高速加工机床的设计与应用

　　高速加工机床是基于现代刀具材料的发展,为满足航空,航天,汽车和模具等行业的发展需要而在数控铣床,加工中心的基础上发展起来的高效,高性能加工机床,因此,它的基本特征不仅是切削速度高(是常规切削速度的5～10倍),进给/快移速度快(达40m/min至180m/min),加减速度大(现多为1g～2g),而且还包含有刀具和或工件交换的时间短(在数秒至1秒以内)以及常常具有多轴联动功能等特点.

　　一,高速加工机床的优点

　　高速加工机床具有诸多优点,如:

　　1.生产效率高,材料去除率是常规切削加工机床的3～6倍,从而可大大缩短零件的加工时间和制造周期;

　　2.切削力比常规速度时少30%～50%和约30%以上的切削热将被切屑所带走,所以工件温升和变形少,有利于进行薄壁件切削和提高加工精度;

　　3.由于切削速度高,切削过程中产生的强迫振动频率一般远离了机床工艺系统的固有频率,故切削过程更平稳,有利于提高加工表面质量和刀具寿命,免掉许多费时费工的人工顺序作业;

　　4.许多机电产品所用的零部件,无论是单件或批量需求的,都可在相应的高速加工机床(如多轴联动的高速加工中心和车铣中心)上进行多工序复合加工甚至一次装夹实现全部加工.

　　因此,高速加工机床自上世纪八十年代中期出现以来,便受到人们普遍的重视.随着有关技术,如高速电主轴,直线电机,功能强,性能好的数控伺服系统等的快速发展和日益完善,高速加工机床的生产与应用,现已变得很普遍;不仅大的国际有名的机床制造厂商能生产,一般的国内外机床厂也在开始制造,而且成了世界机床业中争先开发的主导产品,不仅模具,航天,航空等行业在进行单件或小批生产中应用,在汽车乃至一航机械制造业中进行批量生产时也在广泛使用,从而成了这些行业中的主流加工装备.

　　然而,为了更好地成功开发和充分地合理地应用高速加工机床,本人以为,高速加工机床的设计,制造者和应用者仍应对下列诸方面的问题有更多,更深刻的理解和研究,并善于学习,总结和创新.

　　二,高速加工对机床结构的基本要求和设计原则

　　由于高速加工中的切削速度,进给速度和加减速度都大,因此机床的发热量,运动部件的惯量也大,容易导致机床结构的过量温升,热变形和产生冲击振动,最终会影响到加工精度,质量乃至机床和刀具的工作寿命和可靠性.所以,高速加工对机床结构的基本要求,首先是要三高,即静刚度高,动刚度高和热刚度高,也就是说,"三刚"特性要好;其次是运动部件要轻量化,即要尽量减少传动系统的惯量.为此,机床结构设计应采取的原则措施是:

　　1.为了提高结构的静刚度,首先是选择弹性模量大的材料,如钢,铸铁等作为结构件的基本材料;其次是根据受力的性质(拉,压或扭)和条件(力的大小,方向和作用点)选择合理的结构截面形状,尺寸,筋壁布置和机床的总体布局;三是结构件间的接合面要平整,面积大小要适当,接触点在接合面上的分布要均匀,连接要牢固等;四是尽量采用箱形和整体型结构.

　　2.为了提高结构的动刚度,首先是在保证静刚度的前提下,选择阻尼系数大的材料,如人造花岗岩,铸铁等作为基础结构件的材料;二是通过模型试验或模态分析合理设计和调整结构的质量分布和结构接合面的刚度值,以改变结构系统本身的固有振动频率,使其远离切削过程中所产生的强迫振动频率,避免产生共振的可能性;三是有意采用能增加附加阻尼的结构设计,如带夹芯的双层壁铸件和非连续焊接的焊件等;四是直线运动部件的支承导轨面间距离要尽可能宽阔,驱动力的作用线要居中并尽可能靠近运动部件的重心,传动链中应无反向间隙,以保证运动平稳,无冲击.

　　3.为了提高结构的热刚度,原则上首先应采用热容量大,热胀系数小的材料和热胀系数相近的材料作为结构材料;其次是根据机床上的热源和温度场的分布情况,尽量采用热对称和方便散热或强迫冷却的结构,包括采用热补偿措施的结构等,以减少热变形带来的对机床几何精度和工作性能的影响.

　　4.为了减少运动部件的重量和传动系统的惯量,一是选用比重小的材料,如铝合金和复合材料等,作为运动部件的结构材料;二是在保证刚度和承载能力的前提下,尽量去除多馀的材料;三是采用直接传动,简化传动系统,缩短传动链,以提高机床的运动品质.

　　现实中能同时满足上述条件要求的材料和结构是没有的,只能按实际要求进行综合评估后选取.

　　三,高速电主轴单元

　　高速加工的典型应用是以小直径的硬质合金铣刀来对各种材料的模具,模型和铝合金件进行铣削,机床主轴转速是根据现代刀具材料所能达到的经济合理切削速度范围和按此速度及不同的铣刀直径所计算得的刀具/主轴转速来确定.可见除切削钛或镍合金时,由于刀具所能达到的合理切削速度较低(300m/min以下),刀具主轴最高转速可在10000r/min以下外,其他材料的切削所要求的刀具/主轴最高转速都在10000r/min以上,甚至要求达到50000r/min至80000r/min.如此高的主轴转速,采用一般机床用的主传动结构(电机加皮带轮和齿轮传动)方式是不可能实现的,一般都需采用由变频调速电机和机床主轴集成在一起的所谓"电主轴"直接驱动来实现.

　　电主轴是通过交流变频调速和矢量控制来实现主轴的宽调速的.它的优点不仅是简化了主传动结构,减少主传动系统的转动惯量,而且降低了功耗,提高了实现更高主轴速度和加减速度的能力,从而也可实现定角度的快速准仃(C轴控制)功能,这对高速加工机床是十分重要的.

　　当然,高速主轴本身的设计制造会涉及许多特殊问题,如主轴(电机转子)支承的结构型式和润滑方式,电机的发热和冷却措施,主轴和刀具的连接以及动平衡问题等,好在这些问题已有许多科研单位进行了研究和解决,高速电主轴单元在国内外均有了专门的生产厂家进行了专业化,系列化的生产,机床设计制造者只需根据加工对象要求,确定所需的主轴转速和扭矩范围来合理地选用就是了.

　　四,高速进给系统

　　高速进给系统是高速加工机床极其重要的组成部份,对它的设计要求,首先应当是能提供高速切削时所要求的高的进给/快移速度和加减速度;其次是应具有所要求的调速宽度和轨迹跟踪精度;同时还应有很好承受动,静载荷的能力和刚度,从而保证高速加工应有的效率和质量.

　　决定高速进给系统上述性能要求的因素主要有三个方面:即进给运动的传动方式,各轴进给运动间的相互结构联系和数控伺服控制系统.

　　1.进给运动的传动方式

　　高速进给运动的传动方式,目前广为应用的主要有两种:一种是回转伺服电机通过滚珠丝杠的间接传动,另一种是采用直线电机直接驱动.

　　通过滚珠丝杠间接传动方式的优点是技术成熟,结构相对简单,加速度特性受运动部件载荷变化的影响较小,且目前已有许多国内外厂家进行标准化,系列化和模块化的专业化生产.但是普通传动用的滚珠丝杠,由于存在惯量大,导程小,又受到临界转速的限制等,其所能提供的进给/快移速度只有10～20m/min,加速度为0.3g,满足不了高速加工的要求,因此,高速加工用的进给滚珠丝杠普遍采取如下的改进措施.

　　加大丝杠的导程和增加螺纹的头数,前者为提高丝杠每转的进给量(即进给速度),后者则为弥补丝杠导程增大后所带来的轴向刚度和承载能力的下降. 将实心丝杠改为空心的,这既是为减少丝杠的重量和惯量,也是为便于对丝杠采取通水内冷,以利于提高丝杠转速,提高进给/快移速度和加速的能力,减少热影响; 改进回珠器和滚道的设计制造质量,使滚珠的循环更流畅,摩擦损耗更少; 采用滚珠丝杠固定,螺母与联结在移动部件上的伺服电机集成在一起完成旋转和移动,从而避开了丝杠受临界转速的限制等.

　　经过采取这些改进措施后,滚珠丝杠传动的进给方式可提供的进给/快移速度达60m/min～90m/min,加速度可达1～2g.但是由于受到原理结构的限制,要想进一步提高滚珠丝杠传动的运动速度和加速度很难了,而且受丝杠的可制造长度限制,滚珠丝杠传动所能提供的运动行程也是有限的.

　　与上述的通过滚珠丝杠间接传动的方式相比,采用直线电机直接驱动的主要特点和优点是将伺服电机的定子和动子分别直接与机床床身及移动部结合在一起,没有了中间环节,传动链的长度缩短为零,即实现了所谓的"零传动",从而大大提高了机械刚度,减少了传动系统的惯量,获得更高的速度和加速度能力,并易于控制系统的阻尼力和动态特性,直线电机最高的进给/快速度可达120m/min乃至240m/min,加速度可达2~10g;行程长度可不受限制;适应性强,灵敏度高,随动性好,不存在反向间隙,可利用直线光栅尺作为测量反馈元件,实现全闭环控制,以获得更高的定位精度和跟踪精度等.

　　但是,直线电机直接驱动也存在一些缺点:如效率低,功耗大,结构尺寸和自重也相对较大;工作过程温升高,要求强冷却;因受磁场力影响易于吸引铁屑和金属物,故需考虑防磁措施等,特别是要注意的是它的加速度值直接反比于运动部件的载荷量(工作台/滑座自重加上工件及其他外载荷),即对运动载荷较敏感,故宜用于运动件载荷恒定或变化量不大的场合,在载荷变化重大的情况下,必需能在数控编程时予以考虑,否则不能保证加工所要求的效率和质量.另外,直线电机直接驱动不具自锁能力,设计和使用中应注意考虑外加制动措施,特别是在垂直轴进给系统中使用时,尤要注意.

　　五,各轴进给运动的相互结构联系

　　如同一般加工机床一样,高速加工机床一般都有2个以上,多至5个进给运动轴,这些运动轴间的相互结构联系,目前存在着串联,并联和混联三种型式.

　　串联结构是传统机床普遍采用的型式,其特点是各运动轴的布局采用笛卡尔直角坐标系,机床床身,立柱,溜板,工作台/转台和主轴箱等部件分别通过相应的导轨支承面串联在一起的,各轴运动均可单独地独立进行,由于是串联,各运动部件的重量往往都较大,且不一致,需特殊调整方可保持各轴加速度特性的一致性;进给系统的结构件不仅受拉,压力,而且受弯,扭力矩的作用,变形复杂,后运动部件受到先运动部件的牵动和加速,加工误差由各轴运动误差线性迭加而成,且受导轨精度的影响等,这些都是串联结构的缺点.然而由于串联结构较传统,有长期设计,制造和应用的经验,技术较成熟,故迄今仍为大多数高速加工机床所采用.但串联结构中还有着不同的各运动轴的相互组合配置方式,其所获得的应用效果是不一样的,设计时应以高速加工的特点及其对机床结构设计的要求出发来确定.

　　并联结构的典型代表是Stewart平台式的所谓虚拟轴机床.它的特点是运动部件是一个由伺服电机分别控制的6根可自由伸缩的杆子所支承的动平台,该平台可同时作6个自由度的运动,但没有像串联结构那样的物理上固定的X,Y,Z轴和相应的运动支承导轨,而且任何一轴运动都必须由6根可伸缩杆的协同运动来完成.一般刀具/主轴头就安装在该动平台上,工件则固定在机床的机架上,此外就不再有溜板,导轨等支承件了.与传统串联结构的机床相比,并联结构型式的机床主要有如下优点:

　　运动部件重量轻,惯量小,更有利于实现进给运动高的速度和加速度; 刀具主轴头可同时实现5轴联动,结构简单,且主要的6根伸缩杆具有相同的结构和驱动方式,便于模块化,标准化和系列化生产; 伸缩杆的两端分别由球铰和虎克铰链与相关件连结,使杆子只受拉,压力,不受弯扭力作用,刚度高,并易于通过预加载荷来提高整个进给系统的综合刚度.

　　理论精度高,因为它不像串联结构那样,各轴运动误差有可能被累积和放大,故并联结构的进给运动的综合误差一般不会大于6根伸缩杆运动误差的平均值.

　　并联结构的缺点是:

　　在同一台机床上,其进给的行程随着各伸缩杆的伸出长度和动平台的位姿角变化而变化,故由行程所决定的可加工空间是非规则形,不方便应用; 因受球铰和虎克铰转角的限制,带主轴头的动平台所能倾斜的角度较小(一般只有±40.)从而影响了机床的可加工范围; 运动编程较复杂,而且在任一轴向上的简单直线运动,也要有6根杆的协调伸缩运动才能完成等.

　　由于有这些问题的存在,并联结构的应用,目前尚不十分广泛,还有待于进一步研究和发展. 混联结构是在一台机床上同时采用有串联和并联结构型式的进给运动的结构联结,通常的做法是:3个移动坐标仍采用并联结构来完成,主轴加工时所需的另外2个转动坐标则由串联到固定工作台上的回转和可倾斜的工作台或由串联到并联结构的动平台上的旋转和摆动主轴头来实现.但是此时的并联结构的6根伸缩杆改成了3副定长杆,除杆的一端仍通过球铰与动平台相联外,杆的另一端则通过球铰成组地与滑座联结,滑座由伺服电机控制的滚珠丝杠(或直线电机)驱动在机床导轨上移动,从而改变动平台(主轴头)在三维空间中的位置,即X,Y,Z轴的运动行程.这样既克服了纯并联结构存在的加工空间不规则和动平台可倾角度过小的缺点,而且也减少了三套伺服驱动电机和滚珠丝杠,简化了结构,降低了成本.这应是并联机床结构改进的一个方向.

　　六,数控,伺服控制系统

　　数控,伺服控制系统是保证实现高速加工的核心技术装置,对它的要求是:既能实现所需的高进给速度和加减速度的控制,又要保证所需的轨迹跟踪精度和加工质量.因此,数控伺服系统首先应具有很高的运算速度(即更短的单个程序段的处理时间)和数据存贮及传输的能力,以处理大量的插补和控制数据;二是强大的前瞻功能,以保持最佳的进给速度和加速度,最佳的路径变换,识别拐角,及时调整,保证规定的动态精度曲线,使加工速度不超过机床的运行特性范围;三是有效的速度,加速度稳定功能和自适应加工轮廓变化的能力,因为加工平滑轮廓和非平滑轮廓时,施加在机床驱动系统上的力量不一样的,因此系统必需具有自调节能力,以保证机床永不过载,又能保持最佳的加工效率和质量,四是系统要力求具有开放性,包括人机界面开放(即具有标准的软硬件平台,如PC硬件,Windows操作系统,人机界面开发工具等),控制逻辑开放(即具有可编程的机床逻辑控制,网络功能等)和数控内核开放(如供几何坐标系统与数控轴直连的接口等),以使机床生产厂和用户可以集成自己的人机界面,设计高效,高可靠性的控制逻辑和专有的坐标变换及补偿控制软件等;五是系统应有足够的(如0.1μm)分辨率和多轴联动控制的功能,以保证高精,高速,高效加工的实现.目前德国西门子公司生产的Sinumerik840D和日本FANUC公司生产的FS16i/18i/21iMODELB等系统,都是具有一定开放性的系统,能基本满足上述功能要求。

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