干式切削机床机械结构设计优化

虽然干切削机床是由湿切削机床发展而来，但在快速排屑、热稳定性和刚性等方面具有更高的要求，因此，其关键部件在结构设计中也有较大变化。目前适合干切削的机床有两类：一类是在现有机床的基础上，添加排除切屑的抽吸装置、微量润滑装置或冷风装置，这类机床目前用得比较多；另一类是针对干切削的切屑堆积和排出问题而设计的床身结构，使切屑易于落入切屑输送器中。有的机床甚至作更大的改动。

干切削机床的组成部件虽然与湿切削机床相似，但为了满足快速排屑的要求，其机床总体布局还是有很大的变化。图3-1所示为干切削加工金属切削机床的结构原理图。为使炽热切屑的热量不传给机床部件，排屑槽用绝热材料制造，而机床部件借助专用的封闭系统冷却。由于切屑积聚在工作区的安装处会破坏切削过程，使已加工表面的质量恶化，故工件和切屑隔绝。机床应配备压缩空气、吸尘和工作区密封的一些辅助装置。

图3-1 干切削加工金属切削机床的结构原理图

1.干切削机床支承件的设计

高速干切削对机床的要求主要针对机床的整体结构和辅助设施，机床床身是保证机床稳定性的基础大件，应采用热稳定性较好的整体铸造框架式或龙门式结构，最好应用绝热材料（如人造花岗岩等）或新型均热材料（如在铝材料中添加质量分数为2％的碳化硅得到的新型复合材料），增加绝热倾斜盖板。机床整体结构尽量简单，尽可能采用方便排屑的立式主轴布置，工作间宽敞明亮，内部减少凸台、凹槽，方便排屑，密闭工作间内增加通风设施。支承件是机床的基础大件，其结构应具有高的强度和刚度、较好的抗振性和热稳定性。常用的主要措施包括：铸件采用全封闭截面；合理布置内部隔板和肋条；含砂造型或填充混凝土等材料；导轨面加宽；车床采用倾斜的床身；床身、立柱采用钢质焊接结构以及采用热对称结构等。干切削机床的支承件结构设计时，必须对排屑和热稳定性问题予以足够的重视，其结构设计时应注意以下问题：

1）保证排屑顺畅。在结构允许的情况下，降低立柱高度。例如，三菱重工的CNC滚齿机采用工件主轴卧式布局的结构，其立柱的高度减少了一半，不仅有利于顺利排屑，还可减少机床支承件的热变形。在刀架下方的床身上设计出排屑槽，可保证切屑在重力的作用下，顺利落入排屑槽下的切屑传送装置上。

2）改善隔热条件，减少排屑过程中切屑传给机床部件的热量。例如，对于铸铁床身，采用保护罩来保护陡峭的倾斜壁，防止切屑与机床铸件之间的直接接触；排屑槽用绝热材料制造等。

3）采取均热结构。热变形影响加工精度的原因不仅仅是温升，更重要的是温度不均的影响。可采取的措施有很多，可以在床身的左右两侧以及顶部与底部设计四个相通的型腔，并注入油液，从而使床身顶部与底部、左侧与右侧都具有相同的温度；或者将金属管嵌入床身内对称分布的四个型腔粘滞材料中，并使控制温度的切削液循环通过这些金属管，不仅可均衡温度，还可增加阻尼，衰减振动，如图3-2所示。

图3-2 均热与减振的机床床身结构

1—吸尘 2—热补偿 3—刀具和工件安装处的绝热 4—排屑槽 5—吸尘装置 6—排屑用传动装置 7—封闭冷却系统 8—排屑用的压缩空气入口

4）采用专门设计的抗弯曲扭矩管状铸造床身，并在床身中添满疏松的聚合物材料。这样不仅床身的刚性好，而且吸振能力比普通的铸造床身高几十倍。或者采用热膨胀系数小的材料整体制造，如立柱与底座采用人造花岗岩（树脂混凝土）整体制造，人造花岗岩具有低的热导率、极好的振动阻尼特性（阻尼比平均提高40％～90％）以及无吸湿性等特点，而且铸件的加工制造及处理完全符合生态学要求。

5）减少机床的材料使用量。通常在制造精密产品或是大型物件时，机床结构必须满足所要求的刚性，因此，机床的体积往往会增大，不仅机床所用材料较多，驱动功率增大，而且占用较大空间。因此，在满足使用要求的情况下，为使机床轻巧化，减少了机床的材料使用量，减少功率消耗，充分利用环境空间，通常采用的方法有：

① 采用有限元分析等方法，去除材料，减少不必要的浪费。

② 多使用复合材料。

③ 采用蜂窝式结构。图3-3所示为采用蜂窝式结构的DMC65机床［加工范围：X（650mm）/Y（500mm）/Z（500mm）；最大速度：X（60m/min）/Y（60m/min）/Z（60m/min）；加工速度：X（10m/s²）/Y（10m/s²）/Z（10m/s²）；主轴速度：30000r/min；主轴功率：15kW］。

图3-3 采用蜂窝式结构的DMC65机床

a）DMC65机床 b）蜂窝式结构

2.主轴组件的设计

机床工作时，主轴组件夹持着工件或刀具直接参加成形运动，其工作性能对加工质量和生产率有重要的影响。因此，要求主轴组件旋转精度和静刚度高，抗振性好，热稳定性好，耐磨性好。目前在机床设计中常采用的结构是：高精度主轴轴承、混合陶瓷轴承、静压或动压轴承；角接触轴承（采用配对的背靠背组合方式，以提高主轴刚度）；采用油雾润滑装置以及主轴恒温的水冷装置（以保持主轴组件的热稳定性）；采用三支承主轴组件，以提高刚性等。此外，干切削机床主轴组件的结构还具有以下特点：

（1）干切削机床的主轴单元 干切削加工机床的主轴转速比普通机床高，多采用高速主轴单元，因而不仅要求主轴单元在很高的转速下旋转，具有很高的同轴度，同时还要具有大而恒定的转矩和过热检测装置及良好的动平衡性能。高速主轴应在短时间内实现升速和降速，并在指定位置快速准确停车，使用传统的带齿轮和离合器等中间传动系统，由于“打滑”振动、噪声大、转动惯性等因素已不再适用。往往采用将交流变频电动机直接装在机床主轴上，形成内装式电动机主轴，即电主轴（Elector Spindle）。图3-4为GD-2型电主轴单元，其电动机的转子与机床的主轴间是靠过盈套筒的过盈配合实现转矩传递的，其过盈量是按所传递转矩的大小计算出来的。目前电主轴的过盈套筒直径在33～256mm内有十几个规格，最高转速达180000r/min，功率达70kW。

设计机床的电主轴时，一般是根据用户的工艺要求，用典型零件的统计分析法来确定上述各参数。通常把同一尺寸规格的高速机床又分为“高速型”与“高刚度型”分别进行设计。前者主要用于航空航天工业加工铝合金、复合材料和铸铁等零件，后者用于模具制造及高强度钢、高温合金等难加工材料及钢件的高效加工。此外，还要选择较好的转矩—功率特性、调速范围足够宽的变频电动机及其控制模块。

图3-5为内埋式永磁同步电动机电主轴单元结构示意图。单元中的主轴部件由高速精密陶瓷轴承支撑于电主轴的外壳中，外壳中还安装有电动机的定子铁心和三相定子绕组。为了有效地散热，在外壳体内开设了冷却管路。主轴系统工作时，由冷却泵打入切削液带走主轴单元内的热量，以保证电主轴的正常工作。主轴为空心结构，其内部和顶端安装有刀具的拉紧和松开机构，以实现刀具的自动换刀。主轴壳体内有电动机转子，主轴端部还装有激光角位移传感器，以实现对主轴旋转位置的闭环控制，保证自动换刀时实现主轴的准停和螺纹加工时的C轴与Z轴的准确联动。

图3-4 GD-2型电主轴单元

a）电动机置于两轴之间

1—编码盘 2—电主轴壳体 3—冷却水泵 4—电动机定子 5—油气喷嘴 6—电动机转子 7—阶梯过盈套 8—平衡盘 9—角接触陶瓷球轴承

b）电动机置于后轴承之后

1—液压缸 2—拉杆 3—主轴轴承 4—碟形弹簧 5—夹头 6—主轴 7—内置电动机

图3-5 内埋式永磁同步电动机电主轴单元结构示意图

1—松刀气缸 2—切削液进口 3—定子铁心 4—定子绕组 5—冷却管道 6—主轴 7—轴承 8—电动机壳体 9—永久磁铁 10—转子铁心 11—切削液出口 12—反馈装置

除电主轴结构单元外，也可采用薄膜联轴器将电动机与主轴连为一体，从而实现主轴的直接驱动，这样有利于电动机的散热，省去了水冷却装置。缺点是增加了转动惯量，降低了角加速度。

此外，气动主轴单元和水动主轴单元也在研究开发中。但它们的输出功率更小，甚至小到几十瓦。

（2）主轴轴承 高速主轴单元设计中主轴轴承类型的选择与设计也非常关键，主轴轴承不但要有高的刚度和大的承载能力，而且要有较长的使用寿命。到目前为止，有四种轴承可选做高速主轴轴承，即滚珠轴承、空气静压轴承、液体静压轴承和磁悬浮轴承。

1）滚珠轴承在高速旋转时，滚珠会产生很大的离心力和陀螺力矩，此时的离心力远大于切削时作用于滚珠的力，故轴承设计的主要参数不再是工作载荷，而是转速，一般用转速特征值A表示，即

A＝nd_m

式中 n——转速；

d_m——轴承的平均直径。

因此，必须采取措施解决高速旋转中的离心力问题，这些措施包括：①尽量减小滚珠直径；②采取密度小的热压烧结Si₃N₄，陶瓷材料制作滚珠。

2）空气静压轴承用于高精度、高转速、轻载荷的场合。使用空气轴承的主轴单元，主轴转速可达150000r/min，但输出的转矩和功率很小，主要用于零件的光整加工。

3）液体静压轴承目前主要用于重载大功率场合。采用液体的动力和静力相结合的方法，使主轴在油膜中支撑旋转。其特点是径向和轴向圆跳动小、刚度高、阻尼特性好、寿命长，粗精加工均适用。

4）磁悬浮轴承是用磁力将主轴无接触地悬浮起来的新型智能化轴承。其特点是高速性能好，无接触、无摩擦、无磨损、高精度、不需润滑和密封，能实现实时诊断和在线监控。磁悬浮轴承是实现超高速转速理想的主轴轴承，但其中某些技术问题尚在研究中。

主轴采用新型材料制造，如日本Sodick公司采用陶瓷材料制造主轴，热膨胀系数低，质量较轻（比钢轻60％），具有高的刚性和精度。

使用特殊的断热联轴器（热导率是铁的1/200）分隔主轴电动机，隔断发热量大的电动机转子至主轴的热传导。

3.进给传动机构与导轨的设计

普通切削机床的进给传动机构为确保其传动精度和工作稳定性，在设计时，应遵循“无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度”的原则，在结构上通常采取的措施有：采用低摩擦、轻拖动、高效率的滚珠丝杠和直线滚动导轨；采用大转矩、宽调速的伺服电动机直接与丝杠相连接，缩短和简化进给传动链；通过消除间隙装置消除齿轮、丝杠、联轴器的传动间隙；对滚动导轨和丝杠预加载荷、预拉伸等。此外，干切削机床的进给传动机构和导轨还具有以下特点：

1）进给传动机构采用双滚珠丝杠或大直径、中心冷却的滚珠丝杠驱动，以保证足够高的刚性和稳定性。由于直线电动机进给机构有许多优点，在目前的机床进给系统设计中经常被采用。表3-1为直线电动机与滚珠丝杠副转动方式的性能比较。直线电动机进给单元包括：直线电动机、工作台滚动导轨、精密测量反馈系统等。该单元需要解决直线电动机的进给速度，工作台质量大小对进给单元的静动系统的特性影响，导轨的材料、结构与系统刚度，承载能力以及避免发热和爬行等问题。

表3-1 直线电动机与滚珠丝杠副传动方式的性能比较

2）采用三角组合导轨（见图3-6）。通过两侧导轨中央位置的第三根导轨，来消除运动部件在床身上的扭曲和翘起，以保证其刚性和稳定性。

3）采用滚动、滑动混合的导轨结构，导向导轨采用滚动导轨，以保证移动精度稳定可靠；承载导轨采用Turcite涂层矩形滑动导轨，以降低爬行，保证断续切削时的运动平稳，并改善阻尼，抑制振动。

4）直线滚动导轨采用三个导轨滑块，提高导轨的承载能力和刚性。

4.排屑机构的设计

图3-6 采用三角组合导轨

干切削时，为了降低工艺系统的切削温度，必须将切下的切屑快速排出。干切削机床常用的排屑装置有真空排屑装置（利用空气的减压将切屑从切削区吸走）、喷气排屑装置（利用压缩空气将切屑吹出切削区）和虹吸排屑装置（利用干燥的空气吸出切屑）。其中，真空排屑装置能及时将悬浮颗粒从机床内部吸走，因此，对于切削机床来说，它是最理想的吸尘装置。图3-7是适用于孔加工的真空虹吸系统原理图。

良好的机床设计应在机构上避免出现能聚集切屑的洼坑和高台，并用排屑螺旋与传送器尽快将切屑排出机床外。若采用工件在下、刀具在上的传统立式布局，则在工件下方安装排屑装置来辅助排屑。现在某些干切削加工机床上采用的倾斜导轨（与水平方向倾斜45°），借助重力来排屑，甚至出现了工件在上、刀具在下的布局，从下方清除切屑的方法，如图3-8所示。

图3-7 适用于孔加工的真空虹吸系统原理图

图3-8 从下方清除切屑的方法

1—雾状润滑剂 2—工作台 3—工件 4—主轴

图3-9是利用重力排屑的机床结构。在加工过程中，切屑由于重力作用，掉落在切屑输送器上，随即被从加工区排出。

从机床结构上不能有效解决排屑问题时，可用压缩空气等方法辅助排屑。压缩空气的压力为1.0～1.4MPa。在现有机床上可利用传输切削液的管道输送压缩空气，也可以采用真空泵系统，用吸气将切屑排除出切削区。排屑效果与切屑形状有关，因此，刀具及加工参数的选择应形成压缩机或真空泵系统便于清除的切屑形态。此外，机床应备有能保证切屑顺利收集和吸出的装置，以防止干切削过程中形成的切屑堆积，并将切屑中贮存的切削热传输给机床、刀具和工件。

日本某公司设计制造的切屑排出系统，内有螺旋式传动机构，能快速排出切屑。加工中形成的切屑由倾斜的保护导轨滑入切屑输送装置，而顺利排出加工系统，不会造成机床、刀具和工件的升温，保证了零件的加工质量。加工效果表明，切屑排出系统只对大体积切屑起作用，而对小体积、质量轻的切屑，则只有由真空泵吸出。对于大批量加工铸铁的干切削，建议使用空气过滤装置，以防止小体积、质量轻的粉末微屑飞至大气中污染空气。如果工作环境恶劣，机械加工车间还必须装备通风设备，以保证工人的身体健康。

图3-9 利用重力排屑的机床结构（垂直结构的夹具）

1—旋转夹具 2—工件 3—刀具 4—床头箱 5—切屑堆放小车 6—切屑输送器 7—排屑空间

5.MQL装置的设计

用MQL方法成功取代传统的湿切削加工必须解决两个关键问题，一是开发能保持传统加工性能的MQL装置；二是采用适宜的切屑排出方法。

最简单的MQL装置就是采用从刀具外部用一个或多个喷嘴提供压缩空气或最少量的切削液。这种方法特别适合对现有机床进行改造。但是，如果加工工件的品种较多，则往往需要针对相应刀具槽形而调节喷嘴位置。此外，喷嘴的对齐还存在受切屑、设备或工件碰撞所发生的非受控变化的限制，结果是空气喷嘴往往会偏离刀具。因此，在设计新机床时，通常是将压缩空气或最少量的切削液穿过主轴供给到切削区，这种冷却供应方法特别适合深孔加工，如图3-10所示。

图3-10 最少量油雾润滑的供应方式

a）外部冷却 b）内部冷却

MQL方法通常是将压缩空气和一定量的切削液混合供给到切削区。压缩空气和一定量的切削液的混合方式有两种，即主轴内部混合（见图3-11）和主轴外部混合（见图3-12）。与主轴外部混合方式相比，主轴内部混合方式有诸多优点：即混合距离短、刀具的冷却效果好；切削液是通过定量泵供给，供液量的多少易于控制，可针对不同刀具设置不同的供液量；容易传输大尺寸液滴，产生的蒸发雾气少；易于在MQL方法和传统的加工方法之间实现转换，不需要更换主轴和轴承。因此，主轴内部混合方式是采用较多的一种方法。

图3-11 主轴内部混合方式

图3-13给出了主轴内部混合方式和切削液定量供给系统原理图。

主轴内部混合方式和主轴外部混合方式可根据机床类型进行选择（见表3-2）。例如，加工中心可采用主轴内部混合方式，其他场合则可采用主轴外部混合方式。

图3-12 主轴外部混合方式

图3-13 主轴内部混合方式和切削液定量供给系统原理图

表3-2 主轴内部混合方式和主轴外部混合方式机床类型选择

通过前面的分析，可以将干切削加工机床的设计要点总结为以下几方面：

1）干切削加工机床的设计主要应考虑热应力和切屑的控制。

2）机床必须结构简单、具有快速的排屑装置。

3）机床有封闭、内装的冷却系统，以保证切削过程的稳定性。通过合适的刀具设计，使加工黑色金属时不产生长的带状切屑，带状切屑是产生热变形的根源；用温度传感器监视切削区温度；在夹具或刀具内装有测微器进行温度补偿。

4）干切削时产生的灰粒，除用常规系统外，还要用加压系统，阻止灰粒进入主轴驱动系统和紧密的液电支持系统。

这些设计要点将逐渐体现到现代机床的设计中。