. 整体立柱部件的高刚性设计
      本机床采用整体立柱的型式(图5)，立柱、立柱滑座及螺母座为一个整体，相对于传统的立柱滑座和立柱分开的结构型式，具有更高的刚性，同时整体立柱型式的采用，使机床的精度在加工阶段得到很好的保证，便于装配时的调整，提高了装配的效率。
      由于立柱要在机床上进行Z向的运动，在高刚性的同时，还应具有高速度的特性，因此立柱的设计除了保证高刚度，还采用了轻型设计的原则，降低了移动部件的重量，为机床高速性的实现奠定了基础。
   3. 主轴箱部件的高刚性设计
      图6为本机床的主轴箱的外形图和结构图。
      从结构图可以看出，主轴箱也采用了多层布筋、对称布置的型式，同时考虑主轴箱要在机床上进行Y向运动，主轴箱也采用了轻型设计的原则，由于主轴直接安装在主轴箱内，主轴的发热必然影响到主轴箱，因此主轴箱的设计同时兼顾了高刚性、高速度及热对称性。
   4. 基础件设计中的有限元分析
      在基础件的设计中，利用有限元分析的手段，当不同的布筋和开孔情况下应变及位移量均呈现不同的状况，比较其受力及变形的情况，可进行基础件结构的优化设计。

      
      

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