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工模具制造及中小批量生產(chǎn)的機(jī)床選擇(上)

 “如果水平面上沒有能收集切屑的位置,則為了實現(xiàn)最優(yōu)化的切屑處理要求窃愿,就需要一個加工空間以容納落下的切屑刑袒,以便對切屑進(jìn)行自動化處理。根據(jù)要加工的材料類型和應(yīng)用的具體情況摸进,在高速加工時饰样,一般應(yīng)使用壓縮空氣或冷卻液體潤滑脂以及少量的潤滑油進(jìn)行冷卻和潤滑。機(jī)床上應(yīng)安裝必要的冷卻液和潤滑液處理所需的一切裝置一黄,以便對其干凈有效地處理芋滔。”

  近些年來矛渴,高速切削已經(jīng)確立了其自身作為替代傳統(tǒng)加工方法或補(bǔ)充技術(shù)的地位椎扬,比如替代傳統(tǒng)銑削或電火花成形工藝。然而具温,經(jīng)驗表明蚕涤,多年以來一直認(rèn)為是具有現(xiàn)代工藝水平的發(fā)動機(jī)和齒輪箱制造工藝或整體部件的制造技術(shù),并不能簡單地轉(zhuǎn)化到工模具的制造當(dāng)中铣猩。如今工件的幾何形狀和材料每天都在變化揖铜,要求的交貨期越來越短,還對加工精度达皿、表面質(zhì)量和柔性提出了要求天吓,這些都與以前對大批量生產(chǎn)的要求不同。另一方面峦椰,高速加工的效率是如此令人難忘龄寞,任何一家制造廠都不會錯過對高速銑削技術(shù)的關(guān)注。高速切削技術(shù)越來越多地應(yīng)用到了模具生產(chǎn)汤功、精密復(fù)雜零件的小批量生產(chǎn)以及其它應(yīng)用中物邑。生產(chǎn)管理者已經(jīng)逐漸意識到這一工藝可以成功有效地加以利用。

  對高速切削加工中心的要求

  對高速銑床部件的要求吟芜,一方面應(yīng)從最終用戶的角度進(jìn)行定義耻覆,另一方面,應(yīng)從加工工藝角度定義夯榛。對于第二點营慷,尤其應(yīng)該加以注意。高速切削加工中心所需要關(guān)注的核心點是設(shè)備的動態(tài)特性(結(jié)構(gòu)杯岩、驅(qū)動部件)朽慕、電主軸、控制系統(tǒng)和自動化裝置等访芙。

  動態(tài)特性

  高速切削加工中心的動態(tài)特性常常被簡化成加工速度和加速度能力谬堕,事實上這種看法是不夠全面的计员。機(jī)床獲取大路徑切換值的動態(tài)特性至關(guān)重要。路徑切換值越大沈论,所需的加工時間也就越短假仙,刀具的使用壽命也越長。而獲得高動態(tài)性能的基礎(chǔ)是機(jī)床的各個部件應(yīng)該具有最佳阻尼特性簿煌,整個系統(tǒng)有很高的穩(wěn)定性氮唯。這些特性可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和選擇合適的機(jī)床材料來獲得。

  比如近些年來發(fā)展的聚合物混凝土(人造大理石)床身姨伟,其減振效果比使用鑄鐵材料的床身大大提高了惩琉,阻尼特性是鑄鐵的10倍。今天夺荒,幾乎所有的高動態(tài)性能機(jī)床的制造商都用混凝土作為各種非移動結(jié)構(gòu)部件的材料瞒渠,比如用于機(jī)床床身和橫梁。大動態(tài)特性的機(jī)床部件移動所產(chǎn)生的沖擊力被混凝土床身完全吸收了技扼。

  相比之下伍玖,當(dāng)制造像主軸箱這樣的移動部件時,鑄鐵材料的耐壓和耐拉強(qiáng)度就更有優(yōu)勢一些剿吻。鑄鐵材料可以用于制造具有優(yōu)異強(qiáng)度和穩(wěn)定性的較輕的部件窍箍。與傳統(tǒng)銑削機(jī)床相比較,高速銑床上的移動部件的質(zhì)量降低了三到五倍丽旅。

  笛卡爾機(jī)床運動學(xué)的另一個原理就是椰棘,盡可能的將切削力分配在工件和刀具上。一方面要考慮工件的重量榄笙,另一方面還要考慮主軸的重量丰倾,目標(biāo)就是盡量達(dá)到質(zhì)量平衡關(guān)系。一臺用于加工中等重量工件的機(jī)床在設(shè)計時就特別考慮到了這一特殊要求蓄稠。在此情況下颖怕,分布在工具側(cè)的質(zhì)量和分布在工件側(cè)的質(zhì)量大小相等朋丢。在這種特殊情況下译拿,就可保證Y軸的動態(tài)特性在相當(dāng)大程度上與X軸的動態(tài)特性一致。

  今天请癣,人們對5軸高性能薛对、高速加工的興趣與日俱增。就高速加工產(chǎn)生的背景來看砍倾,機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計和旋轉(zhuǎn)擺動工作臺的驅(qū)動方式關(guān)系密切深冶。常規(guī)的蝸輪蝸桿驅(qū)動的圓形旋轉(zhuǎn)工作臺,其動態(tài)特性無法滿足五軸聯(lián)動高速切削的要求乎叫。而采用直接驅(qū)動技術(shù)的旋轉(zhuǎn)工作臺可以提供與線性軸相匹配的進(jìn)給轉(zhuǎn)速和加速度欧陋,甚至提供優(yōu)于線性軸性能的參數(shù)。采用直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作臺的另一個好處就是驅(qū)動裝置中沒有了易損件。因此邪蛔,具有顯著加工效率的五軸聯(lián)動高速加工就實現(xiàn)了急黎。

  高速加工的一個基本動態(tài)特性是能夠以最快的速度達(dá)到程序中設(shè)定的進(jìn)給速度。為此需要的加速度和切換值由大功率數(shù)字驅(qū)動裝置提供侧到。實現(xiàn)高的進(jìn)給速度和進(jìn)給加速度既可以通過大螺距滾珠絲杠和交流伺服電機(jī)配合實現(xiàn)勃教,也可以由線性電機(jī)直接提供。最終選擇哪一種驅(qū)動方式匠抗,只有通過實踐來證明故源。事實上兩種不同的驅(qū)動方式都各有其利弊。采用何種技術(shù)方式汞贸、進(jìn)給速度绳军、加速度和切換值仍然要服從于改善零件加工精度的要求,目前市場上并沒有用直線電機(jī)技術(shù)替代已經(jīng)很成熟的滾珠絲杠技術(shù)的緊迫要求矢腻。

  對于以球形循環(huán)為基礎(chǔ)的各種設(shè)計删铃,包括滾珠絲杠和帶有滾動滑塊的線性導(dǎo)軌,初始的預(yù)緊力相當(dāng)重要踏堡。只有采用合適的預(yù)緊力猎唁,驅(qū)動系統(tǒng)才能正常運轉(zhuǎn),此時的系統(tǒng)穩(wěn)定性最大今伏、磨損量最小拄渣、產(chǎn)生的熱量最小。另外滾珠絲杠需要兩端固定癌越。

  對于中小型機(jī)床浦砚,線性導(dǎo)軌采用集中布局,其間距越遠(yuǎn)越好洲芥。為了達(dá)到更好的檢測效果亚滑,線性光柵尺也應(yīng)安裝在線性導(dǎo)軌之間,而且盡量靠近加工點昌嘶。首先还做,這種集中布局提供了一定程度的保護(hù),可防止被污染诱榴;第二裕甸,進(jìn)給速度被對稱地傳遞給線性導(dǎo)軌,而且實際記錄的位置就是被加工的位置备则。為了更準(zhǔn)確地記錄位置和速度碳扯,就要使用包括高精度旋轉(zhuǎn)編碼器和線性測量裝置在內(nèi)的雙反饋系統(tǒng)。

  電主軸

  現(xiàn)代高速加工的電主軸的特點是轉(zhuǎn)速大隐锭、使用現(xiàn)代的軸承材料窃躲、整體冷卻回路和HSK錐柄计贰。電主軸上裝有集成電路傳感器,可以記錄任何振動現(xiàn)象蒂窒,而且可以計算電主軸的熱特性蹦玫,利用智能運算法則進(jìn)行補(bǔ)償。

  大功率電主軸采用矢量控制技術(shù)刘绣,也就是由閉合控制回路控制樱溉,可以精確地定位角位置。與傳統(tǒng)的開環(huán)控制回路驅(qū)動的電主軸相比纬凤,這種方法提供了一些非常有用的優(yōu)勢福贞。首先,可以充分利用整個轉(zhuǎn)速范圍停士,從50~200rpm一直到最大轉(zhuǎn)速挖帘,而且在低轉(zhuǎn)速時獲得大的切削扭矩。這樣就可以用20000rpm以上的高速主軸完成某些條件下的螺紋切削恋技,并可使用大直徑刀具進(jìn)行銑削加工拇舀。

  混合陶瓷軸承是由淬硬鋼制成的軸承內(nèi)外圈和復(fù)合陶瓷制成的滾珠組成的,與傳統(tǒng)的鋼珠軸承相比狈报,軸承的剛性和耐磨性提高了株矩,提高了回轉(zhuǎn)精度并增強(qiáng)了溫度的穩(wěn)定性。假若沒有這種軸承溺剖,現(xiàn)代電主軸的使用壽命將不可想象碱跃。通過軸承外圈直接噴入的油氣混合物保證了最優(yōu)化的潤滑和極長的使用壽命。相比之下鳖进,間接噴入油氣混合物的方法則相當(dāng)不可靠园湘,因為在混合流體通過軸承罩時,會產(chǎn)生空氣湍流現(xiàn)象葵斗。

  主軸鼻端和刀柄的HSK接口現(xiàn)在已經(jīng)確立了其在高速加工中的作用单墓。由于此種結(jié)構(gòu)大大提高了刀柄的連接剛性,因此它顯著地提高了加工精度杂虐。通過測試SK40和HSK-A63承受徑向力的能力返工,發(fā)現(xiàn)HSK接口的徑向擾動是SK40的一半。其軸向伸長比SK接口降低了約一半料潘。

  所有高速主軸共有的一個問題是高速轉(zhuǎn)動時的發(fā)熱問題抽碌。設(shè)計上采取的措施是將主軸軸承盡量靠近主軸鼻端安裝悍赢,主軸發(fā)熱造成的伸長被傳遞到了后部决瞳,也就是非重要的方向上。如果熱量傳遞到機(jī)床的其它部件上時左权,比如主軸溜板或刀柄上皮胡,就會對工件的加工精度產(chǎn)生影響痴颊。解決這個問題既要靠機(jī)床操作人員,又要依賴機(jī)床制造商屡贺,因為操作人員可以通過有效的系統(tǒng)程序來控制這種影響蠢棱;而機(jī)床制造商可以通過相應(yīng)的傳感器和控制系統(tǒng)提供的運算法則來計算位移數(shù)值。很明顯甩栈,后一種方案是用戶友好的泻仙,因此更具優(yōu)越性。然而在此應(yīng)該指出量没,在高速加工過程中玉转,優(yōu)異的加工精度是操作人員和系統(tǒng)交互作用的結(jié)果,因為對熱量對刀具長度的影響進(jìn)行溫度補(bǔ)償時殴蹄,系統(tǒng)的工作方法是不可或缺的究抓。在此,機(jī)床制造商增加一些必要的輔助手段也是非常重要的兄哮,比如增加自動激光刀具測量裝置等肚微。


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