為工模具高速加工制造選擇機(jī)床

近些年以來(lái)，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，比如替代傳統(tǒng)銑削或電火花成形工藝。然而，經(jīng)驗(yàn)表明，多年以來(lái)一直認(rèn)為是具有現(xiàn)代工藝水平的發(fā)動(dòng)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(jiǎn)單地轉(zhuǎn)化到工模具的制造當(dāng)中。如今工件的幾何形狀和材料每天都在變化，要求的交貨期越來(lái)越短，還對(duì)加工精度、表面質(zhì)量和柔性提出了要求，這些都與以前對(duì)大批量生產(chǎn)的要求不同。另一方面，高速加工的效率是如此令人難忘，任何一家制造廠都不會(huì)錯(cuò)過(guò)對(duì)高速銑削技術(shù)的關(guān)注。高速切削技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用到了模具生產(chǎn)、精密復(fù)雜零件的小批量生產(chǎn)、以及其它應(yīng)用中。生產(chǎn)管理者已經(jīng)逐漸意識(shí)到這一工藝可以成功有效地加以利用。 
                                                                   
                      圖1:高速銑床的大致結(jié)構(gòu)，這是為了分散SY SZ VC [Wz Ws]SX 上的移動(dòng)質(zhì)量而設(shè)計(jì)的

　　對(duì)高速切削加工中心的要求

　　對(duì)高速銑床部件的要求，一方面應(yīng)從最終用戶的角度進(jìn)行定義，另一方面，應(yīng)從加工工藝角度定義。對(duì)于第二點(diǎn)，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(diǎn)是設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性 (結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)部件)、電主軸、控制系統(tǒng)和自動(dòng)化裝置等。

　　動(dòng)態(tài)特性

　　高速切削加工中心的動(dòng)態(tài)特性常常被簡(jiǎn)化成加工速度和加速度能力，事實(shí)上這種看法是不夠全面的。機(jī)床獲取大路徑切換值的動(dòng)態(tài)特性至關(guān)重要。路徑切換值越大，所需的加工時(shí)間也就越短，刀具的使用壽命也越長(zhǎng)。而獲得高動(dòng)態(tài)性能的基礎(chǔ)是機(jī)床的各個(gè)部件應(yīng)該具有最佳阻尼特性，整個(gè)系統(tǒng)有很高的穩(wěn)定性。這些特性可以通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和選擇合適的機(jī)床材料來(lái)獲得。

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

　　相比之下，當(dāng)制造像主軸箱這樣的移動(dòng)部件時(shí)，鑄鐵材料的耐壓和耐拉強(qiáng)度就更有優(yōu)勢(shì)一些。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。與傳統(tǒng)銑削機(jī)床相比較，高速銑床上的移動(dòng)部件的質(zhì)量降低了三到五倍。

　　笛卡爾機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)的另一個(gè)原理就是，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，另一方面還要考慮主軸的重量，目標(biāo)就是盡量達(dá)到質(zhì)量平衡關(guān)系。圖1顯示了一臺(tái)用于加工中等重量工件的機(jī)床，機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)就特別考慮到了這一特殊要求。在此情況下，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。在這種特殊情況下，就可保證Y-軸的動(dòng)態(tài)特性在相當(dāng)大程度上與X軸的動(dòng)態(tài)特性一致。

　　今天，人們對(duì)5軸高性能、高速加工的興趣與日俱增。就高速加工產(chǎn)生的背景來(lái)看，機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式關(guān)系密切。常規(guī)的蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)的圓形旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，其動(dòng)態(tài)特性無(wú)法滿足五軸聯(lián)動(dòng)高速切削的要求。而采用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)可以提供與線性軸相匹配的進(jìn)給轉(zhuǎn)速和加速度，甚至提供優(yōu)于線性軸性能的參數(shù)。采用直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的另一個(gè)好處就是驅(qū)動(dòng)裝置中沒(méi)有了易損件。因此，具有顯著加工效率的五軸聯(lián)動(dòng)高速加工就實(shí)現(xiàn)了。

　　高速加工的一個(gè)基本動(dòng)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(dòng)裝置提供。實(shí)現(xiàn)高的進(jìn)給速度和進(jìn)給加速度既可以通過(guò)大螺距滾珠絲杠和交流伺服電機(jī)配　合實(shí)現(xiàn)，也可以由線性電機(jī)直接提供。最終選擇哪一種驅(qū)動(dòng)方式，只有通過(guò)實(shí)踐來(lái)證明。事實(shí)上兩種不同的驅(qū)動(dòng)方式都各有其利弊。采用何種技術(shù)方式、進(jìn)給速度、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(chǎng)上并沒(méi)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。

　　對(duì)于以球形循環(huán)為基礎(chǔ)的各種設(shè)計(jì)，包括滾珠絲杠和帶有滾動(dòng)滑塊的線性導(dǎo)軌，初始的預(yù)緊力相當(dāng)重要。只有采用合適的預(yù)緊力，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)的系統(tǒng)穩(wěn)定性最大、磨損量最小、產(chǎn)生的熱量最小。另外滾珠絲杠需要兩端固定。

　　對(duì)于中小型機(jī)床，線性導(dǎo)軌采用集中布局，其間距越遠(yuǎn)越好。為了達(dá)到更好的檢測(cè)效果，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(diǎn)。首先，這種集中布局提供了一定程度的保護(hù)，可防止被污染；第二，進(jìn)給速度被對(duì)稱地傳遞給線性導(dǎo)軌，而且實(shí)際記錄的位置就是被加工的位置。為了更準(zhǔn)確地記錄位置和速度，就要使用包括高精度旋轉(zhuǎn)編碼器和線性測(cè)量裝置在內(nèi)的雙反饋系統(tǒng)。

　　圖2: 非關(guān)鍵方向上熱膨脹補(bǔ)償移動(dòng)和固定軸承的布局。

　　電主軸

　　現(xiàn)代高速加工的電主軸的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速大、使用現(xiàn)代的軸承材料、整體冷卻回路和HSK錐柄。電主軸上裝有集成電路傳感器，可以記錄任何振動(dòng)現(xiàn)象，而且可以計(jì)算電主軸的熱特性，利用智能運(yùn)算法則進(jìn)行補(bǔ)償。

　　大功率電主軸采用矢量控制技術(shù)，也就是由閉合控制回路控制，可以精確地定位角位置。與傳統(tǒng)的開(kāi)環(huán)控制回路驅(qū)動(dòng)的電主軸相比，這種方法提供了一些非常有用的優(yōu)勢(shì)。首先，可以充分利用整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍，從50 - 200r/min一直到最大轉(zhuǎn)速，而且在低轉(zhuǎn)速時(shí)獲得大的切削扭矩。這樣就可以用20,000 rpm以上的高速主軸完成某些條件下的螺紋切削，并可使用大直徑刀具進(jìn)行銑削加工。

　　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，軸承的剛性和耐磨性提高了，提高了回轉(zhuǎn)精度并增強(qiáng)了溫度的穩(wěn)定性。假若沒(méi)有這種軸承，現(xiàn)代電主軸的使用壽命將不可想象。通過(guò)軸承外圈直接噴入的油氣混合物保證了最優(yōu)化的潤(rùn)滑和極長(zhǎng)的使用壽命。相比之下，間接噴入油氣混合物的方法則相當(dāng)不可靠，因?yàn)樵诨旌狭黧w通過(guò)軸承罩時(shí)，會(huì)產(chǎn)生空氣湍流現(xiàn)象。

　　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。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。通過(guò)測(cè)試SK40和HSK-A63承受徑向力的能力，發(fā)現(xiàn)HSK接口的徑向擾動(dòng)是SK40的一半。其軸向伸長(zhǎng)比SK接口降低了約一半。

　　所有高速主軸共有的一個(gè)問(wèn)題是高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的發(fā)熱問(wèn)題。設(shè)計(jì)上采取的措施是將主軸軸承盡量靠近主軸鼻端(圖2)安裝，主軸發(fā)熱造成的伸長(zhǎng)被傳遞到了后部，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(shí)，比如主軸溜板或刀柄上，就會(huì)對(duì)工件的加工精度產(chǎn)生影響。解決這個(gè)問(wèn)題既要靠機(jī)床操作人員，又要依賴機(jī)床制造商，因?yàn)椴僮魅藛T可以通過(guò)有效的系統(tǒng)程序來(lái)控制這種影響；而機(jī)床制造商可以通過(guò)相應(yīng)的傳感器和控制系統(tǒng)提供的運(yùn)算法則來(lái)計(jì)算位移數(shù)值。很明顯，后一種方案是用戶友好的，因此更具優(yōu)越性。然而在此應(yīng)該指出，在高速加工過(guò)程中，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?yàn)閷?duì)熱量對(duì)刀具長(zhǎng)度的影響進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)的工作方法是不可或缺的。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，比如增加自動(dòng)激光刀具測(cè)量裝置等。

　　振動(dòng)對(duì)主軸軸承的有效使用壽命、刀具的使用壽命和工件的加工質(zhì)量都有負(fù)面的影響，所以應(yīng)盡一切努力避免這種事情的發(fā)生。為此目的，米克朗的電主軸上都裝了振動(dòng)傳感器，用于記錄加工過(guò)程實(shí)時(shí)的振動(dòng)情況。這些測(cè)量裝置測(cè)量到的有關(guān)加工過(guò)程的數(shù)據(jù)可以通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)顯示，操作人員就可利用這些數(shù)據(jù)對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化，比如，調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度、測(cè)試各種銑床的加工效果、確定重要的加工方法和進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷牡鹊取?/p>

　　控制系統(tǒng)

　　最近幾年以來(lái)，控制系統(tǒng)技術(shù)有了很大進(jìn)步。特別是在五軸聯(lián)動(dòng)高速加工時(shí)，最有意義的方面是大大降低了程序塊處理時(shí)間。這一具有現(xiàn)代工藝水平的控制技術(shù)包括用以平衡高速加工中經(jīng)常發(fā)生的熱偏移的補(bǔ)償運(yùn)算法則、高性能的程序段前瞻能力、控制系統(tǒng)中機(jī)床硬件的優(yōu)化模型、集成的機(jī)床故障自診斷功能和以優(yōu)化的機(jī)床動(dòng)態(tài)特性為基礎(chǔ)的加工精度智能控制系統(tǒng)。

　　很顯然，程序段的處理時(shí)間越短越好。由于沒(méi)有明確的指導(dǎo)原則統(tǒng)一定義這個(gè)時(shí)間，所以不同控制系統(tǒng)制造商的程序段處理時(shí)間不能簡(jiǎn)單地相互比較。一般而言，每一行數(shù)控程序中移動(dòng)的軸的數(shù)量起主要作用。每個(gè)數(shù)控程序輔助指令的集合，比如輔助功能、轉(zhuǎn)速或進(jìn)給速度等，都或多或少地影響了程序段的處理時(shí)間。其中一個(gè)主要的影響就是在進(jìn)行5軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)，由于進(jìn)行了坐標(biāo)軸變換或旋轉(zhuǎn)軸偏差計(jì)算而引起的。機(jī)床能夠一直做連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而不受沖擊和不流暢運(yùn)動(dòng)的影響，這一點(diǎn)非常重要。而引起這一切的原因是數(shù)據(jù)計(jì)算不完全，即所謂的“數(shù)據(jù)饑餓”。

　　高速加工機(jī)床上的熱漂移影響是不可避免的，并可在最終用戶期望的范圍以內(nèi)，采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行補(bǔ)償。在此，可以使用基于傳感器或軟件的系統(tǒng)�；�于軟件的系統(tǒng)有著一定的優(yōu)勢(shì)，更加適合于補(bǔ)償綜合誤差；而基于傳感器的系統(tǒng)通常只能記錄一個(gè)部件的漂移，比如，主軸鼻端相對(duì)于Z軸溜板的漂移。圖3顯示用不同系統(tǒng)對(duì)溫度變化引起的漂移的補(bǔ)償結(jié)果， 并與沒(méi)有進(jìn)行補(bǔ)償情況下的負(fù)載曲線進(jìn)行比較，負(fù)載曲線中包括不同轉(zhuǎn)速的影響、刀具的影響和托盤交換以及故障停機(jī)時(shí)間的影響。

　　圖3: 傳感器和智能控制系統(tǒng)補(bǔ)償溫度引發(fā)的位置漂移

　　沒(méi)有功能強(qiáng)大的前瞻功能，高速加工將是不可想象的事。前瞻功能可以：
　　保持最佳的軸進(jìn)給速度；
　　保持最佳的進(jìn)給加速度；
　　保持最佳的路徑變換；
　　識(shí)別拐角，及時(shí)降速；
　　保持規(guī)定的動(dòng)態(tài)精度曲線；
　　及時(shí)降速、使加工速度不超過(guò)機(jī)床的運(yùn)行特性范圍。

　　有一種流行但錯(cuò)誤的看法，認(rèn)為有最大程序預(yù)處理能力的前瞻功能是一種優(yōu)勢(shì)。但事實(shí)上，實(shí)際的程序段預(yù)處理能力是由前瞻功能和高速銑削加工中心的動(dòng)態(tài)特性共同決定的。前瞻功能必須能夠調(diào)節(jié)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，以便保證：機(jī)床永不過(guò)載運(yùn)行；始終保持工件的加工質(zhì)量。

　　機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能越大，則控制系統(tǒng)中的機(jī)床特性模型也就越準(zhǔn)確，需要前瞻功能進(jìn)行預(yù)處理的程序段也就越少。 通常使用預(yù)處理大量程序段所產(chǎn)生的最嚴(yán)重的缺點(diǎn)是，無(wú)法選擇干預(yù)處理進(jìn)程，人工調(diào)節(jié)進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速；因?yàn)楸活A(yù)先處理過(guò)的程序儲(chǔ)存在緩沖器中，不能進(jìn)行存取和進(jìn)行人工調(diào)節(jié)操作。

　　有效的速度、加速度穩(wěn)定功能和輪廓轉(zhuǎn)換，是高速加工控制系統(tǒng)的另外一個(gè)重要特點(diǎn)。用同一臺(tái)機(jī)床加工，平滑的輪廓加工施加在機(jī)床和電子設(shè)備上的傾斜壓力就小，因而可以提高最大加速度值和移動(dòng)速度。反之，不平滑的輪廓就達(dá)不到這些。

　　故障診斷和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能可以直接組合到控制系統(tǒng)中，也可以用外部設(shè)備簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)這一功能。這些功能都是獲得機(jī)床最大利用率的先決條件，特別是在與自動(dòng)化設(shè)備連接時(shí)更是如此。

　　最近的發(fā)展趨勢(shì)是，利用集成傳感器(自適應(yīng)控制)探測(cè)到的數(shù)據(jù)，通過(guò)專門的技術(shù)，主動(dòng)地干預(yù)加工過(guò)程。
例如，可以根據(jù)加工要素的優(yōu)先等級(jí)或根據(jù)工件的重量或刀具路徑的復(fù)雜度來(lái)優(yōu)化加工過(guò)程。數(shù)據(jù)由操作人員輸入，并由內(nèi)部的控制系統(tǒng)使用以調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使其適應(yīng)特殊的加工應(yīng)用。這樣就可縮短加工時(shí)間、提高表面光潔度和零件的加工精度。

　　自動(dòng)化加工

　　在西方工業(yè)國(guó)家中，自動(dòng)化系統(tǒng)常被用于補(bǔ)償那些投資和工資水平較高的項(xiàng)目。一個(gè)便于與外部或集成的自動(dòng)化系統(tǒng)連接的接口顯得越來(lái)越重要。同時(shí)，對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的要求就產(chǎn)生了對(duì)有效的切屑處理、適當(dāng)?shù)膿Q刀能力、托盤系統(tǒng)以及最重要的對(duì)生產(chǎn)環(huán)境區(qū)管理的要求。

　　自動(dòng)換刀裝置是所有加工中心的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，刀庫(kù)的容量經(jīng)常略顯不足。所以至少應(yīng)提供具有擴(kuò)大刀庫(kù)容量的換刀裝置以供選擇。

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