CN211331336U - 一种带z轴驱动的主轴箱功能部件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件。其包括主轴箱滑座、主轴箱、主轴总成、驱动丝杆及电机。主轴箱滑座是呈凹槽状的长方体，在其凹槽两侧的凸台面上装有三块线轨滑块，和在主轴箱后面两边分别装有线性导轨，主轴箱滑座上的线轨滑块与主轴箱上线性导轨相耦合，使主轴箱上的丝杆螺母座被夹持在凹槽内,在驱动丝杆带动下，主轴箱可沿其重心方向做铅锤运动。本实用新型一种带Z轴的驱动的主轴箱功能部件由于主轴中心贴近线性导轨面，即二者距离缩短了，最大限度减少了主轴箱悬伸力矩和偏载力矩对主轴箱动静态精度和加工精度的影响。解决了主轴箱故有低头问题和主轴箱高速运行时振动问题。适用于立卧式数控铣床、钻床以及龙门式数控机床。

Description

一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件

技术领域

本实用新型涉及数控机床、加工中心技术领域，特别是立式数控铣床、立式数控钻床、及其相应的立式数控机床和加工中心的主轴功能部件。尤其涉及立式高光机床的主轴功能部件。

背景技术

数控机床是现代制造业必不可少的工艺装备，也是柔性制造系统和无人化工厂的关键设备。数控机床高速运行时主轴箱的振动和抖动是产品加工质量提升的杀首戟。传统立式机床，无论是否是数控机床，主轴箱的悬伸力矩和偏载力矩都是客观存在的，主轴箱的重心与立柱线性导轨距离愈大，悬伸力矩就越大；主轴中心与立柱线性导轨距离愈大，则偏载力矩也越大。主轴箱越重，悬伸力矩就越大。切削力越大，偏载力矩也就越大。从如下悬伸力矩计算公式不难看出，悬伸力矩与主轴箱重心至线性导轨面的距离和主轴箱重量都是成正比的：Mx＝Gx*Lx

式中Mx为悬伸力矩，Gx为主轴箱重量，Lx为主轴箱重心至立柱线性导轨面距离,而偏载力矩是与主轴箱中心至线性导轨面的距离和切削力成正比：设偏载力矩为Mp， Fz为切削分力，Lc为主轴中心至线性导轨面的距离，则偏载力矩为：

Mp＝Fz*Lc

悬伸力矩是机床固有的，偏载力矩是加工过程中产生的，随切削力大变化而变化。总之切削越大，偏载力矩也就越大；如何减少立式机床的悬伸力矩和偏载力矩这两个问题，是机床设计的永恒的课题。过大的偏载力矩和悬伸力矩不仅会影响主轴箱运动的平稳性，而且对主轴轴承的寿命、加工零表面粗糙度的影响也十分明显。特别是对高速、高精机床，影响更大，偏载力矩对被加工零件表面粗糙度影响具有代表的机床，就是用来加工手机壳体的钻铣加工中心，该机床就是一种高速、高精加工机床。由于高速、偏载，主轴箱中的主轴轴承寿命都比较短，一年左右就得更换。目前市场上只有小规格工作台面的钻铣加工中心，而没有宽工作台面的加工中心，其原因正是受偏载力矩所限，对于用来加工模具的中大型号的立式机床来说，主轴箱的结构也非常重要传统的立式数控铣床、立式加工中心的主轴箱，通常都被设计成偏宽形立方体。机床主轴箱的宽度是随工作台的宽度变化而变化。而主轴箱的重量也会随之变化。以本实用新型中所述的VMC855为例，其传统主轴箱的宽度达745mm。主轴箱中心距至线性导轨面的距离为628.5mm。而主轴箱总程重为0.5吨。这重达半吨的主轴箱悬伸700多mm。线性导轨所承受的悬伸力矩高达1860.25Nm。这力矩一直在干扰主轴箱的动行，迫使主轴箱脱离线性导轨，在运动中一但线性导轨副有所磨损，出现间隙，主轴箱就会因重力影响，而出现低头现象。过大的间隙又会影响主轴箱运动的平稳性。还会出现振动现象。机床规格越大，主轴箱的重量和悬伸也越大，机床的精度更难以保持。如果选用本实用新型一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件，就能有效的减少悬伸力矩和偏载力矩对主轴箱运动的影响，解决主轴箱的低头现象。并且还可以提高主轴转速、Z轴的快速进给速度。使机床成为高速、高精、高光、大切削用量的模具加工机床。我们在样机中进行大量的切削试验，用于加工铸铁导轨面，如加工一导轨长度为600mm，宽度为50mm的两导轨间距250mm导轨平面，其平面度只有0.002mm,。用来加工模具钢件时，用％％C20的立铣刀，切深25mm，一刀过，主轴功率只有28.6％。用Φ80的面铣刀，铣削模具钢平面，切深5mm，主轴功率也未超过30％。用Φ20钨钢刀开304不锈钢的槽槽深25mm，一刀过主轴功率也只有48％。从上述试切表明安装有本实用新型的一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件VMC855立式加工中心(含立式数控铣床)巅覆了传统立式加工中心的结构。有效解决主轴箱的低头问题所带来的，主轴箱的运动精度、运动速度、运动的平稳性、切削时的振动等问题、使机床能够发挥最在大的潜力。配有本实用新型一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件的立式加工中心可称之为粗加、精加、高光一体机；传统立式钻铣加工中心的主轴箱结构如5图所示，其主轴箱是垂直于立柱，通过安装在主轴箱与立柱间的线性导轨副联接，主轴箱沿安装在立柱上的线性导轨上作 Z向进给作上运动。主轴箱总程如同一个悬臂体在作铅垂运动，主轴箱因自身重量会产生一个悬臂(伸)力矩，这个力矩会使主轴箱搭(低)头。主轴箱的重量越大，悬伸的跨度(主轴箱重心至导轨面距离)越大这个力矩也就越大。这个力矩就是所述的悬伸力矩，通常称之为巅覆力矩。图6为背景技术中传统立式钻铣加工中心的简易原理示意图。。从附图5中不难看出，其采用垂直式的立柱(90’)，沿该立柱(90’)垂直方向的外侧壁上设置有平行Z轴方向(即垂直地面方向)的导轨(18’)，主轴箱(2’)的一端可沿该导轨(18’)方向做上下往返运动，另一端设置有可沿Z轴方向运动的主轴总成(14’)，实际应用中，正常情况下，主轴箱(2’)的悬伸方向与立柱(90’)的垂直方向呈现出直角的夹角，此时，主轴总成(14’) 沿垂直方向的精准度越高，但是，当与该立柱(90’)匹配的工作台的面积、尤其沿X方向的宽度越大时，主轴箱(2’)悬伸的跨度也势必越大，主轴箱(2’)因自重而产生的悬臂(伸) 力矩也就越大，因此极易出现主轴箱(2’)呈现一定斜度偏转的现象，致使主轴箱(2)的悬伸方向与立柱(90’)的垂直方向呈现出锐角的夹角，主轴总成(14’)顺势产生低头的现象，主轴总成(14’)的中心轴线也顺势产生偏转，致使主轴箱(2’)升降时的平衡受到严重影响，并且高速运行时势必出现主轴箱(2’)振动和抖动的现象。另外在加工时，因切削力产生的偏截力矩，也会因主轴总成(14’)与线性导轨(18’)间的加工距离而增加。基于上述原因，国内外至今没有适用于大规格(工作台宽度)的、且精准度更高的高速立式铣加工中心、只有小规格的高速钻铣加工中心。

发明内容

本实用新型旨在为机床生产厂家提供一种巅覆力矩较小的主轴功能部件，即本实用新型带Z驱动的主轴功能部件。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件，其可分离与外部加工机床的床身固定连接，其包括主轴箱滑座(1)主轴箱(2)，其特征在于，所述主轴箱滑座(1)是呈凹槽状的长方体，其端面呈内凹形，沿垂直方向上往下延伸构成了一条凹槽(101)，所述凹槽(101)的两侧凸台面上，连接有一沿铅垂(Z)方向设置的主轴箱(2)，所述主轴箱(2)内安装有主轴总成(14)；所述凹槽(101)的两侧凸台面上，相对所述主轴箱(2)的两个边壁上分别利用第一螺钉(15)固定有三块线轨滑块(16)。所述主轴箱(2)对应所述线轨滑块(16)的位置处分别利用第二螺钉(17)固定有一沿Z轴方向设置的线性导轨(18)，所述线性导轨(18)与所述线轨滑块(16)相耦合可使所述主轴箱 (2)上的丝杆螺母(11)被夹持在所述凹槽(101)内，主轴箱嵌在凹槽(101)的两侧凸台面上并可沿其重心方向做铅锤运动，所述主轴箱滑座(1)其内凹形缺口相对的另一侧的侧壁上形成有一可分离与外部加工机床相连接的连接部(30)。

在优选的实施例中，所述凹槽(101)相对所述主轴箱(2)中心的两边的凸台壁上分别利用第一螺钉(15)固定有一线轨滑块(16)，所述主轴箱(2)对应所述线轨滑块(16) 的位置处分别利用第二螺钉(17)固定有一沿Z轴方向设置的线性导轨(18)，所述线性导轨 (18)与所述线轨滑块(16)相耦合可使所述主轴箱(2)被安装夹持在所述凹槽(101)两侧凸台面上内并可沿其中心方向做铅锤运动。

在优选的实施例中，所述主轴箱滑座(1)的顶部安装有电机(8)、Z向传动模块(9)和Z向滚珠进给丝杆(13)；所述Z向传动模块(9)驱动所述Z向滚珠进给丝杆(13)转动，并带动所述主轴箱(2)沿铅锤方向在所述凹槽(101)的两侧凸台面上内做上下进给运动。在优选的实施例中，所述连接部(30)包括一呈圆台状的、用于与外部连接结构之间呈间隙配合插接的连接块(31)，还包括多个均匀分布在所述连接块(31)外部的、用于通过紧固件与外部连接结构固定连接螺钉(32)。

本实用新型一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件的有益效果在于：主轴箱滑座形状呈凹槽状的长方体，凹槽的两侧凸台面通过线性导轨可分别连接固定主轴箱，凹槽的两个侧凸台壁上分别固定有一线轨滑块，主轴箱对应线轨滑块的位置处固定有一可沿Z轴方向设置的线性导轨，通过线轨滑块与线性导轨的耦合可使主轴箱上的丝杆螺母11被夹持在凹槽内，并可使主轴箱沿其重心方向做铅锤运动。本实用新型一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件有别于传统钻立式铣加工中心、立式数控铣床所采用的立柱+悬伸主轴箱的运动结构，使用本功能部件可最大限度的减少偏载力矩和悬伸力矩对主轴箱运动精度、静态精度和加工精度的的影响，从而使主轴箱能在少悬伸或零悬伸的情况下，沿铅垂方向高速运行。以解决主轴箱故有的悬臂力矩所造成的主轴箱的低头问题，长方形的主轴箱被夹持在呈长凹槽的两侧凸台面的主轴箱箱滑座上沿铅垂方向运行，极大的减少了巅覆力矩对主轴箱的冲击，解决主轴箱高速运行时的振动现象。有利于提高工件的加工精度和表面光洁度，巅覆力矩小了，有利于提高主轴的转速和提高Z轴的传动效率。

附图说明

图1为一实施例中一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件侧面意图。

图2为一实施例中一种带Z轴驱动主轴箱功能的内部结构剖示意图。

图3为图2施例中主轴箱滑座的横截面图。

图4为图3中主轴箱滑座与主轴箱安装后的横截面图。

图5为背景技术中传统立式钻铣加工中心的主轴箱截图。

图6为背景技术中传统立式钻铣加工中心的简易原理示意图。

图7为一实施例中安装有本实用新型一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件的立式加工中心截图。

图8为一实施例中安装有本实用新型一种带Z轴驱动的的主轴箱功能部件的简易原理示意图。

图9为安装有本实用新型可自动更换刀具的一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件的VMC855立式钻铣加工中心。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及附图对本实用新型的一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件作进一步详细描述。

本实用新型的一种带z轴驱动的主轴箱功能部件，旨在为机床生产厂家，提供一种悬伸力矩和偏载力矩都较小的一种带z轴驱动的主轴箱功能部件(模块)。该主轴功能部件可广泛应用于各种立式数控铣床、立式数控钻床。也可以用于数控龙门铣床。并使之成为相应的加工中心，如立式加工中心、立式数控铣立式数控钻床等。

请参见图1至图4，一种带z轴驱动的主轴箱功能部件，其包括主轴箱滑座1和可沿滑座1的重心方向做铅锤运动的主轴箱2；主轴箱滑座1上形成有一沿其垂直方向从上往下贯通延伸的凹槽101，滑座1一侧的端面形成有一与凹槽101贯通的内凹形缺口，凹槽101 内连接有一沿铅锤Z方向设置的主轴箱2，主轴箱2为长方柱型滑枕式，其内安装有主轴总成14；主轴箱滑座1的且与其内凹型缺口相对的另一侧的侧壁上形成有一可分离与外部加工中心相连接的连接部30。

连接部30包括一呈圆台状的、用于与外部连接结构之间呈间隙配合插接的连接块31，还包括多个均匀分布在连接块31外部的、用于通过紧固件与外部连接结构固定连接的螺钉 32凹槽101两侧凸台面相对主轴箱2的两个侧边壁上分别利用第一螺钉15固定有一线轨滑块16，主轴箱2对应线轨滑块16的位置处分别利用第二螺钉17固定有一沿Z轴方向设置的线性导轨18，线性导轨18与线轨滑块16相耦合可使主轴箱2被夹持在凹槽101两侧凸台面上并可沿其重心方向做铅锤运动。

滑座1的顶部安装有电机8、Z向传动模块9和Z向滚珠进给丝杆13；Z向传动模块 9驱动Z向滚珠进给丝杆13转动，并带动主轴箱2沿铅锤方向在凹槽101内做上下进给运动。

本实用新型一种带z轴驱动的主轴箱功能部件的可自动更换刀具的主轴功能部件，其主要通过将滑座1、主轴箱2、刀库3和Z轴传动模块于一体，使之成为一种悬伸力矩和换刀时间短、偏载力矩都小、Z速进给速度更快、主轴转速更高的新型功能部件，现以市场上量大面广的从VMC850立式加工中心为例，如图5所示，分析对比一下本实用新型与传统的VMC850立式加工中心(含台湾机)的区别，请同时参见图7至图8，本实用新型的可自动更换刀具的一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件，其通过连接部30连接在一立柱90的顶端的外侧壁上。参见图6和图8的偏载力矩对比示意图，其中图6为传统VMC855立式加工中心 (包括国产机、国产台湾机)的结构示意图，图8为配有本实用新型可自动更换刀具的一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件的新型VMC855立式加工中心。机床在加工时，主轴上的刀具在切除工件表面的加工余量时所产生的切削力，其Z向分力Fz，是施加在主轴上的切削分力。对立柱导轨而言，它就是一种偏载力。众所周知，偏载力与偏载距离之积即为偏载力矩。如图6所示：Z轴线性导轨18’到主轴总成14’中心的距离为628.5mm，这就VMC855立式加工中心的偏载距离，这个距离比较大。而图8中Z轴线性导轨18到主轴总成14中心的距离非常小，如图所示只有70mm，两者相差8.98倍之多，也就是说在同等切削条件下，传统 VMC855立式加工中心的偏载力矩是本实用新型的偏载力矩的8.98倍。偏载力矩(扭矩)计算方法详见如下：

1、扭矩计算：Mz＝Fp×L

图6中传统VMC855立式加工中心：Mz＝Fz×628.5

图8中配本实用新型部件的立式加工中心：Mz＝Fz×70

2、对比结果：在加工力相同的情况下，传统VMC855立式加工中心Z轴导轨承受的扭矩大约是本实用新型加工中心的.8.98倍，通过上述计算表明本实用新型的主轴箱的偏载力矩，远小于传统立式钻铣加工中心主轴箱的偏载力矩。偏载力矩是主箱振动之源，加工时的振动会随着加工速度、加工力的增加而增大。振幅会直接影响到导轨、主轴轴承的使用寿命，机床刚性和加工性能。为进一步提高主轴箱的刚性，本实用新型的主轴箱结构采用类似大型龙门机所用的滑枕式高刚性主轴箱结构，其刚性好、可以承受更高转速，加工性能也会有大幅提高，图9是一立式钻铣加工中心的实施例中，配有本实用新型一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件是一独立部件的创新后的VMC888立式加工中心，综上，本实用新型一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件，在实验的基础上优化改进和浓缩了主轴箱与立柱的结构，首先是改取消立柱的导轨，增加一个立柱为主轴箱滑座，加强布筋，将主轴箱滑座的座体设计成为一个高强度、高刚性、抗弯曲的双层壁的凹槽体，主轴箱在凹槽体内可沿滑座的重心方向做铅锤运动，其次是改悬臂式的主轴箱为长方柱形滑枕式主轴箱，第三是改导轨副的安装方式，将导轨安装在主轴箱两侧与主轴箱重心重平行的对称侧面上，而将两三对线轨滑块分别块镶嵌在凹形滑座体两内侧的凸台的两端面上，线轨滑块尽量贴近从而使主轴箱中的主轴中心，减少主轴箱悬伸距离。使主轴箱能在零较小的悬臂力矩的情况下，沿铅垂(重心)方向高速运行。解决了悬臂(伸)主轴箱故有的悬臂力矩所造成的主轴箱的低头现象、同时也解决了主轴箱的不平衡问题、主轴箱高速运行时的振动现象。而偏截力矩因主轴与导轨距离缩短而也得到了最大程度的改善。配有本实用新型可自动更换刀具的主轴功能部件的新型钻铣雕加工中心有别于传统钻铣加工中心所采用的直立柱与悬臂(伸)主轴箱的结构与安装方式，使用主轴滑座可最大限度的减少偏载力矩和悬伸力矩对主轴箱运动精度、静态精度和和加工精度的的影响，从而使主轴箱能在零悬臂力矩的情况下，沿铅垂方向高速运行，解决了主轴箱故有的悬臂力矩所造成的主轴箱的低头问题、主轴箱的平衡问题，很好的解决了主轴箱高速运行时的振动现象。

虽然对本实用新型的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化、是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的精神和范围内。

Claims (4)

1.一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件，包括主轴箱滑座(1)主轴箱(2)，其特征在于，所述主轴箱滑座(1)是呈凹槽状的长方体，其端面呈内凹形，沿垂直方向上往下延伸构成了一条凹槽(101)，所述凹槽(101)的两侧凸台面上，连接有一沿铅垂(Z)方向设置的主轴箱(2)，所述主轴箱(2)内安装有主轴总成(14)；所述凹槽(101)的两侧凸台面上，相对所述主轴箱(2)的两个边壁上分别利用第一螺钉(15)固定有一线轨滑块(16),所述主轴箱(2)对应所述线轨滑块(16)的位置处分别利用第二螺钉(17)固定有一沿Z轴方向设置的线性导轨(18)，所述线性导轨(18)与所述线轨滑块(16)相耦合可使所述主轴箱(2)上的丝杆螺母(11)被夹持在所述凹槽(101)内，主轴箱嵌在凹槽(101)的两侧凸台面上并可沿其重心方向做铅锤运动，所述主轴箱滑座(1)其内凹形缺口相对的另一侧的侧壁上形成有一可分离与外部加工机床相连接的连接部(30)。

2.根据权利要求1所述的一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件，其特征是：所述凹槽(101)相对所述主轴箱(2)中心线两侧凸台壁上分别利用第一螺钉(15)固定有一线轨滑块(16)，所述主轴箱(2)对应所述线轨滑块(16)的位置处分别利用第二螺钉(17)固定有一沿Z轴方向设置的线性导轨(18)，所述线性导轨(18)与所述线轨滑块(16)相耦合可使所述主轴箱(2)上的丝杆螺母(11)被夹持在所述凹槽(101)内，主轴箱被嵌在凹槽(101)的两侧凸台面并可沿其重心方向做铅锤运动。

3.根据权利要求2所述的一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件，其特征是：所述主轴箱滑座(1)的顶部安装有电机(8)、Z向传动模块(9)和Z向滚珠进给丝杆(13)；所述Z向传动模块(9)驱动所述Z向滚珠进给丝杆(13)，转动，使丝杆螺母(11)带动所述主轴箱(2)沿铅锤方向在所述凹槽(101)的两凸台面上作上下进给运动。

4.根据权利要求3所述的一种带Z轴驱动的主轴箱功能部件，其特征是：所述连接部(30)包括一呈圆台状的、用于与外部连接结构之间呈间隙配合插接的连接块(31)，还包括多个均匀分布在所述连接块(31)外部的、用于通过紧固件与外部连接结构固定连接的螺钉(32)。

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