高性能加工中心的結(jié)構(gòu)特點

    高性能加工中心與高速加工中心的區(qū)別在于它除有一個能高速旋轉(zhuǎn)的主軸，還設(shè)計了高精度的直線運動導(dǎo)軌、大功率主軸電機、精密主軸軸承、滾珠絲杠、高效伺服驅(qū)動電機以及先進的CNC系統(tǒng)等。因而使加工中心在高效率下加工出高精度的零件，大大提高市場競爭力。

1 直線運動導(dǎo)軌

   加工中心的各軸向運動的速度和精度，對實現(xiàn)高速切削至關(guān)重要。Joe Kraemer博士在為高性能加工中心下定義時指出，在機床主軸轉(zhuǎn)速與刀具系統(tǒng)不變和保證滿足加工零件精度的前提下，如果各軸向運動不能達到f=7.62-11.43m/min的進給速度，那就不能稱之為高性能加工中心。但是要達到如此高的進給速度，采用普通機床的方形導(dǎo)軌是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實現(xiàn)的。必須選用直線運動導(dǎo)軌。試驗證明，直線運動導(dǎo)軌的磨擦系數(shù)僅為普通方形導(dǎo)軌的1/20。由于直線運動導(dǎo)軌的滾柱與導(dǎo)軌間的接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方形導(dǎo)軌，因而使功率消耗也降低為方形導(dǎo)軌的1/20，且能保持長時間的很少磨損，大大提高導(dǎo)軌的使用壽命。精密的直線運動導(dǎo)軌具有一個淬火硬度為HRC58-62的經(jīng)精密導(dǎo)軌磨床磨削的直線形導(dǎo)軌，而不像普通方形導(dǎo)軌那樣最少有一個V型導(dǎo)軌。因為兩條直線形導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)簡單，因此容易加工、裝配、測量以及能選擇合適的滾柱直徑等。

    在機床開始沿直線運動時，直線運動導(dǎo)軌只需166kg力的力矩克服靜摩擦，需69.2kg力的力矩克服動摩擦。而方形導(dǎo)軌則需346kg力的力矩克服靜摩擦，103.8kg力克服動摩擦。因而，采用直線運動導(dǎo)軌可使機床的最高進給速度達63.5m/min，其中38.1m/min的進給速度用得最多。使加速度能在0.6-1.0g范圍內(nèi)。加之直線運動導(dǎo)軌具有高的剛度，與工作臺之間無間隙存在，因而很少產(chǎn)生振動，能加工出低表面粗糙度的零件表面，延長刀具的使用壽命。

2.精密的滾珠絲杠

    機床滾珠絲杠直徑及螺距的大小直接影響加工零件的精度，尤其是在進給量的切削條件下，采用直線運動導(dǎo)軌的高性能加工中心都選擇小直徑的細(xì)牙螺距的單頭滾珠絲杠。也有的采用粗牙螺距的多頭滾珠絲杠。一般采用伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠的傳動方案。但是，滾珠絲杠在工作中，滾動體作螺旋運動其自轉(zhuǎn)軸線的方向是變化的，因而會產(chǎn)生陀螺運動。當(dāng)陀螺運動中的陀螺力矩Mf超過滾珠體與滾道間的摩擦力時，滾動體將產(chǎn)生滑動，從而造成劇烈摩擦，使絲杠溫度升高，同時振動和噪音增大，縮短了絲杠壽命，降低了滾珠絲杠的傳動品質(zhì)。為此開發(fā)出一種新型的高性能的滾動絲杠——行星滾柱絲杠，較好地解決了以上技術(shù)難題。

    隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，在超高進給的情況下，工作臺加速度將達到3g以上，因此移動件的慣性力也相當(dāng)大。在進行機械部分設(shè)計時必須力求減小移動件的質(zhì)量和回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量，進一步提高進給系統(tǒng)的剛度、靈敏度和精度。目前在加工中心上已采用由德國Ex-cell-o公司發(fā)明的大功率直線伺服電機，直接驅(qū)動工作臺作直線運動，并與由碳素纖維增強塑料制成的輕型結(jié)構(gòu)工作臺和直線滾動導(dǎo)軌副匹配，實現(xiàn)高進給速度和高精度加工。

3 大功率機床主軸電機

    在諸多影響選擇機床主軸電機功率大小的因素中，最主要的有主軸錐度、加工中選擇的切削用量(切除率)、零件大小和刀具尺寸等。選擇大錐度主軸，能進行大功率切削，但是，有時為了快速地加速和減速，也可以采用大功率電機驅(qū)動小錐度主軸的方案。

    對于大切除率加工，必須選用大錐度主軸和大功率機床主軸電機。零件材料對選擇機床主軸電機功率影響不大。例如，對于鍛件和鑄件，并不要求大功率切削。但是選擇在機床主軸高轉(zhuǎn)速下加工，必須選擇大功率電機。大零件加工也要選擇大功率驅(qū)動是因為它需選用大直徑刀具加工。

4 主軸軸承

    切削實驗證明，在主軸前端安裝一排向心止推軸承和一排滾珠軸承，在主軸后端安裝兩排滾珠軸承，為最佳的裝配組合方案。它能保證在通常切削條件下主軸有好的剛性，能承受很大的側(cè)向切削力，又能滿足高速切削加工的需要。

    主軸軸承的種類和規(guī)模大小必須能滿足使用條件。尺寸大的軸承能提供高強度和高剛度。但是大尺寸軸承有兩個缺點：

    由于大軸承的質(zhì)量大和軸承間的接觸面積大，因而在高主軸轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生大量的熱量。在大量的熱量長時間地作用下會引起主軸尺寸—漲大，影響加工精度。

    大質(zhì)量的主軸還需要大功率電機才能驅(qū)動。盡管軸承內(nèi)圈加有潤滑油冷卻，但是大軸承在高轉(zhuǎn)速下使承載量和旋轉(zhuǎn)慣量增大，因而所需功率加大。尤其是當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加時，功率消耗增大�？墒遣⒉皇撬�有的功率都消耗在切削加工上。例如，具有40馬力的主軸，只能有15—20馬力的功率作用于刀頭上，其余則都用以旋轉(zhuǎn)主軸。對于一個高功率主軸，它能盡可能地將大量的功率作用在切削工件上，能用很小的功率去驅(qū)動最高轉(zhuǎn)速的主軸。作用在主軸上的功率大小，根據(jù)空載下旋轉(zhuǎn)主軸的最高轉(zhuǎn)速即可計算出機床所消耗的功率。因為在高速下切削，夾頭和刀具在切削力作用下產(chǎn)生徑向偏斜，不同心等引起附加力增大或產(chǎn)生不平衡的離心力等。

    切削實踐證明，用多排小直徑軸承代替兩排大直徑軸承，將取得好的加工效果。因為小直徑軸承重量輕，消耗功率小，發(fā)熱量也小。使用多排小直徑軸承，并不使主軸剛度受到影響，而且還對主軸軸承的載荷預(yù)加相當(dāng)有利。軸承預(yù)加載荷通常指主軸在靜態(tài)下作用在軸承上的壓力大小，一般采用預(yù)加載荷來改善主軸剛度和加大切削能力。但是由于作用在軸承上的壓力增大，發(fā)熱量增大，因而也加速了軸承磨損。

    為了提高刀具的切削性能和延長刀具的使用壽命，對多排軸承預(yù)加較小的壓力，即能提高機床主軸的剛度，達到以，上目的。

    從長遠(yuǎn)的觀點上看，對磁力、氣動和靜壓軸承的市場需求量將會大大增加。但是，目前在高速切削中，最常用的還是以下兩種：向心止推軸承和滾珠軸承。在標(biāo)準(zhǔn)的機床主軸轉(zhuǎn)速條件下，在主軸前端經(jīng)常安裝一排滾珠軸承和—排向心止推軸承，在主軸后端安裝兩排滾珠軸承。因為在主軸前端安裝—排滾珠軸承能極好地提高主軸剛度增加主軸的承載能力。這一點對于重載切削至關(guān)重要。但是，因為滾珠軸承有較大的接觸面積，比向心止推軸承的重量重，因此消耗功率大，產(chǎn)生熱量大，容易引起主軸尺寸漲大，功率利用低。高速切削可減少作用在主軸和刀具上的徑向力，這樣，在主軸前端安裝的向心止推軸承提供了足夠的剛度和穩(wěn)定性，避免了機床主軸受熱而產(chǎn)生的尺寸膨脹

合理地選擇軸承材料同軸承種類同樣重要。雖然由軸承鋼制成的軸承目前仍被廣泛使用，但實踐證明，高速切削使用陶瓷軸承將表現(xiàn)出許多的優(yōu)點。盡管軸承鋼制成的軸承價格便宜，便其重量遠(yuǎn)比同樣規(guī)格的陶瓷軸承重得多。由于重量重，高速切削中發(fā)熱量大，必須配置復(fù)雜的冷卻潤滑系統(tǒng)。同時隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，使作用在軸承上的向心力增大，使軸承溫度升高，引起主軸尺寸增大，影響加工零件的尺寸精度，同時使機床主軸所需功率增加。陶瓷軸承由于重量輕，將較好地解決這一技術(shù)難題。切削試驗證明，陶瓷軸承使主軸尺寸增大的速度只為軸承鋼軸承的1/40。原因是它在高速下切削只有很小的向心力作用在軸承上。

    同時，為了提高機床主軸剛度和切削能力，在陶瓷軸承上還可施加很大的預(yù)加載荷。由于陶瓷軸承有以上特點，因而使其使用壽命增長。

    現(xiàn)代機床主軸技術(shù)允許機床根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速，方便地調(diào)整作用在主軸軸承上的預(yù)加載荷。當(dāng)機床主軸轉(zhuǎn)速增加時，由于向心力增加，作用在軸承廣的載荷也增加。反之，作用在軸承上的載荷減小。因而，使軸承上的熱量減少，軸承尺寸膨脹減小。當(dāng)然在高速切削下，也允許給軸承預(yù)加很小的載荷，這樣作用在刀具上的切削力很小，因此可降低對機床剛度的要求。在低主軸轉(zhuǎn)速下，給軸承預(yù)加較大的載荷，仍是必要的，因為在增加刀具切削力同時，作用在主軸上的作用力也增大了。

5 主軸電機與傳動系統(tǒng)

    目前，機床主軸和電機之間有兩種聯(lián)接方式，一是通過皮帶或齒輪；二是直接傳動，即直接將主軸電機連接于主軸上，或是將主軸電機與主軸同時安裝在一個復(fù)合裝置上，稱為復(fù)合主軸。

由皮帶或齒輪傳動的優(yōu)點是，主軸電機在慢速下旋轉(zhuǎn)也能獲得高的主軸轉(zhuǎn)速。這種傳動方式，由于電機轉(zhuǎn)速低，輸入功率小，因而價格便宜，但它具有以下缺點：由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而容易出現(xiàn)毛病，維修不方便。同時皮帶、齒輪與主軸之間還會產(chǎn)生振動。切削試驗證明，因存在振動，嚴(yán)重影響了加工質(zhì)量，降低了刀具使用壽命。切削試驗是在兩個臥式加工中心上進行，一個選擇最高轉(zhuǎn)速7000r/min的兩級齒輪傳動主軸；另一個最高轉(zhuǎn)速為10000r/min的直接傳動的復(fù)合主軸。在切削參數(shù)一致的情況下，直接傳動的復(fù)合主軸加工中心產(chǎn)生出的Ramax=2.7µm，而齒輪傳動主軸加工中心為Ramax=4.3µm。同時前者由于結(jié)構(gòu)簡單，運動零件少，因而可靠性高。隨著結(jié)構(gòu)的進一步簡化，運動零件進一步減少，還會使主軸能更快地加速和減速。相反，皮帶或齒輪傳動主軸包括主軸、軸座、電動機、皮帶輪或齒輪等，每個零件由不同重量的材料構(gòu)成，高速旋轉(zhuǎn)下發(fā)生摩擦產(chǎn)生熱。由于材料重量及作用力不同，各處產(chǎn)生的熱量又不相同，因此引起主軸各處膨脹量大小不同，嚴(yán)重時，使主軸產(chǎn)生變形，影響主軸尺寸、幾何形狀等。而直接傳動主軸則由于熱變形均勻，同時直接傳動主軸即使在超高速條件下，也可采取冷卻液通過主軸內(nèi)孔的冷卻方式進行冷卻。因而基本上不影響主軸精度，更能穩(wěn)定地保證加工質(zhì)量。

6 冷卻與潤滑

    在切削加工中，如果不加注冷卻液，將會引起主軸的尺寸膨脹。為保證機床主軸的高精度，就必須穩(wěn)定地控制主軸和軸承有一個固定的尺寸。

    目前，普通機床根據(jù)主軸結(jié)構(gòu)不同，選擇外冷、內(nèi)冷方式或內(nèi)外共同冷卻方式對主軸、軸承進行冷卻。但—般情況下，盡量采用外冷方式。通過冷卻，將由刀頭傳遞到主軸的熱量排至空氣中去。

研究發(fā)現(xiàn)，同樣大小的陶瓷軸承與軸承鋼軸承相比，不需要大量加注冷卻潤滑液。一個大直徑的滾珠軸承，由于直徑大，接觸面積大，產(chǎn)生大量的摩擦熱，建議選擇內(nèi)外共同冷卻方式進行冷卻。

為了有效地提高機床利用率，降低功率消耗，建：議采用霧狀冷卻或噴射冷卻油主軸冷卻系統(tǒng)進行冷，卻。尤其是對于高速加工機床，建議根據(jù)機床主軸達：到的最高轉(zhuǎn)速和軸承選用的材料，選擇主軸冷卻系統(tǒng)。根據(jù)機床主軸的轉(zhuǎn)速及軸承外徑校驗，以確定選擇的冷卻系統(tǒng)。若兩種軸承均選擇軸承鋼軸承，建議選擇噴射油冷卻系統(tǒng)。當(dāng)然兩者相比，后者需要提供大量的冷卻潤滑液，增大了機床的功率消耗。

7 機床與刀具接口

    CAT型法蘭式刀具夾頭是多年來最常用的機床主軸與刀具接口。但目前使用最多的則為新型的中空短錐柄結(jié)構(gòu)的HSK夾頭。雖然HSK夾頭價格昂貴，使用還受到一定的限制，僅它能在高的機床主軸轉(zhuǎn)速下具有極高的穩(wěn)定性和高配合精度，已受到各國用戶的青睞。這是由于HSK夾頭的結(jié)構(gòu)先進，加工質(zhì)量高，夾頭采用了短錐面和端面與主軸定位、配合的結(jié)構(gòu)形式，因而它與CATv型法蘭式夾頭比較，重量輕，夾緊可靠性高，定位精度高，重復(fù)精度高，且更換快速方便。

    使用中可根據(jù)機床主軸最高轉(zhuǎn)速、主軸錐度以及加工方法等選擇不同錐度、平衡精度的HSK夾頭。例如，在機床主軸轉(zhuǎn)速10000r/min，主軸為ISO.40號錐度，應(yīng)選擇ISO.40號錐度的經(jīng)預(yù)平衡的HSK夾頭。而在25000r/min，主軸錐度為40號的機床上使用，應(yīng)選擇40號錐度的可進行現(xiàn)場平衡的HSK夾頭。因為這種夾頭的平衡精度高，加工零件尺寸精度高，表面粗糙度低。同時由于延長了刀具的使用壽命，因而降低—廠生產(chǎn)成本。尤其對于平衡精度高的夾頭在20000～40000r/min的高速機床上使用，還有延長軸承使用壽命的優(yōu)點。

    一般情況下，單面的刀具/夾頭平衡器即可能滿足高速加工要求。而對于加長刀具，則應(yīng)選擇雙面刀具/夾頭平衡器對其進行平衡。

8 數(shù)控系統(tǒng)

    現(xiàn)代CNC技術(shù)允許機床以38.1m/min進給速度加工。其主要原因是由于加工中能選擇很高的切削速度加工。同時需要機床配備高轉(zhuǎn)速和高分辨率的伺服電機。除此之外，為了保證高精度，還要求高分辨率的伺服電機具有快速處理信號的能力。例如，一個一秒鐘能發(fā)出5000個電脈沖的伺服電機就不如一秒鐘能發(fā)出25000個脈沖伺服電機處理信號的能力強。對于高分辨率的主伺服電機按加工程序要求的加工長度，不停地向軸伺服電機發(fā)出所需的脈沖數(shù)，尤其是對于亞微米級的超精加工尤其需要。它要求選擇能使機床移動距離的最小增量為1µm，分辨率達0.5µm的伺服電機(即主伺服電機向各軸向伺服電機發(fā)出每個脈沖，機床工作臺可沿軸向移動0.5µm)。當(dāng)然，光有高分辨率的伺服電機而不增加處理器的運行速度是沒有用的。因為高分辨率的伺服電機具有比它的前輩有更多的數(shù)據(jù)需要處理，所以要求字組處理的高速度。字組處理的高速度能快速處理數(shù)據(jù)和向分伺服電機快速發(fā)出脈沖。為此，一般在伺服電機上需要配置兩個32位的處理器才能滿足使用要求，才能快速處理好加工中收集的大量數(shù)據(jù)和涉及到高速加工中對復(fù)雜零件形狀快速地進行復(fù)雜計算的需要。

    當(dāng)加工大型的形狀復(fù)雜的飛機零件和塑壓模具時，由于一般的NC系統(tǒng)的內(nèi)存不夠，一般需要先存入計算機內(nèi)，同時由計算機輸入NC系統(tǒng)(或稱CNC系統(tǒng))。當(dāng)然對于程序不長、形狀不太復(fù)雜的零件，則一般的NC系統(tǒng)即可滿足使用要求，因為它具有每秒鐘能處理76800個符號的傳輸速度。

    為提高機床的快速進給能力和加工精度，需要開發(fā)新的計算機軟件。根據(jù)實際加工需要，要求開發(fā)的軟件不論在一般進給速度還是高速進給條件下，均能獲得加工零件的高精度。

    據(jù)報道，最近開發(fā)的高進給速度計算機軟件能在396.24m／min進給速度條件下加工形狀復(fù)雜的三維立體零件，例如飛機零件和塑壓模具等，同時降低零件表面粗糙度。這是由于從理論上講，為最后保持復(fù)雜形狀零件加工的高精度，而需要無限制地增加走刀次數(shù)，但是，在進給量相同條件下，增加走刀次數(shù)，則將無限制地增加加工時間。如果這時同時也無限制地增加進給速度，則可保持在加工時間不變條件下，提高加工精度，降低零件表面粗糙度。這一點對于形狀復(fù)雜的零件表面的加工尤其有著重要的指導(dǎo)作用。當(dāng)然無限制地增加進給速度在實踐中是不可能實現(xiàn)的。目前。也只能達到3810～7620m/min的進給速度。在此進給速度下適當(dāng)?shù)卦黾幼叩洞螖?shù)，還是能保證目前的生產(chǎn)需要的。

為在選定的進給速度下提高零件加工精度，不僅可以通過適當(dāng)增加走刀次數(shù)，而且可以通過最近開發(fā)的幾何形狀補償軟件，在較高生產(chǎn)效率下極好地保證加工質(zhì)量。

    幾何形狀補償軟件與高進給速度軟件不同，后者用以提高機床進給速度或減少加工時間，提高生產(chǎn)效率，前者主要用以提高加工零件精度，其主要的功能如下：

    預(yù)先對加速度或減速度進行插補。在圓弧插補加工中經(jīng)常出現(xiàn)匯編的程序與實際加工之間存在很大的差異，其主要原因是由于刀具沿軸向移動中的加速度或減速度造成的超前或滯后所致。它可以通過對刀具運動產(chǎn)生的加速度或減速度造成的誤差進行補償。

    對向前進給進行預(yù)先控制。除加工系統(tǒng)外，機床伺服控制系統(tǒng)本身的一些誤差也能降低加工零件精度。新開發(fā)的向前進給控制系統(tǒng)，能根據(jù)加工程序、切削速度和進給速度等計算出可能產(chǎn)生的誤差值，在實際加工誤差出現(xiàn)前，對其進行補償。

    進行精密的矢量補償。當(dāng)機床進行高速加工時，需優(yōu)先選擇一種合適的進給速度。一般通過調(diào)整伺服電機中放大裝置的放大系數(shù)得到。當(dāng)將向前進給的放大系數(shù)調(diào)整到很大時，即可提高伺服控制對誤差的跟蹤速度。當(dāng)然跟蹤速度的提高將降低伺控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。伺服控制系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定性，將會使加工出的零件表面粗糙度變壞。精密的矢量補償系統(tǒng)就是用以對大型的選擇微增量的零件加工程序進行校正。校正后的加工程序能穩(wěn)定伺服控制系統(tǒng)，尤其是進給系統(tǒng)穩(wěn)定的伺服控制系統(tǒng)能消除引起零件表面粗糙度變壞的振動。

    選擇合適的拐角加工減速度。在應(yīng)用以上三種功能時，通常還要求各運動軸在零件的拐角加工處進行減速，以避免驅(qū)動系統(tǒng)在刀具快速轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生沖擊振動。它要求在給定的時間內(nèi)減速到適當(dāng)?shù)倪M給速度下進行加工。

    對高性能加工中心，不僅需設(shè)計出高轉(zhuǎn)速的主軸，還需設(shè)計出高性能CNC系統(tǒng)、高精度直線導(dǎo)軌、精密滾珠絲杠、軸承、選擇合適的冷卻潤滑方式、機床/刀具接口等。上述技術(shù)目前已用于生產(chǎn)許多高性能加工中心，用于生產(chǎn)實際，并取得了很好的經(jīng)濟與社會效益。