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機(jī)械社區(qū)

標(biāo)題: 高速加工機(jī)床的設(shè)計與應(yīng)用 [打印本頁]

作者: 天氣 時間: 2006-7-17 08:38
標(biāo)題: 高速加工機(jī)床的設(shè)計與應(yīng)用
高速加工機(jī)床的設(shè)計與應(yīng)用

摘要:本文分兩部分綜合介紹了有關(guān)高速加工機(jī)床的設(shè)計與應(yīng)用的一些基本知識,指出了:善于對各種可選的設(shè)計技術(shù)方案和加工工藝方法進(jìn)行綜合分析與評估,并善于學(xué)習(xí),總結(jié)經(jīng)驗,指導(dǎo)新的實踐,才是設(shè)計好和應(yīng)用的高速加工機(jī)床的關(guān)鍵.

高速加工機(jī)床是基于現(xiàn)代刀具材料的發(fā)展,為滿足航空,航天,汽車和模具等行業(yè)的發(fā)展需要而在數(shù)控銑床,加工中心的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高效,高性能加工機(jī)床,因此,它的基本特征不僅是切削速度高(是常規(guī)切削速度的5～10倍),進(jìn)給/快移速度快(達(dá)40m/min至180m/min),加減速度大(現(xiàn)多為1g～2g),而且還包含有刀具和或工件交換的時間短(在數(shù)秒至1秒以內(nèi))以及常常具有多軸聯(lián)動功能等特點.

一,高速加工機(jī)床的優(yōu)點

高速加工機(jī)床具有諸多優(yōu)點,如:

1.生產(chǎn)效率高,材料去除率是常規(guī)切削加工機(jī)床的3～6倍,從而可大大縮短零件的加工時間和制造周期;

2.切削力比常規(guī)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,有利于進(jìn)行薄壁件切削和提高加工精度;

3.由于切削速度高,切削過程中產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動頻率一般遠(yuǎn)離了機(jī)床工藝系統(tǒng)的固有頻率,故切削過程更平穩(wěn),有利于提高加工表面質(zhì)量和刀具壽命,免掉許多費時費工的人工順序作業(yè);

4.許多機(jī)電產(chǎn)品所用的零部件,無論是單件或批量需求的,都可在相應(yīng)的高速加工機(jī)床(如多軸聯(lián)動的高速加工中心和車銑中心)上進(jìn)行多工序復(fù)合加工甚至一次裝夾實現(xiàn)全部加工.

因此,高速加工機(jī)床自上世紀(jì)八十年代中期出現(xiàn)以來,便受到人們普遍的重視.隨著有關(guān)技術(shù),如高速電主軸,直線電機(jī),功能強(qiáng),性能好的數(shù)控伺服系統(tǒng)等的快速發(fā)展和日益完善,高速加工機(jī)床的生產(chǎn)與應(yīng)用,現(xiàn)已變得很普遍;不僅大的國際有名的機(jī)床制造廠商能生產(chǎn),一般的國內(nèi)外機(jī)床廠也在開始制造,而且成了世界機(jī)床業(yè)中爭先開發(fā)的主導(dǎo)產(chǎn)品,不僅模具,航天,航空等行業(yè)在進(jìn)行單件或小批生產(chǎn)中應(yīng)用,在汽車乃至一航機(jī)械制造業(yè)中進(jìn)行批量生產(chǎn)時也在廣泛使用,從而成了這些行業(yè)中的主流加工裝備.

然而,為了更好地成功開發(fā)和充分地合理地應(yīng)用高速加工機(jī)床,本人以為,高速加工機(jī)床的設(shè)計,制造者和應(yīng)用者仍應(yīng)對下列諸方面的問題有更多,更深刻的理解和研究,并善于學(xué)習(xí),總結(jié)和創(chuàng)新.

二,高速加工對機(jī)床結(jié)構(gòu)的基本要求和設(shè)計原則

由于高速加工中的切削速度,進(jìn)給速度和加減速度都大,因此機(jī)床的發(fā)熱量,運動部件的慣量也大,容易導(dǎo)致機(jī)床結(jié)構(gòu)的過量溫升,熱變形和產(chǎn)生沖擊振動,最終會影響到加工精度,質(zhì)量乃至機(jī)床和刀具的工作壽命和可靠性.所以,高速加工對機(jī)床結(jié)構(gòu)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;其次是運動部件要輕量化,即要盡量減少傳動系統(tǒng)的慣量.為此,機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)采取的原則措施是:

1.為了提高結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)件的基本材料;其次是根據(jù)受力的性質(zhì)(拉,壓或扭)和條件(力的大小,方向和作用點)選擇合理的結(jié)構(gòu)截面形狀,尺寸,筋壁布置和機(jī)床的總體布局;三是結(jié)構(gòu)件間的接合面要平整,面積大小要適當(dāng),接觸點在接合面上的分布要均勻,連接要牢固等;四是盡量采用箱形和整體型結(jié)構(gòu).

2.為了提高結(jié)構(gòu)的動剛度,首先是在保證靜剛度的前提下,選擇阻尼系數(shù)大的材料,如人造花崗巖,鑄鐵等作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件的材料;二是通過模型試驗或模態(tài)分析合理設(shè)計和調(diào)整結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布和結(jié)構(gòu)接合面的剛度值,以改變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本身的固有振動頻率,使其遠(yuǎn)離切削過程中所產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動頻率,避免產(chǎn)生共振的可能性;三是有意采用能增加附加阻尼的結(jié)構(gòu)設(shè)計,如帶夾芯的雙層壁鑄件和非連續(xù)焊接的焊件等;四是直線運動部件的支承導(dǎo)軌面間距離要盡可能寬闊,驅(qū)動力的作用線要居中并盡可能靠近運動部件的重心,傳動鏈中應(yīng)無反向間隙,以保證運動平穩(wěn),無沖擊.

3.為了提高結(jié)構(gòu)的熱剛度,原則上首先應(yīng)采用熱容量大,熱脹系數(shù)小的材料和熱脹系數(shù)相近的材料作為結(jié)構(gòu)材料;其次是根據(jù)機(jī)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(qiáng)迫冷卻的結(jié)構(gòu),包括采用熱補(bǔ)償措施的結(jié)構(gòu)等,以減少熱變形帶來的對機(jī)床幾何精度和工作性能的影響.

4.為了減少運動部件的重量和傳動系統(tǒng)的慣量,一是選用比重小的材料,如鋁合金和復(fù)合材料等,作為運動部件的結(jié)構(gòu)材料;二是在保證剛度和承載能力的前提下,盡量去除多馀的材料;三是采用直接傳動,簡化傳動系統(tǒng),縮短傳動鏈,以提高機(jī)床的運動品質(zhì).

現(xiàn)實中能同時滿足上述條件要求的材料和結(jié)構(gòu)是沒有的,只能按實際要求進(jìn)行綜合評估后選取.

三,高速電主軸單元

高速加工的典型應(yīng)用是以小直徑的硬質(zhì)合金銑刀來對各種材料的模具,模型和鋁合金件進(jìn)行銑削,機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速是根據(jù)現(xiàn)代刀具材料所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)合理切削速度范圍(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(zhuǎn)速(圖4)來確定.可見除切削鈦或鎳合金時,由于刀具所能達(dá)到的合理切削速度較低(300m/min以下),刀具主軸最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速都在10000r/min以上,甚至要求達(dá)到50000r/min至80000r/min.如此高的主軸轉(zhuǎn)速,采用一般機(jī)床用的主傳動結(jié)構(gòu)(電機(jī)加皮帶輪和齒輪傳動)方式是不可能實現(xiàn)的,一般都需采用由變頻調(diào)速電機(jī)和機(jī)床主軸集成在一起的所謂"電主軸"直接驅(qū)動來實現(xiàn).

電主軸是通過交流變頻調(diào)速和矢量控制來實現(xiàn)主軸的寬調(diào)速的.它的優(yōu)點不僅是簡化了主傳動結(jié)構(gòu),減少主傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量,而且降低了功耗,提高了實現(xiàn)更高主軸速度和加減速度的能力,從而也可實現(xiàn)定角度的快速準(zhǔn)仃(C軸控制)功能,這對高速加工機(jī)床是十分重要的.

當(dāng)然,高速主軸本身的設(shè)計制造會涉及許多特殊問題,如主軸(電機(jī)轉(zhuǎn)子)支承的結(jié)構(gòu)型式和潤滑方式,電機(jī)的發(fā)熱和冷卻措施,主軸和刀具的連接以及動平衡問題等,好在這些問題已有許多科研單位進(jìn)行了研究和解決,高速電主軸單元在國內(nèi)外均有了專門的生產(chǎn)廠家進(jìn)行了專業(yè)化,系列化的生產(chǎn),機(jī)床設(shè)計制造者只需根據(jù)加工對象要求,確定所需的主軸轉(zhuǎn)速和扭矩范圍來合理地選用就是了.

四,高速進(jìn)給系統(tǒng)

高速進(jìn)給系統(tǒng)是高速加工機(jī)床極其重要的組成部份,對它的設(shè)計要求,首先應(yīng)當(dāng)是能提供高速切削時所要求的高的進(jìn)給/快移速度和加減速度;其次是應(yīng)具有所要求的調(diào)速寬度和軌跡跟蹤精度;同時還應(yīng)有很好承受動,靜載荷的能力和剛度,從而保證高速加工應(yīng)有的效率和質(zhì)量.

決定高速進(jìn)給系統(tǒng)上述性能要求的因素主要有三個方面:即進(jìn)給運動的傳動方式,各軸進(jìn)給運動間的相互結(jié)構(gòu)聯(lián)系和數(shù)控伺服控制系統(tǒng).

1.進(jìn)給運動的傳動方式

高速進(jìn)給運動的傳動方式,目前廣為應(yīng)用的主要有兩種:一種是回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)通過滾珠絲杠的間接傳動,另一種是采用直線電機(jī)直接驅(qū)動.

通過滾珠絲杠間接傳動方式的優(yōu)點是技術(shù)成熟,結(jié)構(gòu)相對簡單,加速度特性受運動部件載荷變化的影響較小,且目前已有許多國內(nèi)外廠家進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,系列化和模塊化的專業(yè)化生產(chǎn).但是普通傳動用的滾珠絲杠,由于存在慣量大,導(dǎo)程小,又受到臨界轉(zhuǎn)速的限制等,其所能提供的進(jìn)給/快移速度只有10～20m/min,加速度為0.3g,滿足不了高速加工的要求,因此,高速加工用的進(jìn)給滾珠絲杠普遍采取如下的改進(jìn)措施.

加大絲杠的導(dǎo)程和增加螺紋的頭數(shù),前者為提高絲杠每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量(即進(jìn)給速度),后者則為彌補(bǔ)絲杠導(dǎo)程增大后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,也是為便于對絲杠采取通水內(nèi)冷,以利于提高絲杠轉(zhuǎn)速,提高進(jìn)給/快移速度和加速的能力,減少熱影響; 改進(jìn)回珠器和滾道的設(shè)計制造質(zhì)量,使?jié)L珠的循環(huán)更流暢,摩擦損耗更少; 采用滾珠絲杠固定,螺母與聯(lián)結(jié)在移動部件上的伺服電機(jī)集成在一起完成旋轉(zhuǎn)和移動,從而避開了絲杠受臨界轉(zhuǎn)速的限制等.

經(jīng)過采取這些改進(jìn)措施后,滾珠絲杠傳動的進(jìn)給方式可提供的進(jìn)給/快移速度達(dá)60m/min～90m/min,加速度可達(dá)1～2g.但是由于受到原理結(jié)構(gòu)的限制,要想進(jìn)一步提高滾珠絲杠傳動的運動速度和加速度很難了,而且受絲杠的可制造長度限制,滾珠絲杠傳動所能提供的運動行程也是有限的.

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(jī)直接驅(qū)動的主要特點和優(yōu)點是將伺服電機(jī)的定子和動子分別直接與機(jī)床床身及移動部結(jié)合在一起,沒有了中間環(huán)節(jié),傳動鏈的長度縮短為零,即實現(xiàn)了所謂的"零傳動",從而大大提高了機(jī)械剛度,減少了傳動系統(tǒng)的慣量,獲得更高的速度和加速度能力,并易于控制系統(tǒng)的阻尼力和動態(tài)特性,直線電機(jī)最高的進(jìn)給/快速度可達(dá)120m/min乃至240m/min,加速度可達(dá)2~10g;行程長度可不受限制;適應(yīng)性強(qiáng),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測量反饋元件,實現(xiàn)全閉環(huán)控制,以獲得更高的定位精度和跟蹤精度等.

但是,直線電機(jī)直接驅(qū)動也存在一些缺點:如效率低,功耗大,結(jié)構(gòu)尺寸和自重也相對較大;工作過程溫升高,要求強(qiáng)冷卻;因受磁場力影響易于吸引鐵屑和金屬物,故需考慮防磁措施等,特別是要注意的是它的加速度值直接反比于運動部件的載荷量(工作臺/滑座自重加上工件及其他外載荷),即對運動載荷較敏感,故宜用于運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,必需能在數(shù)控編程時予以考慮,否則不能保證加工所要求的效率和質(zhì)量.另外,直線電機(jī)直接驅(qū)動不具自鎖能力,設(shè)計和使用中應(yīng)注意考慮外加制動措施,特別是在垂直軸進(jìn)給系統(tǒng)中使用時,尤要注意.

五,各軸進(jìn)給運動的相互結(jié)構(gòu)聯(lián)系

如同一般加工機(jī)床一樣,高速加工機(jī)床一般都有2個以上,多至5個進(jìn)給運動軸,這些運動軸間的相互結(jié)構(gòu)聯(lián)系,目前存在著串聯(lián),并聯(lián)和混聯(lián)三種型式.

串聯(lián)結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)機(jī)床普遍采用的型式,其特點是各運動軸的布局采用笛卡爾直角坐標(biāo)系,機(jī)床床身,立柱,溜板,工作臺/轉(zhuǎn)臺和主軸箱等部件分別通過相應(yīng)的導(dǎo)軌支承面串聯(lián)在一起的,各軸運動均可單獨地獨立進(jìn)行,由于是串聯(lián),各運動部件的重量往往都較大,且不一致,需特殊調(diào)整方可保持各軸加速度特性的一致性;進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件不僅受拉,壓力,而且受彎,扭力矩的作用,變形復(fù)雜,后運動部件受到先運動部件的牽動和加速,加工誤差由各軸運動誤差線性迭加而成,且受導(dǎo)軌精度的影響等,這些都是串聯(lián)結(jié)構(gòu)的缺點.然而由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng),有長期設(shè)計,制造和應(yīng)用的經(jīng)驗,技術(shù)較成熟,故迄今仍為大多數(shù)高速加工機(jī)床所采用.但串聯(lián)結(jié)構(gòu)中還有著不同的各運動軸的相互組合配置方式,其所獲得的應(yīng)用效果是不一樣的,設(shè)計時應(yīng)以高速加工的特點及其對機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求出發(fā)來確定.

并聯(lián)結(jié)構(gòu)的典型代表是Stewart平臺式的所謂虛擬軸機(jī)床.它的特點是運動部件是一個由伺服電機(jī)分別控制的6根可自由伸縮的桿子所支承的動平臺,該平臺可同時作6個自由度的運動,但沒有像串聯(lián)結(jié)構(gòu)那樣的物理上固定的X,Y,Z軸和相應(yīng)的運動支承導(dǎo)軌,而且任何一軸運動都必須由6根可伸縮桿的協(xié)同運動來完成.一般刀具/主軸頭就安裝在該動平臺上,工件則固定在機(jī)床的機(jī)架上,此外就不再有溜板,導(dǎo)軌等支承件了.與傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)床相比,并聯(lián)結(jié)構(gòu)型式的機(jī)床主要有如下優(yōu)點:

運動部件重量輕,慣量小,更有利于實現(xiàn)進(jìn)給運動高的速度和加速度; 刀具主軸頭可同時實現(xiàn)5軸聯(lián)動,結(jié)構(gòu)簡單,且主要的6根伸縮桿具有相同的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式,便于模塊化,標(biāo)準(zhǔn)化和系列化生產(chǎn); 伸縮桿的兩端分別由球鉸和虎克鉸鏈與相關(guān)件連結(jié),使桿子只受拉,壓力,不受彎扭力作用,剛度高,并易于通過預(yù)加載荷來提高整個進(jìn)給系統(tǒng)的綜合剛度.

理論精度高,因為它不像串聯(lián)結(jié)構(gòu)那樣,各軸運動誤差有可能被累積和放大,故并聯(lián)結(jié)構(gòu)的進(jìn)給運動的綜合誤差一般不會大于6根伸縮桿運動誤差的平均值.

并聯(lián)結(jié)構(gòu)的缺點是:

在同一臺機(jī)床上,其進(jìn)給的行程隨著各伸縮桿的伸出長度和動平臺的位姿角變化而變化,故由行程所決定的可加工空間是非規(guī)則形,不方便應(yīng)用; 因受球鉸和虎克鉸轉(zhuǎn)角的限制,帶主軸頭的動平臺所能傾斜的角度較小(一般只有±40.)從而影響了機(jī)床的可加工范圍; 運動編程較復(fù)雜,而且在任一軸向上的簡單直線運動,也要有6根桿的協(xié)調(diào)伸縮運動才能完成等.

由于有這些問題的存在,并聯(lián)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,目前尚不十分廣泛,還有待于進(jìn)一步研究和發(fā)展. 混聯(lián)結(jié)構(gòu)是在一臺機(jī)床上同時采用有串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)型式的進(jìn)給運動的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié),通常的做法是:3個移動坐標(biāo)仍采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)來完成,主軸加工時所需的另外2個轉(zhuǎn)動坐標(biāo)則由串聯(lián)到固定工作臺上的回轉(zhuǎn)和可傾斜的工作臺或由串聯(lián)到并聯(lián)結(jié)構(gòu)的動平臺上的旋轉(zhuǎn)和擺動主軸頭來實現(xiàn).但是此時的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的6根伸縮桿改成了3副定長桿,除桿的一端仍通過球鉸與動平臺相聯(lián)外,桿的另一端則通過球鉸成組地與滑座聯(lián)結(jié),滑座由伺服電機(jī)控制的滾珠絲杠(或直線電機(jī))驅(qū)動在機(jī)床導(dǎo)軌上移動,從而改變動平臺(主軸頭)在三維空間中的位置,即X,Y,Z軸的運動行程.這樣既克服了純并聯(lián)結(jié)構(gòu)存在的加工空間不規(guī)則和動平臺可傾角度過小的缺點,而且也減少了三套伺服驅(qū)動電機(jī)和滾珠絲杠,簡化了結(jié)構(gòu),降低了成本.這應(yīng)是并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)改進(jìn)的一個方向.

六,數(shù)控,伺服控制系統(tǒng)

數(shù)控,伺服控制系統(tǒng)是保證實現(xiàn)高速加工的核心技術(shù)裝置,對它的要求是:既能實現(xiàn)所需的高進(jìn)給速度和加減速度的控制,又要保證所需的軌跡跟蹤精度和加工質(zhì)量.因此,數(shù)控伺服系統(tǒng)首先應(yīng)具有很高的運算速度(即更短的單個程序段的處理時間)和數(shù)據(jù)存貯及傳輸?shù)哪芰?以處理大量的插補(bǔ)和控制數(shù)據(jù);二是強(qiáng)大的前瞻功能,以保持最佳的進(jìn)給速度和加速度,最佳的路徑變換,識別拐角,及時調(diào)整,保證規(guī)定的動態(tài)精度曲線,使加工速度不超過機(jī)床的運行特性范圍;三是有效的速度,加速度穩(wěn)定功能和自適應(yīng)加工輪廓變化的能力,因為加工平滑輪廓和非平滑輪廓時,施加在機(jī)床驅(qū)動系統(tǒng)上的力量不一樣的,因此系統(tǒng)必需具有自調(diào)節(jié)能力,以保證機(jī)床永不過載,又能保持最佳的加工效率和質(zhì)量,四是系統(tǒng)要力求具有開放性,包括人機(jī)界面開放(即具有標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺,如PC硬件,Windows操作系統(tǒng),人機(jī)界面開發(fā)工具等),控制邏輯開放(即具有可編程的機(jī)床邏輯控制,網(wǎng)絡(luò)功能等)和數(shù)控內(nèi)核開放(如供幾何坐標(biāo)系統(tǒng)與數(shù)控軸直連的接口等),以使機(jī)床生產(chǎn)廠和用戶可以集成自己的人機(jī)界面,設(shè)計高效,高可靠性的控制邏輯和專有的坐標(biāo)變換及補(bǔ)償控制軟件等;五是系統(tǒng)應(yīng)有足夠的(如0.1μm)分辨率和多軸聯(lián)動控制的功能,以保證高精,高速,高效加工的實現(xiàn).目前德國西門子公司生產(chǎn)的Sinumerik840D和日本FANUC公司生產(chǎn)的FS16i/18i/21iMODELB等系統(tǒng),都是具有一定開放性的系統(tǒng),能基本滿足上述功能要求,。

作者: 嘟嘟love 時間: 2013-3-19 16:06
謝謝,，學(xué)習(xí)啦

作者: 11483882 時間: 2013-5-17 23:01
學(xué)習(xí)了，資料不錯

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