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高性能加工中心的结构特点
作者:中国航天烽火机械厂 薛儒
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加工中心/FMS展厅
车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ...
Mazak公司的JoeKraemer工学博士在1995年提出高性能加工中心新概念。他着重强调了加工中心切削速度与加工零件精度的同时提高,它比高速切削机床更合理、更全面地反映了现代制造技术目前的发展方向。

高性能加工中心与高速加工中心的区别在于它除有一个能高速旋转的主轴,还设计了高精度的直线运动导轨、大功率主轴电机、精密主轴轴承、滚珠丝杠、高效伺服驱动电机以及先进的CNC系统等。因而使加工中心在高效率下加工出高精度的零件,大大提高市场竞争力。

1.直线运动导轨

加工中心的各轴向运动的速度和精度,对实现高速切削至关重要。JoeKraemer博士在为高性能加工中心下定义时指出,在机床主轴转速与刀具系统不变和保证满足加工零件精度的前提下,如果各轴向运动不能达到f=7.62-11.43m/min的进给速度,那就不能称之为高性能加工中心。但是要达到如此高的进给速度,采用普通机床的方形导轨是远远不能实现的。必须选用直线运动导轨。试验证明,直线运动导轨的磨擦系数仅为普通方形导轨的1/20。由于直线运动导轨的滚柱与导轨间的接触面积远远小于方形导轨,因而使功率消耗也降低为方形导轨的1/20,且能保持长时间的很少磨损,大大提高导轨的使用寿命。精密的直线运动导轨具有一个淬火硬度为HRC58-62的经精密导轨磨床磨削的直线形导轨,而不像普通方形导轨那样最少有一个V型导轨。因为两条直线形导轨的结构简单,因此容易加工、装配、测量以及能选择合适的滚柱直径等。

在机床开始沿直线运动时,直线运动导轨只需166kg力的力矩克服静摩擦,需69.2kg力的力矩克服动摩擦。而方形导轨则需346kg力的力矩克服静摩擦,103.8kg力克服动摩擦。因而,采用直线运动导轨可使机床的最高进给速度达63.5m/min,其中38.1m/min的进给速度用得最多。使加速度能在0.6-1.0g范围内。力口之直线运动导轨具有高的刚度,与工作台之间无间隙存在,因而很少产生振动,能加工出低表面粗糙度的零件表面,延长刀具的使用寿命。

2.精密的滚珠丝杠

机床滚珠丝杠直径及螺距的大小直接影响加工零件的精度,尤其是在进给量的切削条件下,采用直线运动导轨的高性能加工中心都选择小直径的细牙螺距的单头滚珠丝杠。也有的采用粗牙螺距的多头滚珠丝杠。一般采用伺服电机驱动滚珠丝杠的传动方案。但是,滚珠丝杠在工作中,滚动体作螺旋运动其自转轴线的方向是变化的,因而会产生陀螺运动。当陀螺运动中的陀螺力矩Mf超过滚珠体与滚道间的摩擦力时,滚动体将产生滑动,从而造成剧烈摩擦,使丝杠温度升高,同时振动和噪音增大,缩短了丝杠寿命,降低了滚珠丝杠的传动品质。为此开发出一种新型的高性能的滚动丝杠——行星滚柱丝杠,较好地解决了以上技术难题。

随着新技术的不断发展,在超高进给的情况下,工作台加速度将达到3g以上,因此移动件的惯性力也相当大。在进行机械部分设计时必须力求减小移动件的质量和回转件的转动惯量,进一步提高进给系统的刚度、灵敏度和精度。目前在加工中心上已采用由德国Ex-cell-o公司发明的大功率直线伺服电机,直接驱动工作台作直线运动,并与由碳素纤维增强塑料制成的轻型结构工作台和直线滚动导轨副匹配,实现高进给速度和高精度加工。

3.大功率机床主轴电机

在诸多影响选择机床主轴电机功率大小的因素中,最主要的有主轴锥度、加工中选择的切削用量(切除率)、零件大小和刀具尺寸等。选择大锥度主轴,能进行大功率切削,但是,有时为了快速地加速和减速,也可以采用大功率电机驱动小锥度主轴的方案。

对于大切除率加工,必须选用大锥度主轴和大功率机床主轴电机。零件材料对选择机床主轴电机功率影响不大。例如,对于锻件和铸件,并不要求大功率切削。但是选择在机床主轴高转速下加工,必须选择大功率电机。大零件加工也要选择大功率驱动是因为它需选用大直径刀具加工。

4.主轴轴承<.h1>
切削实验证明,在主轴前端安装一排向心止推轴承和一排滚珠轴承,在主轴后端安装两排滚珠轴承,为最佳的装配组合方案。它能保证在通常切削条件下主轴有好的刚性,能承受很大的侧向切削力,又能满足高速切削加工的需要。

主轴轴承的种类和规模大小必须能满足使用条件。尺寸大的轴承能提供高强度和高刚度。但是大尺寸轴承有两个缺点:

由于大轴承的质量大和轴承间的接触面积大,因而在高主轴转速下产生大量的热量。在大量的热量长时间地作用下会引起主轴尺寸—涨大,影响加工精度。

大质量的主轴还需要大功率电机才能驱动。尽管轴承内圈加有润滑油冷却,但是大轴承在高转速下使承载量和旋转惯量增大,因而所需功率加大。尤其是当主轴转速增加时,功率消耗增大。可是并不是所有的功率都消耗在切削加工上。例如,具有40马力的主轴,只能有15—20马力的功率作用于刀头上,其余则都用以旋转主轴。对于一个高功率主轴,它能尽可能地将大量的功率作用在切削工件上,能用很小的功率去驱动最高转速的主轴。作用在主轴上的功率大小,根据空载下旋转主轴的最高转速即可计算出机床所消耗的功率。因为在高速下切削,夹头和刀具在切削力作用下产生径向偏斜,不同心等引起附加力增大或产生不平衡的离心力等。

切削实践证明,用多排小直径轴承代替两排大直径轴承,将取得好的加工效果。因为小直径轴承重量轻,消耗功率小,发热量也小。使用多排小直径轴承,并不使主轴刚度受到影响,而且还对主轴轴承的载荷预加相当有利。轴承预加载荷通常指主轴在静态下作用在轴承上的压力大小,一般采用预加载荷来改善主轴刚度和加大切削能力。但是由于作用在轴承上的压力增大,发热量增大,因而也加速了轴承磨损。

为了提高刀具的切削性能和延长刀具的使用寿命,对多排轴承预加较小的压力,即能提高机床主轴的刚度,达到以,上目的。

从长远的观点上看,对磁力、气动和静压轴承的市场需求量将会大大增加。但是,目前在高速切削中,最常用的还是以下两种:向心止推轴承和滚珠轴承。在标准的机床主轴转速条件下,在主轴前端经常安装一排滚珠轴承和—排向心止推轴承,在主轴后端安装两排滚珠轴承。因为在主轴前端安装—排滚珠轴承能极好地提高主轴刚度增加主轴的承载能力。这一点对于重载切削至关重要。但是,因为滚珠轴承有较大的接触面积,比向心止推轴承的重量重,因此消耗功率大,产生热量大,容易引起主轴尺寸涨大,功率利用低。高速切削可减少作用在主轴和刀具上的径向力,这样,在主轴前端安装的向心止推轴承提供了足够的刚度和稳定性,避免了机床主轴受热而产生的尺寸膨胀。

合理地选择轴承材料同轴承种类同样重要。虽然由轴承钢制成的轴承目前仍被广泛使用,但实践证明,高速切削使用陶瓷轴承将表现出许多的优点。尽管轴承钢制成的轴承价格便宜,便其重量远比同样规格的陶瓷轴承重得多。由于重量重,高速切削中发热量大,必须配置复杂的冷却润滑系统。同时随着主轴转速的提高,使作用在轴承上的向心力增大,使轴承温度升高,引起主轴尺寸增大,影响加工零件的尺寸精度,同时使机床主轴所需功率增加。陶瓷轴承由于重量轻,将较好地解决这一技术难题。切削试验证明,陶瓷轴承使主轴尺寸增大的速度只为轴承钢轴承的1/40。原因是它在高速下切削只有很小的向心力作用在轴承上。

同时,为了提高机床主轴刚度和切削能力,在陶瓷轴承上还可施加很大的预加载荷。由于陶瓷轴承有以上特点,因而使其使用寿命增长。

现代机床主轴技术允许机床根据主轴转速,方便地调整作用在主轴轴承上的预加载荷。当机床主轴转速增加时,由于向心力增加,作用在轴承广的载荷也增加。反之,作用在轴承上的载荷减小。因而,使轴承上的热量减少,轴承尺寸膨胀减小。当然在高速切削下,也允许给轴承预加很小的载荷,这样作用在刀具上的切削力很小,因此可降低对机床刚度的要求。在低主轴转速下,给轴承预加较大的载荷,仍是必要的,因为在增加刀具切削力同时,作用在主轴上的作用力也增大了。

5. 主轴电机与传动系统

目前,机床主轴和电机之间有两种联接方式,一是通过皮带或齿轮;二是直接传动,即直接将主轴电机连接于主轴上,或是将主轴电机与主轴同时安装在一个复合装置上,称为复合主轴。

由皮带或齿轮传动的优点是,主轴电机在慢速下旋转也能获得高的主轴转速。这种传动方式,由于电机转速低,输入功率小,因而价格便宜,但它具有以下缺点:由于结构复杂,因而容易出现毛病,维修不方便。同时皮带、齿轮与主轴之间还会产生振动。切削试验证明,因存在振动,严重影响了加工质量,降低了刀具使用寿命。切削试验是在两个卧式加工中心上进行,一个选择最高转速7000r/min的两级齿轮传动主轴;另一个最高转速为10000r/min的直接传动的复合主轴。在切削参数一致的情况下,直接传动的复合主轴加工中心产生出的Ramax=2.7µm,而齿轮传动主轴加工中心为Ramax=4.3µm。同时前者由于结构简单,运动零件少,因而可靠性高。随着结构的进一步简化,运动零件进一步减少,还会使主轴能更快地加速和减速。相反,皮带或齿轮传动主轴包括主轴、轴座、电动机、皮带轮或齿轮等,每个零件由不同重量的材料构成,高速旋转下发生摩擦产生热。由于材料重量及作用力不同,各处产生的热量又不相同,因此引起主轴各处膨胀量大小不同,严重时,使主轴产生变形,影响主轴尺寸、几何形状等。而直接传动主轴则由于热变形均匀,同时直接传动主轴即使在超高速条件下,也可采取冷却液通过主轴内孔的冷却方式进行冷却。因而基本上不影响主轴精度,更能稳定地保证加工质量。

6.冷却与润滑

在切削加工中,如果不加注冷却液,将会引起主轴的尺寸膨胀。为保证机床主轴的高精度,就必须稳定地控制主轴和轴承有一个固定的尺寸。

目前,普通机床根据主轴结构不同,选择外冷、内冷方式或内外共同冷却方式对主轴、轴承进行冷却。但—般情况下,尽量采用外冷方式。通过冷却,将由刀头传递到主轴的热量排至空气中去。

研究发现,同样大小的陶瓷轴承与轴承钢轴承相比,不需要大量加注冷却润滑液。一个大直径的滚珠轴承,由于直径大,接触面积大,产生大量的摩擦热,建议选择内外共同冷却方式进行冷却。

为了有效地提高机床利用率,降低功率消耗,建:议采用雾状冷却或喷射冷却油主轴冷却系统进行冷,却。尤其是对于高速加工机床,建议根据机床主轴达:到的最高转速和轴承选用的材料,选择主轴冷却系统。根据机床主轴的转速及轴承外径校验,以确定选择的冷却系统。若两种轴承均选择轴承钢轴承,建议选择喷射油冷却系统。当然两者相比,后者需要提供大量的冷却润滑液,增大了机床的功率消耗。

7.机床与刀具接口

CAT型法兰式刀具夹头是多年来最常用的机床主轴与刀具接口。但目前使用最多的则为新型的中空短锥柄结构的HSK夹头。虽然HSK夹头价格昂贵,使用还受到一定的限制,仅它能在高的机床主轴转速下具有极高的稳定性和高配合精度,已受到各国用户的青睐。这是由于HSK夹头的结构先进,加工质量高,夹头采用了短锥面和端面与主轴定位、配合的结构形式,因而它与CATv型法兰式夹头比较,重量轻,夹紧可靠性高,定位精度高,重复精度高,且更换快速方便。

使用中可根据机床主轴最高转速、主轴锥度以及加工方法等选择不同锥度、平衡精度的HSK夹头。例如,在机床主轴转速10000r/min,主轴为ISO.40号锥度,应选择ISO.40号锥度的经预平衡的HSK夹头。而在25000r/min,主轴锥度为40号的机床上使用,应选择40号锥度的可进行现场平衡的HSK夹头。因为这种夹头的平衡精度高,加工零件尺寸精度高,表面粗糙度低。同时由于延长了刀具的使用寿命,因而降低—厂生产成本。尤其对于平衡精度高的夹头在20000—40000r/min的高速机床上使用,还有延长轴承使用寿命的优点。

一般情况下,单面的刀具/夹头平衡器即可能满足高速加工要求。而对于加长刀具,则应选择双面刀具/夹头平衡器对其进行平衡。

8.数控系统

现代CNC技术允许机床以38.1m/min进给速度加工。其主要原因是由于加工中能选择很高的切削速度加工。同时需要机床配备高转速和高分辨率的伺服电机。除此之外,为了保证高精度,还要求高分辨率的伺服电机具有快速处理信号的能力。例如,一个一秒钟能发出5000个电脉冲的伺服电机就不如一秒钟能发出25000个脉冲伺服电机处理信号的能力强。对于高分辨率的主伺服电机按加工程序要求的加工长度,不停地向轴伺服电机发出所需的脉冲数,尤其是对于亚微米级的超精加工尤其需要。它要求选择能使机床移动距离的最小增量为1µm,分辨率达0.5µm的伺服电机(即主伺服电机向各轴向伺服电机发出每个脉冲,机床工作台可沿轴向移动0.5µm)。当然,光有高分辨率的伺服电机而不增加处理器的运行速度是没有用的。因为高分辨率的伺服电机具有比它的前辈有更多的数据需要处理,所以要求字组处理的高速度。字组处理的高速度能快速处理数据和向分伺服电机快速发出脉冲。为此,一般在伺服电机上需要配置两个32位的处理器才能满足使用要求,才能快速处理好加工中收集的大量数据和涉及到高速加工中对复杂零件形状快速地进行复杂计算的需要。

当加工大型的形状复杂的飞机零件和塑压模具时,由于一般的NC系统的内存不够,一般需要先存入计算机内,同时由计算机输入NC系统(或称CNC系统)。当然对于程序不长、形状不太复杂的零件,则一般的NC系统即可满足使用要求,因为它具有每秒钟能处理76800个符号的传输速度。

为提高机床的快速进给能力和加工精度,需要开发新的计算机软件。根据实际加工需要,要求开发的软件不论在一般进给速度还是高速进给条件下,均能获得加工零件的高精度。

据报道,最近开发的高进给速度计算机软件能在396.24m/min进给速度条件下加工形状复杂的三维立体零件,例如飞机零件和塑压模具等,同时降低零件表面粗糙度。这是由于从理论上讲,为最后保持复杂形状零件加工的高精度,而需要无限制地增加走刀次数,但是,在进给量相同条件下,增加走刀次数,则将无限制地增加加工时间。如果这时同时也无限制地增加进给速度,则可保持在加工时间不变条件下,提高加工精度,降低零件表面粗糙度。这一点对于形状复杂的零件表面的加工尤其有着重要的指导作用。当然无限制地增加进给速度在实践中是不可能实现的。目前。也只能达到3810-7620m/min的进给速度。在此进给速度下适当地增加走刀次数,还是能保证目前的生产需要的。

为在选定的进给速度下提高零件加工精度,不仅可以通过适当增加走刀次数,而且可以通过最近开发的几何形状补偿软件,在较高生产效率下极好地保证加工质量。

几何形状补偿软件与高进给速度软件不同,后者用以提高机床进给速度或减少加工时间,提高生产效率,前者主要用以提高加工零件精度,其主要的功能如下:

预先对加速度或减速度进行插补。在圆弧插补加工中经常出现汇编的程序与实际加工之间存在很大的差异,其主要原因是由于刀具沿轴向移动中的加速度或减速度造成的超前或滞后所致。它可以通过对刀具运动产生的加速度或减速度造成的误差进行补偿。

对向前进给进行预先控制。除加工系统外,机床伺服控制系统本身的一些误差也能降低加工零件精度。新开发的向前进给控制系统,能根据加工程序、切削速度和进给速度等计算出可能产生的误差值,在实际加工误差出现前,对其进行补偿。

进行精密的矢量补偿。当机床进行高速加工时,需优先选择一种合适的进给速度。一般通过调整伺服电机中放大装置的放大系数得到。当将向前进给的放大系数调整到很大时,即可提高伺服控制对误差的跟踪速度。当然跟踪速度的提高将降低伺控制系统的稳定性。伺服控制系统缺乏稳定性,将会使加工出的零件表面粗糙度变坏。精密的矢量补偿系统就是用以对大型的选择微增量的零件加工程序进行校正。校正后的加工程序能稳定伺服控制系统,尤其是进给系统稳定的伺服控制系统能消除引起零件表面粗糙度变坏的振动。

选择合适的拐角加工减速度。在应用以上三种功能时,通常还要求各运动轴在零件的拐角加工处进行减速,以避免驱动系统在刀具快速转弯时产生冲击振动。它要求在给定的时间内减速到适当的进给速度下进行加工。

对高性能加工中心,不仅需设计出高转速的主轴,还需设计出高性能CNC系统、高精度直线导轨、精密滚珠丝杠、轴承、选择合适的冷却润滑方式、机床/刀具接口等。上述技术目前已用于生产许多高性能加工中心,用于生产实际,并取得了很好的经济与社会效益。
文章内容仅供参考 (投稿) (4/20/2004)
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