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高速加工機床的設計與利用

作者:AM8亚美来源:[AM8亚美公司]访问:097时间:2019-11-13

高速加工機床是基於現代刀具材料的發展,為滿足航空,航天,汽車和模具等行業的發展需要而在數控銑床,加工中間的基礎上發展起來的高效,高性能加工機床,是以,它的基本特征不僅是切削速度高(是常規切削速度的5~10倍),進給/快移速度快(達40m/min至180m/min),加減速度大(現多為1g~2g),而且還包含有刀具和或工件交換的時間短(在數秒至1秒以內)和經常具有多軸聯動功能等特點.一,高速加工機床的優點高速加工機床具有諸多優點,如:1.生產效率高,材料往除率是常規切削加工機床的3~6倍,從而可大大縮短零件的加工時間和製造周期;2.切削力比常規速度時少30%~50%和約30%以上的切削熱將被切屑所帶走,所以工件溫升和變形少,有益於進行薄壁件切削和進步加工精度;3.由於切削速度高,切削過程中產生的強迫振動頻率一般闊別了機床工藝係統的固有頻率,故切削過程更平穩,有益於進步加工表麵質量和刀具壽命,免掉很多費時費工的人工順序作業;4.很多機電產品所用的零部件,無論是單件或批量需求的,都可在相應的高速加工機床(如多軸聯動的高速加工中間和車銑中間)上進行多工序複合加工甚至一次裝夾實現全部加工.是以,高速加工機床自上世紀八十年代中期出現以來,便受到人們普遍的重視.隨著有關技術,如高速電主軸,直線電機,功能強,性能好的數控伺服係統等的快速發展和日益完善,高速加工機床的生產與利用,現已變得很普遍;不僅大的國際馳名的機床製造廠商能生產,一般的國內外機床廠也在開始製造,而且成了世界機床業中搶先開發的主導產品,不僅模具,航天,航空等行業在進行單件或小批生產中利用,在汽車乃至一航機械製造業中進行批量生產時也在廣泛使用,從而成了這些行業中的主流加工設備.然而,為了更好地成功開發和充分地公道地利用高速加工機床,本人覺得,高速加工機床的設計,製造者和利用者仍應對下列諸方麵的題目有更多,更深刻的理解和研究,並善於學習,總結和創新.二,高速加工對機床結構的基本要求和設計原則由於高速加工中的切削速度,進給速度和加減速度都大,是以機床的發熱量,活動部件的慣量也大,輕易導致機床結構的過量溫升,熱變形和產生衝擊振動,終究會影響到加工精度,質量乃至機床和刀具的工作壽命和可靠性.所以,高速加工對機床結構的基本要求,首先是要三高,即靜剛度高,動剛度高和熱剛度高,也就是說,"三剛"特性要好;其次是活動部件要輕量化,即要盡量減少傳動係統的慣量.為此,機床結構設計應采取的原則措施是:1.為了進步結構的靜剛度,首先是選擇彈性模量大的材料,如鋼,鑄鐵等作為結構件的基本材料;其次是根據受力的性質(拉,壓或扭)和條件(力的大小,方向和感化點)選擇公道的結構截麵外形,尺寸,筋壁布置和機床的整體布局;三是結構件間的接合麵要平整,麵積大小要適當,接觸點在接合麵上的分布要均勻,連接要牢固等;四是盡量采用箱形和整體型結構.2.為了進步結構的動剛度,首先是在保證靜剛度的條件下,選擇阻尼係數大的材料,如人造花崗岩,鑄鐵等作為基礎結構件的材料;二是通過模型試驗或模態分析公道設計和調整結構的質量分布和結構接合麵的剛度值,以改變結構係統本身的固有振動頻率,使其闊別切削過程中所產生的強迫振動頻率,避免產生共振的可能性;三是成心采用能增加附加阻尼的結構設計,如帶夾芯的雙層壁鑄件和非連續焊接的焊件等;四是直線活動部件的支承導軌麵間間隔要盡可能寬廣,驅動力的感化線要居中並盡可能靠近活動部件的重心,傳動鏈中應無反向間隙,以保證活動平穩,無衝擊.3.為了進步結構的熱剛度,原則上首先應采用熱容量大,熱脹係數小的材料和熱脹係數相近的材料作為結構材料;其次是根據機床上的熱源和溫度場的分布情況,盡量采用熱對稱和方便散熱或強迫冷卻的結構,包括采用熱補償措施的結構等,以減少熱變形帶來的對機床幾何精度和工作性能的影響.4.為了減少活動部件的重量和傳動係統的慣量,一是選用比重小的材料,如鋁合金和複合材料等,作為活動部件的結構材料;二是在保證剛度和承載能力的條件下,盡量往除多餘的材料;三是采用直接傳動,簡化傳動係統,縮短傳動鏈,以進步機床的活動品質.現實中能同時滿足上述條件要求的材料和結構是沒有的,隻能按實際要求進行綜合評估後選取.三,高速電主軸單元高速加工的典型利用是以小直徑的硬質合金銑刀來對各種材料的模具,模型和鋁合金件進行銑削,機床主軸轉速是根據現代刀具材料所能達到的經濟公道切削速度範圍(圖3)和按此速度及不同的銑刀直徑所計算得的刀具/主軸轉速(圖4)來確定.可見除切削鈦或鎳合金時,由於刀具所能達到的公道切削速度較低 (300m/min以下),刀具主軸最高轉速可在10000r/min以下外,其他材料的切削所要求的刀具/主軸最高轉速都在10000r/min以上, 甚至要求達到50000r/min至80000r/min.如此高的主軸轉速,采用一般機床用的主傳動結構(電機加皮帶輪和齒輪傳動)方式是不可能實現的,一般都需采用由變頻調速電機和機床主軸集成在一起的所謂"電主軸"直接驅動來實現. 電主軸是通過交流變頻調速和矢量控製來實現主軸的寬調速的.它的優點不僅是簡化了主傳動結構,減少主傳動係統的轉動慣量,而且降低了功耗,進步了實現更高主軸速度和加減速度的能力,從而也可實現定角度的快速準仃(C軸控製)功能,這對高速加工機床是十分首要的.當然,高速主軸本身的設計製造會涉及很多特殊題目,如主軸(電機轉子)支承的結構型式和潤滑方式,電機的發熱和冷卻措施,主軸和刀具的連接和動平衡題目等,好在這些題目已有很多科研單位進行了研究和解決,高速電主軸單元在國內外均有了專門的生產廠家進行了專業化,係列化的生產,機床設計製造者隻需根據加工對象要求,確定所需的主軸轉速和扭矩範圍來公道地選用就是了.四,高速進給係統高速進給係統是高速加工機床極其首要的構成部份,對它的設計要求,首先該當是能提供高速切削時所要求的高的進給/快移速度和加減速度;其次是應具有所要求的調速寬度和軌跡跟蹤精度;同時還應有很好承受動,靜載荷的能力和剛度,從而保證高速加工應有的效率和質量.決定高速進給係統上述性能要求的身分首要有三個方麵:即進給活動的傳動方式,各軸進給活動間的相互結構聯係和數控伺服控製係統.1.進給活動的傳動方式高速進給活動的傳動方式,目前廣為利用的首要有兩種:一種是回轉伺服電機通過滾珠絲杠的間接傳動,另一種是采用直線電機直接驅動.通過滾珠絲杠間接傳動方式的優點是技術成熟,結構相對簡單,加速度特性受活動部件載荷變化的影響較小,且目前已有很多國內外廠家進行標準化,係列化和模塊化的專業化生產.但是普通傳動用的滾珠絲杠,由於存在慣量大,導程小,又受到臨界轉速的限製等,其所能提供的進給/快移速度隻有 10~20m/min,加速度為0.3g,滿足不了高速加工的要求,是以,高速加工用的進給滾珠絲杠普遍采取如下的改進措施.加大絲杠的導程和增加螺紋的頭數,前者為進步絲杠每轉的進給量(即進給速度),後者則為彌補絲杠導程增大後所帶來的軸向剛度和承載能力的下降.將實心絲杠改為空心的,這既是為減少絲杠的重量和慣量,也是為便於對絲杠采取通水內冷,以利於進步絲杠轉速,進步進給/快移速度和加速的能力,減少熱影響; 改進回珠器和滾道的設計製造質量,使滾珠的循環更流暢,摩擦損耗更少; 采用滾珠絲杠固定,螺母與聯結在移動部件上的伺服電機集成在一起完成旋轉和移動,從而避開了絲杠受臨界轉速的限製等.經過采取這些改進措施後,滾珠絲杠傳動的進給方式可提供的進給/快移速度達60m/min~90m/min,加速度可達1~2g.但是由於受到道理結構的限製,要想進一步進步滾珠絲杠傳動的活動速度和加速度很難了,而且受絲杠的可製造長度限製,滾珠絲杠傳動所能提供的活動行程也是有限的.與上述的通過滾珠絲杠間接傳動的方式相比,采用直線電機直接驅動的首要特點和優點是將伺服電機的定子和動子分別直接與機床床身及移動部結合在一起,沒有了中間環節,傳動鏈的長度縮短為零,即實現了所謂的"零傳動",從而大大進步了機械剛度,減少了傳動係統的慣量,獲得更高的速度和加速度能力,並易於控製係統的阻尼力和動態特性,直線電機最高的進給/快速度可達120m/min乃至240m/min,加速度可達2~10g;行程長度可不受限製;適應性強,靈敏度高,隨動性好,不存在反向間隙,可利用直線光柵尺作為丈量反饋元件,實現全閉環控製,以獲得更高的定位精度和跟蹤精度等.但是,直線電機直接驅動也存在一些缺點:如效率低,功耗大,結構尺寸和自重也相對較大;工作過程溫升高,要求強冷卻;因受磁場力影響易於吸引鐵屑和金屬物,故需考慮防磁措施等,特別是要重視的是它的加速度值直接反比於活動部件的載荷量(工作台/滑座自重加上工件及其他外載荷),即對活動載荷較敏感,故宜用於活動件載荷恒定或變化量不大的場合,在載荷變化重大的情況下,必須能在數控編程時予以考慮,否則不能保證加工所要求的效率和質量.另外,直線電機直接驅動不具自鎖能力,設計和使用中應重視考慮外加製動措施,特別是在垂直軸進給係統中使用時,尤要重視.五,各軸進給活動的相互結構聯係如同一般加工機床一樣,高速加工機床一般都有2個以上,多至5個進給活動軸,這些活動軸間的相互結構聯係,目前存在著串聯,並聯和混聯三種型式.串聯結構是傳統機床普遍采用的型式,其特點是各活動軸的布局采用笛卡爾直角坐標係,機床床身,立柱,溜板,工作台/轉台和主軸箱等部件分別通過相應的導軌支承麵串聯在一起的,各軸活動均可單獨地獨立進行,由於是串聯,各活動部件的重量往往都較大,且不一致,需特殊調整方可保持各軸加速度特性的一致性;進給係統的結構件不僅受拉,壓力,而且受彎,扭力矩1頁

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