金切机床技术发展动向 点击：149 | 回复：0
发表于：2008-09-18 10:24:01
楼主
| 数控化是金切机床最重要的发展方向，而数控机床也早已成为世界机床市场的主流产品，故本文对金切机床技术发展动向的研讨，是围绕数控金切机床来进行的。 高速化、精密化 高速切削加工不仅可以提高生产效率，而且可以改善加工质量，所以自上世纪90年初以来，便成为机床技术重要的发展方向，各国相继推出了许多主轴最高转速每分钟1万转至几万转的加工中心和数控铣床。至於车床，由於其本身的原因(车削工件的外径相对较大、主轴转速过高离心力增大会使工件夹持力下降)，其主轴转速达到某一界线後近几年似乎徘徊不前，譬如目前中型车床的最高主轴转速一般不超过8000r/min，但提高进给(含快移)速度和加速度的步伐则没有停滞。 高速切削方兴未艾，这主要表现在下述四方面：切削速度的提高还大有潜力，比如铣削灰铸铁的切削速度目前最高2000 m/min，而其目标值为5000 m/min；高速切削加工正与硬切削加工、干和准干切削加工以及超精密切削加工相结合；高速切削加工正从铣削向车、钻、镗等其它工艺扩展；高速切削加工正向较大切削负荷方向扩展。 另一方面，随着高新技术的发展和机电产品更新换代速度的加快，对零件的精度要求愈来愈高，已有一小部分零件的形位和(或)尺寸精度小於1µm甚至0.1µm，目前超精密切削加工的精度正从亚微米级向毫微米级提高(粗糙度已达纳米级)。而更为普遍的是现阶段已有相当一部分零件的精度已进入微米级或接近微米级，用高效率的加工方法加工这一部分零件已成为当今制造业的迫切要求，在刀具等相关技术的配合下，出现了高速高精(度)加工的切削机床，主要是加工中心和数控铣床。 当今所谓高速高精加工机床，则不仅要有高的切削速度，而且要有高的进给(含快移)速度和加速度(加工中心还要有快的换刀速度)，同时应当具有微米级的加工精度。 显而易见，高速高精加工机床不仅要有良好的几何精度和运动精度，而且还需改善机床的静、动态特性和热特性，同时要力求移动部件轻量化，为此开发出了着名的“箱中箱”结构。本文不拟多讨论这种机床的总体设计问题，而是?重研讨其中对机床速度和精度影响巨大的主轴单元和进给系统。 当前高速高精加工机床一般都使用矢量控制的变频驱动电主轴(电机与主轴一体化)，常内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的准确配合，电机定子和主轴轴承用恒温水循环冷却。所使用的主轴轴承主要是定时定量油气润滑的高精度陶瓷球角接触球轴承(dmn值小於250×104)，转速不太高的机床也有采用脂润滑的。主轴与刀具的接口以适合高速加工的HSK等接口为主，但也可选择传统的7:24锥孔。对精度的要求，主轴径向跳动小於2µm，轴向窜动小於1µm，轴系不平衡度达到G0.4级。预计在2010年前，油气润滑的陶瓷球轴承电主轴依然是主流(通过改进dmn值将提高至300×104)，空气静压轴承电主轴和磁浮轴承电主轴仍会比较少。不过电主轴所使用的电机，则不仅有异步交流感应电机，还会有同步永磁电机，後者在相同功率下外形尺寸较小且转子为永久磁铁不发热。 高速高精加工机床的进给驱动，主要有“回转伺服电机＋精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动”两种类型。此外，新兴的并联机床也易於实现高速进给。滚珠丝杠由於工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高(ISO3408 1级)，而且实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。提高滚珠丝杠进给(含快移)速度和加速度主要采取以下措施(以直径45mm的丝杠为例)：适当提高转动速度(从2500r/min提高至3000r/min)；加大导程(从12mm加大到20或30mm)；增加螺纹头数以提高承载能力(从1头增至2或3头)；采用“中空冷却技术”控制丝杠温升和改进结构以提高滚珠链的流畅性。当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min，加速度1.5g。 滚珠丝杠毕竟是机械传动，从伺服电机到移动部件间有一系列机械元件，势必存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应造成运动滞後和其它非线性误差，目前滚珠丝杠副的移动速度和加速度已提高较多，再进一步提高的余地有限。而1993年开始在机床上应用的直线电机直接驱动，由於是没有中间环节的“零传动”，不仅运动惯量小、系统刚度大、响应快，可以达到很高的速度和加速度，而且其行程长度理论上不受限制，定位精度也易达到较高水平(基本上取决於位置反馈检测元件)，是高速高精加工机床特别是其中大型机床较理想的驱动方式(图3)。目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达208 m/min，加速度2g(Mazak的HMCF3-660L加工中心)，并且还有发展余地。 直线电机直接驱动也存在一些缺点和问题，除控制难度大(中间没有缓冲环节和存在端部效应)外，还必须解决散热、隔磁、足够的推力、自锁和移动部件轻量化等方面的问题，才能在机床上实际应用，同时成本较高也影响其推广应用。目前这些问题都已得到不同程度的解决，采用者愈来愈多。交流直线伺服电机也有感应式和同步式两大类，同步式(次级为永久磁钢)由於效率高、推力密度大、可控性好等优点，尽管其对隔磁防尘要求较高和装配较困难，现在也已成为机床用直线电机的主流。 在高速高精加工机床领域，直线电机驱动和滚珠丝杠驱动虽然还会并存相当长一段时间，但总的趋势是直线电机驱动所占比重会愈来愈大，很有可能在不久的将来成为此种机床进给驱动的主流。现在世界各国的知名机床制造商(比如以发展滚珠丝杠驱动闻名於世的日本Mazak公司和韩国的大宇公司)都纷纷推出直线电机驱动的机床，而德国的DMG 公司，2001年便已销售装有直线电机的机床约1,000台，2002年要翻番，计划为2,000台。种种迹象表明，直线电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。 复合化、多轴化 柔性制造範畴的机床复合加工概念，是指将工件一次装夹後，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部加工工序。就棱体类零件而言，加工中心便是最典型的进行同一类工艺方法多工序复合加工的机床。不同类工艺方法复加合工的机床目前还比较少，可对模具进行铣削和激光复合加工的机床DMU60L便是其中一个代表。事实证明，机床复合加工能提高加工精度和加工效率，节省占地面积特别是能缩短零件的加工周期，因而愈来愈受到人们的重视。 随着5轴联动数控系统和编程软件的降价和普及，5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点，由於加工自由曲面时使用球头铣刀的数控编程比较简单，但3轴联动控制的机床无法避免切速接近於零的球头铣刀端部参予切削，而采用5轴联动控制的机床，就能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率。 5轴联动控制的加工中心和铣床一般可分为三种形式：第一种是机床除3个移动轴外，2个摆动轴是由复合主轴头来实现，由於电主轴出现後复合主轴头结构已大为简化，而且这种结构形式还易於实现5面加工，因而为许多这类机床特别为其中的大型机床所采用；第二种是两个转动轴分别由主轴头摆动和工作台回转来实现，这种结构形式工作台能承受较大重量而且可采用标准的交换工作台，主轴头也可使用大功率主轴，常为中型机床所采用；第三种是采用数控回转摆动工作台，两个转动轴都由工作台来实现，这种结构易受工件重量的牵制。最近，国外还在研究6轴联动控制使用非旋转刀具的加工中心，虽然其加工形状不受限制且切深可以很薄，但加工效率太低一时尚难实用化。 旋转体件的复合加工是热点，机床复合加工功能随控制轴数的增加而增加，除了应用较多具有铣削功能的3轴控制(X、Z、C)车削中心外，又推出了可钻削或铣削偏离工件中心之孔或槽的4轴控制(X、Y、Z、C)车削中心，而近几年开发的重点则是5轴控制(X、Y、Z、B、C)的车铣中心。5轴控制的车铣中心，既增加了B轴(使刀架绕丫轴摆动)以钻斜孔和铣斜面，又能够对曲面进行多轴联动铣削，更重要的是对机床结构作了重大改进，它不使用转塔刀架而代之以大功率、高转速的电主轴刀架。由於电主轴每次只能装一把刀(车削时电主轴被锁住不回转)，故也要像加工中心那样配备自动换刀机构和 热门招聘
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