高速加工機床的設(shè)計與應(yīng)用

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高速加工機床的設(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)用的高速加工機床的關(guān)鍵.

  高速加工機床是基于現(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),進給/快移速度快(達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,高速加工機床的優(yōu)點

  高速加工機床具有諸多優(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)生的強迫振動頻率一般遠離了機床工藝系統(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)的高速加工機床(如多軸聯(lián)動的高速加工中心和車銑中心)上進行多工序復(fù)合加工甚至一次裝夾實現(xiàn)全部加工.

  因此,高速加工機床自上世紀八十年代中期出現(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,功能強,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床制造廠商能生產(chǎn),一般的國內(nèi)外機床廠也在開始制造,而且成了世界機床業(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)在進行單件或小批生產(chǎn)中應(yīng)用,在汽車乃至一航機械制造業(yè)中進行批量生產(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)用高速加工機床,本人以為,高速加工機床的設(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,進給速度和加減速度都大,因此機床的發(fā)熱量,運動部件的慣量也大,容易導(dǎo)致機床結(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)量乃至機床和刀具的工作壽命和可靠性.所以,高速加工對機床結(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,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,使其遠離切削過程中所產(chǎn)生的強迫振動頻率,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(jié)構(gòu),包括采用熱補償措施的結(jié)構(gòu)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,模型和鋁合金件進行銑削,機床主軸轉(zhuǎn)速是根據(jù)現(xiàn)代刀具材料所能達到的經(jīng)濟合理切削速度范圍(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,甚至要求達到50000r/min至80000r/min.如此高的主軸轉(zhuǎn)速,采用一般機床用的主傳動結(jié)構(gòu)(電機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)速電機和機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)定角度的快速準仃(C軸控制)功能,這對高速加工機床是十分重要的.

  當然,高速主軸本身的設(shè)計制造會涉及許多特殊問題,如主軸(電機轉(zhuǎn)子)支承的結(jié)構(gòu)型式和潤滑方式,電機的發(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)廠家進行了專業(yè)化,系列化的生產(chǎn),機床設(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,高速進給系統(tǒng)

  高速進給系統(tǒng)是高速加工機床極其重要的組成部份,對它的設(shè)計要求,首先應(yīng)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(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.

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

  1.進給運動的傳動方式

  高速進給運動的傳動方式,目前廣為應(yīng)用的主要有兩種:一種是回轉(zhuǎn)伺服電機通過滾珠絲杠的間接傳動,另一種是采用直線電機直接驅(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)外廠家進行標準化,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,高速加工用的進給滾珠絲杠普遍采取如下的改進措施.

  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)的進給量(即進給速度),后者則為彌補絲杠導(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(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)過采取這些改進措施后,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.但是由于受到原理結(jié)構(gòu)的限制,要想進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,采用直線電機直接驅(qū)動的主要特點和優(yōu)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(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;行程長度可不受限制;適應(yīng)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,特別是在垂直軸進給系統(tǒng)中使用時,尤要注意.

  五,各軸進給運動的相互結(jié)構(gòu)聯(lián)系

  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系,機床床身,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床.它的特點是運動部件是一個由伺服電機分別控制的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,工件則固定在機床的機架上,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)的機床相比,并聯(lián)結(jié)構(gòu)型式的機床主要有如下優(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,標準化和系列化生產(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:

  在同一臺機床上,其進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,還有待于進一步研究和發(fā)展. 混聯(lián)結(jié)構(gòu)是在一臺機床上同時采用有串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)型式的進給運動的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié),通常的做法是:3個移動坐標仍采用并聯(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),滑座由伺服電機控制的滾珠絲杠(或直線電機)驅(qū)動在機床導(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)機床結(jié)構(gòu)改進的一個方向.

  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?以處理大量的插補和控制數(shù)據(jù);二是強大的前瞻功能,以保持最佳的進給速度和加速度,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,包括人機界面開放(即具有標準的軟硬件平臺,如PC硬件,Windows操作系統(tǒng),人機界面開發(fā)工具等),控制邏輯開放(即具有可編程的機床邏輯控制,網(wǎng)絡(luò)功能等)和數(shù)控內(nèi)核開放(如供幾何坐標系統(tǒng)與數(shù)控軸直連的接口等),以使機床生產(chǎn)廠和用戶可以集成自己的人機界面,設(shè)計高效,高可靠性的控制邏輯和專有的坐標變換及補償控制軟件等;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,。

嘟嘟love

謝謝,，學(xué)習(xí)啦

11483882

學(xué)習(xí)了,，資料不錯