淺談國(guó)外高速加工中心的發(fā)展

1　前言


國(guó)外汽車工業(yè)的大批量生產(chǎn)，每種零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)少則幾萬(wàn)件，多則幾十萬(wàn)件，甚至上百萬(wàn)件，生產(chǎn)節(jié)拍為每件幾秒鐘到幾十秒鐘，其生產(chǎn)設(shè)備采用高效自動(dòng)化裝備。由于市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的多樣化需要和產(chǎn)品的不斷更新，汽車生產(chǎn)廠家對(duì)加工設(shè)備提出高效高柔性要求，即在滿足大批量生產(chǎn)的前提下，加工設(shè)備既要具備適應(yīng)多品種生產(chǎn)的能力，還必須具備可迅速調(diào)整適應(yīng)新產(chǎn)品生產(chǎn)的能力。

傳統(tǒng)的組合機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床自動(dòng)線雖然生產(chǎn)效率高，但缺少“柔性”，難以滿足汽車工業(yè)發(fā)展變化的需要，而普通加工中心雖然具有“柔性”，但因單軸加工，其效率遠(yuǎn)不如組合機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床的多軸加工。因此，自80年代中期以來(lái)，開發(fā)適應(yīng)大批量生產(chǎn)的高速加工中心便成為國(guó)外機(jī)床工業(yè)技術(shù)發(fā)展的主流之一。

2　高速加工中心發(fā)展概況


近十多年來(lái)，新型刀具材料的不斷出現(xiàn)與機(jī)械制造技術(shù)及控制技術(shù)的發(fā)展相結(jié)合，把切削加工的能力和水平提高到一個(gè)嶄新的高度，從而促進(jìn)了高速加工中心的開發(fā)與發(fā)展。

2.1　新型刀具材料的出現(xiàn)和應(yīng)用

具有足夠的耐熱性、耐磨性和耐破損性的刀具材料是高速加工的前提。采用涂層碳化鎢硬質(zhì)合金、碳(氮)化鈦硬質(zhì)合金、陶瓷刀具材料、立方氮化硼(CBN)、立方/六方復(fù)合氮化硼(WBN)和聚晶金剛石(PCD)等新型材料刀具，其切削用量比常規(guī)提高了幾倍到幾十倍。目前受高速機(jī)床性能等技術(shù)條件的限制和工件材料加工性的影響，各種常用材料的高速切削速度大致為：鋁合金1000～7000m/min；銅合金900～5000m/min；鋼500～2000m/min;灰鑄件800～3000m/min。其進(jìn)給速度范圍一般為2～25m/min。

2.2　新型高速主軸結(jié)構(gòu)

采用主軸、電機(jī)一體化的主軸部件，主軸也是電機(jī)的轉(zhuǎn)子，定子裝入主軸套筒內(nèi)，取消了傳統(tǒng)的電機(jī)經(jīng)齒輪和皮帶傳動(dòng)主軸的結(jié)構(gòu)。這種主軸結(jié)構(gòu)減少了關(guān)鍵零件，減少了振動(dòng)，增加了可靠性，可獲得高轉(zhuǎn)速和高的加(減)角速度。為此，主軸支承采用陶瓷軸承、靜壓軸承、動(dòng)壓軸承、空氣軸承以及氣油潤(rùn)滑、噴射潤(rùn)滑等技術(shù)。

2.3　直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)軸

對(duì)加工中心的所有坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)均采用快速、精密、高精度和耐用的直線電機(jī)，可顯著地減少諸如摩擦力、間隙和磨損等機(jī)械傳動(dòng)特性的影響，可獲得一致的高精度的位移運(yùn)動(dòng)、動(dòng)態(tài)位移和精確的定位，其快速行程可達(dá)到60m/min。直線電機(jī)具有高的加(減)速度變化率，顯著地縮短了定位時(shí)間。為此，坐標(biāo)軸采用靜壓或新型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，還采用了高響應(yīng)位置檢測(cè)元件等技術(shù)。

2.4　適應(yīng)高速的配套技術(shù)

采用新型換刀機(jī)構(gòu)和伺服驅(qū)動(dòng)的托板交換裝置，大大提高了換刀速度和托板交換速度。

為克服傳統(tǒng)加工中心使用的7∶24實(shí)心錐柄刀桿在高轉(zhuǎn)速時(shí)的致命弱點(diǎn)，開發(fā)了“雙定位刀桿”。這種新結(jié)構(gòu)刀柄的定位方式為靠1∶10的錐部與主軸內(nèi)錐面定心，同時(shí)刀柄凸緣端面與主軸前端面緊貼，從而獲得高轉(zhuǎn)速的聯(lián)接剛性。當(dāng)前已有法國(guó)HSK系列產(chǎn)品，美國(guó)KM系列產(chǎn)品，日本、瑞典也有類似產(chǎn)品。

2.5　高速加工中心的主要技術(shù)參數(shù)

90年代以來(lái)，國(guó)外一些機(jī)床廠家先后開發(fā)出一批高速加工中心，其主要技術(shù)參數(shù)為：


主軸最高轉(zhuǎn)速：一般為12000～15000r/min，有的高達(dá)40000～60000r/min。

坐標(biāo)軸的加工進(jìn)給最高速度：30～60m/min，快速移動(dòng)速度高達(dá)70～80m/min。

換刀時(shí)間(刀-刀)普遍在1.5～3.5s，有的快到0.8～0.9s；托板交換時(shí)間普遍在6～8s。


綜上所述，高速加工中心的出現(xiàn)使得單軸加工中心的效率趕上了多軸的組合機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床。因此，高效高柔性的加工中心已開始在汽車工業(yè)中應(yīng)用，并成為重要的工藝裝備。

3　高速加工中心實(shí)例簡(jiǎn)介


德國(guó)EX-CELL-O GMBH公司XHC240臥式加工心

這是國(guó)外第一次展出采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心，其主要技術(shù)參數(shù)：


主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)24000r/min；

坐標(biāo)軸快速移動(dòng)速度達(dá)60m/min，加速度為1g；

換刀時(shí)間(切削-切削)為4.5s；托板交換時(shí)間為6s。


機(jī)床主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：


采用主軸電機(jī)并氣動(dòng)潤(rùn)滑主軸軸承，由傳感器監(jiān)控主軸溫度和軸承潤(rùn)滑。

坐標(biāo)軸由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用快速CNC系統(tǒng)，可調(diào)整其動(dòng)態(tài)特性。

刀庫(kù)和主軸直接換刀，無(wú)專門的換刀機(jī)械手。

托板交換裝置由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

采用空心短錐刀柄，高壓內(nèi)冷卻加工。


該機(jī)床已被Ford汽車公司用于精加工離合器殼體。據(jù)介紹，總的切削時(shí)間縮短30%，加工及裝卸料時(shí)間減少60%。

德國(guó)Chiron Werke公司FZ12W立式加工中心

主要技術(shù)參數(shù)：


主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min；

主軸功率為9.5kW；最高進(jìn)給速度達(dá)40m/min；

換刀時(shí)間(刀-刀)為0.8s。


機(jī)床主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：


采用數(shù)字主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)字伺服軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有超高速響應(yīng)特性。

采用空心短錐刀柄，高壓內(nèi)冷卻加工。

刀庫(kù)容量20把并圍繞主軸圓周布置，每一刀座均有一個(gè)換刀機(jī)械手。


日本Mazak公司產(chǎn)品

FH480型臥式加工中心的主要技術(shù)參數(shù)：


主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)12000r/min；

最高進(jìn)給速度與快速移動(dòng)速度均為32m/min；

換刀時(shí)間(刀-刀)為1.3s；托板交換時(shí)間為5s。


機(jī)床主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：


采用主軸電機(jī)，主軸由靜止啟動(dòng)到最高轉(zhuǎn)速僅需1.5s。

采用32位Mazatrol M-32CNC系統(tǒng)，其軟件包可使機(jī)床在保持高精度的情況下實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給，而內(nèi)裝的智能軟件能自動(dòng)決定最佳刀具軌跡與切削條件。

FF510型臥式加中心的主要技術(shù)參數(shù)：


主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min；

主軸電機(jī)功率為15kW/11kW；

最高進(jìn)給速度達(dá)40m/min；

快速移動(dòng)速度達(dá)60m/min，加速度為1g；

交換時(shí)間(刀-刀)為0.9s，(切削-切削)為3.3s；托板交換時(shí)間為6.3s；

工作臺(tái)轉(zhuǎn)位90°時(shí)間為2.5s。


機(jī)床主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：


采用主軸電機(jī)、陶瓷軸承，主軸由靜止啟動(dòng)到最高轉(zhuǎn)速僅需1.8s。

采用高水平滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)軸，獲得當(dāng)今滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)方式的最高速度。


日本新瀉鐵工所SPN50、SPN40加工中心

主要技術(shù)參數(shù)：


主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)12000r/min；

快速移動(dòng)速度為40m/min，加速度為0.6g；

換刀時(shí)間(刀-刀)為1.4s/1s，(切削-切削)為3.8s/2.7s。


機(jī)床主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：


采用獨(dú)創(chuàng)的雙臂瞬時(shí)換刀的SSM超高速換刀系統(tǒng)。模仿人的雙手完成同步回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，只需一個(gè)動(dòng)作(左手拔刀，右手插刀)實(shí)現(xiàn)換刀。而常規(guī)的換刀機(jī)械手需要完成3個(gè)動(dòng)作，因此使非切削時(shí)間減少50%。

為了減輕移動(dòng)部件重量，機(jī)床結(jié)構(gòu)為T型床身，立柱固定，主軸箱移動(dòng)，采用“箱中箱”布局，X軸移動(dòng)導(dǎo)軌分置于立柱的上、下兩端，跨度大、剛性強(qiáng)，提高了高速定位和加(減)速性能。

采用遮斷熱量傳導(dǎo)方式的主軸冷卻系統(tǒng)，使用特殊的斷熱聯(lián)軸器(熱傳導(dǎo)率是鐵的1/200)分隔主軸電機(jī)，以隔斷發(fā)熱量最大的電機(jī)轉(zhuǎn)子至主軸的熱傳導(dǎo)，并以冷卻液對(duì)主軸外圍、主軸軸承、電機(jī)安裝結(jié)合部、電機(jī)定子進(jìn)行循環(huán)冷卻，最大限度地減少主軸系統(tǒng)的熱變形。

采用高水平的滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)軸。


美國(guó)Giddings & Lewis公司RAM500型、RAM630型臥式加工中心

主要技術(shù)參數(shù)：


最高主軸轉(zhuǎn)速達(dá)12000r/min；

快速移動(dòng)速度達(dá)38m/min，加速度為0.6g；

換刀時(shí)間(切削-切削)為4.5s；托板交換時(shí)間為8s。


機(jī)床主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：


為減輕運(yùn)動(dòng)部件重量，主軸頭安裝在滑枕上，由滑枕作Z向運(yùn)動(dòng)，而不采用立柱運(yùn)動(dòng)。

立柱與床身鑄成一體，提高了機(jī)床剛度并減少了機(jī)床維修。

采用該公司自行開發(fā)的G&L CNC800控制系統(tǒng)，具有超前處理能力，在輪廓加工中可動(dòng)態(tài)調(diào)整進(jìn)給率，以達(dá)到編程要求的加工精度�？刂葡到y(tǒng)內(nèi)有全集成的PC子系統(tǒng)，能接受SO/2、windows與DOS的程序，因而能聯(lián)入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，水平較高。

美國(guó)Ingersoll銑床公司HVM600型臥式加工中心

主要技術(shù)參數(shù)：


最高主軸轉(zhuǎn)速達(dá)20000r/min；

快速移動(dòng)速度、最高進(jìn)給速度均為76m/min，加(減)速度為1～1.5g；

換刀時(shí)間(切削-切削)為4s；托板交換時(shí)間為8s。


機(jī)床主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：


主軸箱采用“箱中箱”結(jié)構(gòu)，可消除由于驅(qū)動(dòng)力作用而使主軸箱承受懸伸載荷以及由此所引起的變形。

采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)軸。

采用主軸電機(jī)及該公司開發(fā)的液壓靜壓/動(dòng)壓混合軸承，其壽命長(zhǎng)。主軸獲得高的剛性和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。

采用空心短錐刀柄，高壓內(nèi)冷卻加工。

每個(gè)坐標(biāo)軸均采用精密激光位置反饋檢測(cè)裝置。

整體T型床身，使用三個(gè)點(diǎn)安裝在地基上，減少機(jī)床安裝時(shí)間及地基費(fèi)用。


美國(guó)Ford汽車公司采用20臺(tái)設(shè)備(其中HVM型高速加工中心13臺(tái))組成一條缸體柔性加工線，生產(chǎn)4缸轎車發(fā)動(dòng)機(jī)，年產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體15萬(wàn)臺(tái)。