牧野高速高精度加工中心

     現(xiàn)在整個加工行業(yè)似乎都在討論高速加工中心這個話題。在日本，牧野作為第一臺加工中心研制廠商，對高速加工中心有其獨(dú)特的定義。當(dāng)然力量強(qiáng)勁集中的驅(qū)動控制器與機(jī)械行業(yè)專業(yè)科技的迅速發(fā)展成為機(jī)床達(dá)到驚人精確度與速度的必要條件。

　　高速加工中心也許在外部看來與傳統(tǒng)式的機(jī)床沒有多大差異。然而在機(jī)床內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與技術(shù)卻迥然不同，并不只是說使用了高速主軸就是高速銑那么簡單的事。事實(shí)上，不只是主軸，伺服控制器系統(tǒng)每一個部分的技術(shù)與設(shè)計的最優(yōu)化以及基礎(chǔ)機(jī)械體系設(shè)計的戰(zhàn)略性更新都是創(chuàng)造優(yōu)秀的高速銑不可缺少的組成部分。我們對高速加工中心的定義是：

　　能提供高生產(chǎn)率；
　　高轉(zhuǎn)速主軸；
　　主軸加速與進(jìn)給迅速；
　　換刀與工作臺旋轉(zhuǎn)迅速；
　　大容量的切削處理功能；
　　重切削時也能保證高可靠性。

　　在高速加工中心不斷完善的過程中，我們通常對一個健全高效機(jī)床研究甚多。但當(dāng)我們以微米甚至更小的單位來衡量機(jī)床的精度，我們開始重新審視高效機(jī)床的定義。從機(jī)床的控制器體系機(jī)構(gòu)到軸承，機(jī)床制造商們著手考慮如何使數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)得到有效更新，從而提高效率，但是，重要的是必須讓所有的零件組合達(dá)到最高的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，體現(xiàn)出非凡的一致性與協(xié)調(diào)性。

　　主軸(Spinde)

　　收野高速加工中心利用整體式的主軸電動機(jī)以減少振動并防止熱量的產(chǎn)生導(dǎo)致對主軸的影響。牧野特別申請并保持至今的專利的主軸核心冷卻系統(tǒng)是牧野高速加工中心的一大法寶。

　　低速主軸通常使用鋼珠軸承，采用油脂潤滑。但隨著主軸轉(zhuǎn)速的不斷提高，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速接近10000r/min時，潤滑油開始產(chǎn)出熱量并直接影響主軸精度與壽命。特別當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到12000r/min時，由于潤滑油而產(chǎn)生的熱量達(dá)到一定程度后，會聚集于主軸與刀具中。在客戶對機(jī)床功率與高轉(zhuǎn)速不斷苛求的今天，如何解決主軸問題對制造商而言是一大挑戰(zhàn)。

　　現(xiàn)有的技術(shù)是利用混合的陶瓷軸承來配合潤滑油，這樣的技術(shù)也許對于主軸在15000r/min時不成問題。我們也發(fā)現(xiàn)有些制造商也采用另一種軸承，其內(nèi)部與外沿依然由金屬片組成，但旋轉(zhuǎn)部分是由剛性很強(qiáng)、持久耐用的陶瓷材料組成。熱量是軸承精度與壽命的天敵。在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)至10000r/min，比較有代表性的是使用油霧(Oil Air Lube)儀表系統(tǒng)。

　　此系統(tǒng)提供最少(但充分)的潤滑油以減少軸承產(chǎn)生熱量，另外，吹氣管也幫助驅(qū)散熱量。再剩余的熱量被轉(zhuǎn)入一個不會在引起循環(huán)的冷卻系統(tǒng)中，被封閉起來。

　　牧野主軸并不采用油霧表系統(tǒng)，因?yàn)楫?dāng)油霧主軸的轉(zhuǎn)速低于15000r/ min時，潤滑主軸應(yīng)該可以完成；但當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過15000r/min時，高速旋轉(zhuǎn)使主軸外產(chǎn)生一層保護(hù)氣流。主軸轉(zhuǎn)速越高這層氣體保護(hù)層越封閉，這樣一來旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力令潤滑油不能充分潤滑主軸。同時，主軸內(nèi)部的熱量得不到充分發(fā)散，當(dāng)然也不可能迅速冷卻。久而久之，主軸產(chǎn)生大量的磨損，影響加工工件的精度。

　　牧野在主軸的冷卻問題中的處理十分合理。我們采用的主軸核心冷卻系統(tǒng)是獨(dú)一無二的。主軸內(nèi)部的冷卻液是首先冷卻主軸內(nèi)部核心。主軸中心冷卻系統(tǒng)采用大量受溫度控制的冷卻油，直接穿過旋轉(zhuǎn)主軸從內(nèi)部開始冷卻。由此確保了即使是采用了80mm內(nèi)徑軸承的剛性主軸，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況也不會發(fā)生熱位移。其次，再冷卻主軸外殼，從而確保主軸溫度的平衡。另外，我們采用的潤滑油同時也是冷卻油，內(nèi)壓潤滑即冷卻油從主軸內(nèi)部流向軸承內(nèi)環(huán)，然后穿過軸承內(nèi)環(huán)上的孔同時冷卻整個軸承。由于從內(nèi)部冷卻的軸承旋轉(zhuǎn)時的離心力與冷卻油流動動力方向一致，即使在高速旋轉(zhuǎn)的情況下，也可以保證潤滑的順利進(jìn)行(已獲得專利)。所以，潤滑油即冷卻油通過軸承內(nèi)滾道直接潤滑滾珠。收野稱為滾道下潤滑(Under-Race Lubrication)。我們做過試驗(yàn)，與前述的采取油霧的主軸相比，牧野的主軸轉(zhuǎn)速快3倍。

　　較快的進(jìn)給(Quicker Feeds)

　　牧野在確保高精度的前提下，不斷提供高速加工中心的效率。牧野設(shè)備A55e，J66的X，Y，Z軸的進(jìn)給速度對以達(dá)到50m/min。要達(dá)到如此大進(jìn)給，必然有特殊的系統(tǒng)支持。牧野采用雙滾珠絲杠(Dual ball screws)和雙進(jìn)給電動機(jī)(Dual feed motors)。雙滾珠絲杠保證主軸X，Y，Z三個方向進(jìn)給平均，穩(wěn)定；雙滾珠絲杠也在裝配時給預(yù)壓力，最大限度消除單滾珠絲杠產(chǎn)生的間隙問題。同樣，雙進(jìn)給的電動機(jī)，也為主軸提供了平穩(wěn)高效的動力系統(tǒng)。

　　是不是采用了雙滾珠絲杠和雙進(jìn)給電動機(jī)就同時也增加了熱量的產(chǎn)生呢？答案當(dāng)然是否定的。

　　收野的滾珠絲杠核心冷卻(Ball Screw Core Cooling)是對付熱量的高招。采用潤滑油在滾珠絲杠內(nèi)部循環(huán)的辦法，比絲杠外潤滑產(chǎn)生的熱量要少100倍。

　　控制器——牧野獨(dú)特的幾何智能功能 GI(Geometric Intelligence Function)

　　過去的經(jīng)驗(yàn)證明，高速加工(高速度和高精度)方面的主要障礙是運(yùn)轉(zhuǎn)控制技術(shù)而不是主軸技術(shù)，CNC制造商在此方面過去幾年中并未取得多大進(jìn)展，幸虧計算機(jī)功能的快速強(qiáng)大，彌補(bǔ)了這一不足，尤其是軟件的日臻成熟和數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展。

　　首知，目前的加工中心能更快地處理數(shù)據(jù)，加快工件的加工速度。少數(shù)機(jī)床生產(chǎn)商吹噓他們的機(jī)床在高精度加工中每行程序的處理速度小于1ms，這與10年前的70ms相比確實(shí)是一個不小的進(jìn)步。使用者必須保持警惕，因?yàn)檫@些廠商僅僅提供的是程序處理的速度，其實(shí)，程序處理速度并不重要，機(jī)床完成程序所運(yùn)行的時間才是我們所關(guān)心的實(shí)際問題。有一點(diǎn)我們必須明白，實(shí)際機(jī)床運(yùn)行程序的時間決定了你可以加工到多快多好。在這里的精度，傳統(tǒng)意義是指直線插補(bǔ)用點(diǎn)點(diǎn)模擬加工形狀的輪廓線時所造成的誤差。這就意味著精度越高，模擬點(diǎn)就越多，點(diǎn)點(diǎn)之間的距離就越小。當(dāng)機(jī)床數(shù)據(jù)處理速度不夠時，稠密的點(diǎn)就會引發(fā)一個模具加工中常見的問題“數(shù)據(jù)饑餓”。

　　幾何智能功能可以很好地解決加工中常見的“數(shù)據(jù)饑餓”問題。他主要用于高精度加工工件，比其他“向前看”(Look Ahead)高速加工技術(shù)更能減少工作節(jié)拍，令工件更加完美。

　　當(dāng)然除了確實(shí)可靠的主軸、快速的進(jìn)給、GI控制系統(tǒng)外，牧野的高速加工中心同時具備合理的軸結(jié)構(gòu)與宜人化的主機(jī)結(jié)構(gòu)、高效冷卻系統(tǒng)以及采用獨(dú)特的HSK新型刀夾(動平衡刀柄)。這些都是創(chuàng)造高速、高精度加工中心的核心部分。正是靠著這樣精益求精不斷提高客戶生產(chǎn)效率的理念，牧野機(jī)床在中國模具與零件加工的行業(yè)中都有不俗的表現(xiàn)。