高效主軸提高HSC效率

成功的高效銑削應(yīng)以適應(yīng)任務(wù)需要、工藝可靠的電主軸、靈活的機(jī)床制造和所有元件的可靠協(xié)作為前提條件。是作為核心部件的電主軸，還是機(jī)床本身，還是其外圍設(shè)備在HSC銑削時(shí)還能提供額外的能力？自動(dòng)化和電子監(jiān)控可以提供答案。
    高效銑削加工具有兩個(gè)特征：采用高切削速度的加工（HSC銑削，亦稱HSM）和以大扭矩與大切削功率為特征的高效加工（HPM）。其間，也有一些切削加工任務(wù)需要達(dá)到很高的切削效率和表面精整效果。
    一方面極高的轉(zhuǎn)速是為航空工業(yè)所需，它主要用以加工鋁材的組合件；另一方面，高轉(zhuǎn)速也被用于模具加工中。由于諸如照相機(jī)或手機(jī)等產(chǎn)品越來越趨于小型化，加工的模具也變得越來越精細(xì)，對此必須采用0.5mm或以下直徑的銑刀進(jìn)行加工，并且對于加工較窄的精致模具也是如此。
切削速度越高，切削的壓力也就越小——這一點(diǎn)對電火花加工中的電極銑削作業(yè)極為重要。在加工薄壁的石墨電極時(shí)，可以采用直徑為0.2mm的金剛石鍍層銑刀進(jìn)行加工，其刀片長度為2~4mm（角度比為10~20）。由此，加工主軸在機(jī)床的研發(fā)中始終占據(jù)著關(guān)鍵性的地位。鑒于技術(shù)的小型化發(fā)展趨勢，主軸的轉(zhuǎn)速接近60 000r/min才有意義。
    Step-Tec公司自1995年以來研發(fā)、生產(chǎn)和銷售電主軸。該公司以大約50%的股份加入瑞士GF阿奇夏米爾集團(tuán)（Mikron加工中心制造商），另以50%的份額加入到另一家著名的機(jī)床制造商。共制造出大約60種不同型號的主軸。由于模具制造、機(jī)器制造和航空工業(yè)的要求不同，因此各電機(jī)的特性曲線也不盡相同。轉(zhuǎn)速范圍高達(dá)54 000r/min，功率可達(dá)70kW。Step-Tec生產(chǎn)的目標(biāo)是要把可接受的主軸尺寸、高精度、可控的溫度等級和較長的使用壽命等因素結(jié)合起來。對此，制造廠家需要依靠有意義的規(guī)劃、可靠的計(jì)算和設(shè)計(jì)以及最先進(jìn)的生產(chǎn)方法和良好的組裝技術(shù)。最后在每個(gè)部件離開工廠之前，還需對它進(jìn)行檢驗(yàn)（圖1）。

圖1 主軸是機(jī)床研發(fā)中的關(guān)鍵部位。轉(zhuǎn)速提高是諸如瑞士Step-Tec公司等主軸制造廠商面臨的挑戰(zhàn)

有能力的員工會(huì)起到關(guān)鍵的作用，就如同鐘表行業(yè)或工具修磨作業(yè)，這些員工擁有所需的手工技巧。Step-Tec公司大約有25%為自己加工。凡與電主軸軸承相接觸的所有部件均屬于此，尤其是主軸和前后的軸承法蘭。所使用的是高品質(zhì)的復(fù)合軸承，其滾動(dòng)體（滾珠和圓柱輥）采用陶瓷，密封環(huán)則采用優(yōu)質(zhì)鋼材。
    復(fù)合軸承是一項(xiàng)開創(chuàng)性的技術(shù)創(chuàng)新，企業(yè)從一開始就把它歸為己有。目前采用的電主軸可以使表面精度達(dá)到最高，但若采用壽命超過20 000h的鋼珠滾動(dòng)軸承，則無法達(dá)到這種表面質(zhì)量。從摩擦特性（離心力小）、熱膨脹和潤滑（通常為油氣潤滑）角度上看，復(fù)合軸承具有很大的優(yōu)勢。
    維持較長使用壽命的一個(gè)成功方法是要看究竟如何隔離軸承。在尺寸和圓度上都只是1μm的問題。近12年來電動(dòng)主軸經(jīng)歷了大的功率飛躍，不僅僅只針對54 000r/min的HSC設(shè)備。HPM則從12 000r/min（160Nm）的最高轉(zhuǎn)速跳躍到20 000r/min（160Nm）水平，并從20kW提高到66kW。這兩種都對相應(yīng)于這種速度和動(dòng)力的設(shè)備制造帶來影響。HPM主軸既適用于難度較大的粗加工，也適用于精加工。
軸承是主軸高效的關(guān)鍵
    主軸制造廠家成功的途徑之一便是通過員工間持續(xù)、透明的信息傳遞，使工作人員之間達(dá)到緊密配合，同時(shí)采用實(shí)時(shí)觀察圖片，改進(jìn)加工工藝（KVP）。
    電主軸上設(shè)有一個(gè)類似車程記錄儀的診斷模塊，所示的數(shù)據(jù)可以有助于確保工藝的穩(wěn)定。振動(dòng)和軸承位置等單個(gè)信息均可通過銑削流程控制的Smart Machine模塊傳送給Mikron加工中心的操作人員。操作者可以識別出主軸工作是否正常，避免在作業(yè)中出現(xiàn)過載損傷。

圖2 Mikron公司HSM 400U型5軸HSC加工中心是高效心軸的應(yīng)用場合。這種用于較精細(xì)的模具制造的加工設(shè)備支持銑削/沉入式蝕刻的工藝組合

針對士GF 阿奇夏米爾集團(tuán)生產(chǎn)的加工中心可以首選采用主軸，其加工的產(chǎn)品范圍涵蓋42種設(shè)備類型。其中Mikron公司HSM 400U型加工中心屬于頂級型號（圖2），它可配備一個(gè)最大轉(zhuǎn)速為54 000r/min的主軸。這樣，這種設(shè)備就不僅可以用于對鋼件和鋁件的HSC銑削，同時(shí)也可以用于對陶瓷材料的銑削或磨削加工，以及對石墨的銑削。針對在醫(yī)療行業(yè)上的應(yīng)用，該設(shè)備還有另一種名稱即Prod Med 或Prod Med Dental。與基本配置有所不同的是，用在醫(yī)療行業(yè)上的設(shè)備采用油冷卻。在制作移植牙、骨板或胯板（圖3）時(shí)，Step-Tec主軸的工作范圍是20 000~30 000r/min。刀具的直徑為1~16mm。調(diào)質(zhì)的注塑模具的加工作業(yè)也很節(jié)省時(shí)間。

圖3 醫(yī)療行業(yè)上的運(yùn)用實(shí)例：鈦Ti-6Al-4V移植牙（上）和骨板（中）及跨板（下）。后一種為高合金奧氏體鋼

在購置機(jī)床時(shí)須明確，帶有托盤系統(tǒng)的自動(dòng)化趨勢越來越強(qiáng)。設(shè)備的用戶并非生產(chǎn)百萬工件，而是中小批量，有時(shí)甚至為單件。德國的生產(chǎn)基地可以充分利用自動(dòng)化的潛力，即工作制實(shí)現(xiàn)無人或很少人的作業(yè)。這種潛力得到了認(rèn)知和利用，特別是在接到快速供貨訂單并對小批量工件進(jìn)行重復(fù)性生產(chǎn)時(shí)。實(shí)際情況顯示，所購置的大約有70%的Mikron加工中心首次裝配托盤更換裝置。Smart Machine模塊從人機(jī)對話方面對銑削流程作了優(yōu)化，提高了無人操作的可靠性，降低了生產(chǎn)成本，對實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行發(fā)揮了作用。這里舉兩例子加以說明：APS模塊（高級流程系統(tǒng)）利用主軸的信號做出反應(yīng)。通過OSS模塊（操作者支持系統(tǒng)）可以為加工過程設(shè)置速度、精度和表面質(zhì)量方面的優(yōu)先級，以保證滿足設(shè)計(jì)和工作規(guī)劃要求，即便是單個(gè)工件。
    同步HSC 5軸加工的應(yīng)用是否還會(huì)增強(qiáng)？這主要取決于CAD/CAM系統(tǒng)在可操作性方面的研發(fā)程度。在機(jī)床和模具制造業(yè)上，經(jīng)常會(huì)遇到加工單件產(chǎn)品的情況。在這種情況下，編程耗時(shí)的不利因素相對于加工時(shí)間是非常顯著的。

圖4 在小批量和單件加工上，也越來越多地運(yùn)用到自動(dòng)化部件。通過對工件托盤的運(yùn)用，可以開發(fā)無人作業(yè)或幾乎無人作業(yè)的潛力

銑削與電蝕相結(jié)合
     未來，高速銑削和沉入式電蝕這種節(jié)省費(fèi)用的組合還會(huì)引導(dǎo)出很多的應(yīng)用機(jī)會(huì)，這些應(yīng)用可能性一方面可以提高企業(yè)在工具和模具制造上的競爭能力，另一方面也可為精密機(jī)加工件的加工注入新的活力。
    另一個(gè)發(fā)展?jié)摿�將�?huì)是在中期，通過所有軸帶有的線性驅(qū)動(dòng)5軸機(jī)床設(shè)備顯現(xiàn)出來。如果設(shè)備制造廠商和電動(dòng)主軸廠家保持聯(lián)系的話，則將有利于用戶在HSC和HPM方面的加工作業(yè)。這種潛力也有助于實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜的同步HSC 5軸加工系統(tǒng)上，各個(gè)部件需要達(dá)到相互協(xié)調(diào)、相互配合的前提條件