立式数控机床是传统的数控加工中心最主要的结构形式。图2-2所示为一典型的高速立式加工中心的结构。其特点是刀具主轴垂直设置,能完成铣削、镗削、钻削等多工序加工,其加工适应性较好。
传统的立式加工中心布局是定立柱十字工作台,即X、Y方向由工作台移动,而Z方向由主轴箱在立柱上移动,刀库在立柱一侧。立式的高速加工中心要求速度加快后,由于工作台的质量较大,不易实现高速移动,特别是严重影响加速度,因而立式的高速加工中心通常采用的方式是将其中的一个轴保留由工作台移动,而其他两个轴进给集中在立柱上方。如图2-2所示,将X向导轨置于立柱上方,Z轴导轨置于X轴滑板上。机床结构设计时保证了X、Y、Z轴均无悬臂现象,从而保证了机床在全程内都有良好的加工精度。导轨和机床设计成一体铸件,保证了机床良好的刚性和超高的精度。高速立式加工中心可以采用定梁顶置滑枕式,如图2-3所示。这种布局结构的优点是:床身、立柱分体,且主要构件均呈箱形结构,加工中不易变形,加工工艺性好;结合面较大,基础稳固,主轴悬伸小,整体结构刚度高;左右完全对称式设计,主轴的X向热平衡较好;Y向悬伸小,热变形影响小;X、Y、Z轴移动部件质量轻,加速性好;构件结构稳固易于保证导轨运动精度,精度稳定性好。滑座采用顶置式结构,其特点为高刚性轻型设计,使运动单元灵活,适应高速要求。滑座沿立柱导轨作X向运动,加长导轨支承长度,运动时滑座始终不离开导轨,易保证直线度、定位精度和加工精度。工作台只作单方向(Y向)移动,与十字工作台结构相比,其移动部件质量轻,且承重大。另外工作台沿导轨方向运动,结构刚性好,运动精度高,避免了传统机床工作台移动到两端后直线度降低或超差的问题。扁长的主轴箱结构,使主轴重心尽量靠近X向导轨,主轴中心与导轨距离比传统机床减少近一半,这样主轴悬伸小,受弯矩小。另外导轨安装在主轴箱上,滑块在滑座上,大大增强了Z向刚性,提高了加工精度和运动稳定性,以及定位精度。
另外,高速加工中心的刀库和换刀装置因安装在工作台的一侧,由立柱快速移动到换刀位置进行换刀,这样可以减轻移动立柱的总体质量。
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图2-2 高速立式加工中心
图2-3 定梁顶置滑枕式高速立式加工中心
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