淺談高速加工機床

一、簡介

　　高速切削的基本理論在80多年前就已提出，近十幾年來，機床各主要單元技術(shù)（如電主軸技術(shù)，高精度、高速度CNC技術(shù)）迅速發(fā)展，極大地促進(jìn)了高速機床的制造水平，高速切削技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛。應(yīng)用已遍及汽車、航空航天、模具以及精密機械行業(yè)。

二、高速加工的論述

　　高速加工機床的性能優(yōu)點：高速度:提高加工效率；小切深：能得到較高的加工精度；干式切削：環(huán)保；切削力小，切削溫度低；直接加工硬化材料；加工薄壁零件：減小零件變形；工藝集中。

　　高速加工機床的關(guān)鍵技術(shù)：硬件技術(shù)：數(shù)控機床和刀具；軟件技術(shù)：數(shù)控編程技術(shù)（CAM系統(tǒng)）。

　　高速加工對機床的要求：主軸轉(zhuǎn)速高、功率大。目前，高速加工機床的主軸轉(zhuǎn)速一般都在10000r/min以上，為一般機床的10倍主電動機功率一般為22KW以上，以實現(xiàn)高效率、重工序切削；進(jìn)給量和快速行程速度高：為一般機床的10倍左右，可大幅度提高機床的生產(chǎn)率；主軸和工作臺（拖板）運動的加（減）速度高：加減速為1-8g；優(yōu)良的靜、動特性以及熱特性 ：高速切削時，機床各運動部件之間的相對運動速度很高，運動副結(jié)合面之間將發(fā)生急劇的摩擦和發(fā)熱，同時，高的加速度也會對機床產(chǎn)生很大的動載荷。因此，在設(shè)計、制造高速機床時，必須在傳動和結(jié)構(gòu)上采取特殊的工藝技術(shù)，使高速機床既具有足夠的靜剛度，又有足夠的動剛度和熱剛度；與主要部件的高速度匹配的輔件：數(shù)控系統(tǒng)功能優(yōu)良。

　　高速加工對CAM軟件的要求：

　　　�。薄⒒�本要求：

　　　　　　1)安全性；2)驗證機構(gòu)；3)多種加工策略；4)軌跡編輯功能；5)豐富的數(shù)據(jù)接口。

　　　�。�、特殊要求：

　　　　　　1)自動生成高速加工的工藝參數(shù)：系統(tǒng)根據(jù)被加工材料、工藝特點、機床性能、刀具等參數(shù)，自動生成工藝參數(shù)，并允許編程人員根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行優(yōu)化；

　　　　　　2)生成平滑的刀具軌跡 ：高速加工的進(jìn)給量很高，要求刀具軌跡盡量平滑，避免突然換向，否則刀具有可能沖出預(yù)定的軌跡，造成過切；

　　　　　　3)進(jìn)給量優(yōu)化：能夠根據(jù)加工瞬時余量的大小，由CAM系統(tǒng)自適應(yīng)的對進(jìn)給量進(jìn)行優(yōu)化處理，使刀具以不斷變化的切削速率加工零件；

　　　　　　4)減少加工數(shù)據(jù)量 ；

　　　　　　5)毛坯余量知識 ：系統(tǒng)能夠自動記錄每個加工步驟之后的毛坯余量。

　　高速加工機床的主要部件：高速主軸部件（電主軸）；高速進(jìn)給驅(qū)動和傳動系統(tǒng)；能夠提供高速進(jìn)給控制的機床數(shù)控裝置；包括安裝、夾緊、快速交換以及實現(xiàn)動平衡的高速刀具系統(tǒng)；適用于高速切削的工件裝夾裝置；高效冷卻和排屑裝置；可靠的安全防護和監(jiān)測裝置；動、靜、熱特性好的床身、立柱和工作臺等支承部件。

　　國產(chǎn)高速機床改進(jìn)的唯一目的：適應(yīng)速度快，精度更高。

三、高速主軸技術(shù) 

　　電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置等。電動機的轉(zhuǎn)子直接作為機床的主軸，主軸單元的殼體就是電動機機座，并且配合其他零部件，實現(xiàn)電動機與機床主軸的一體化。 

　　機床主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床的“零傳動”。這種主軸電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機床的傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”(ElectricSpindle,Motor Spindle)。 Electro spindle、Motor Spindle、Motorized Spindle或“直接傳動主軸”(Direct Drive Spindle) 

　　高速主軸系統(tǒng)構(gòu)成：主軸電動機、支撐軸承、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、預(yù)緊系統(tǒng)、電氣驅(qū)動。

電主軸的工作原理簡介

　　電主軸支撐軸承：高速電主軸的軸承的性能對電主軸的使用功能和使用壽命有重要的影響，因此它應(yīng)具有以下特點：高速回轉(zhuǎn)精度、徑向和軸向剛度高、溫升較小以及使用壽命長。支承方式有通常包括球軸承、滾動軸承；磁懸浮軸承、氣靜壓軸承液動壓軸承等電主軸的電動機的驅(qū)動方式普通變頻器標(biāo)量驅(qū)動和控制。

　　驅(qū)動控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，輸出功率和轉(zhuǎn)速成正比，在低速時的輸出功率不夠穩(wěn)定，不能滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求，也不具備主軸的準(zhǔn)停和C軸控制功能——實現(xiàn)主軸周向任意位置控制的功能 ，但價格較為便宜。

　　矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動和控制：其控制特性為：低速端的恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動以及中、高速端的恒功率驅(qū)動。有開環(huán)和閉環(huán)控制兩種。在閉環(huán)工作方式下，可通過主軸上的位置傳感器，來實現(xiàn)位置和速度反饋，獲得更好地動態(tài)性能，并可實現(xiàn)主軸的準(zhǔn)停和C軸控制。

四、高速機床的進(jìn)給系統(tǒng)

　　高速機床進(jìn)給系統(tǒng)的要求：高速度（60m/min;有時120m/min)；高加速度；高靜態(tài)、動態(tài)精度；高可靠安全性；成本較低。

　　高速機床用的進(jìn)給系統(tǒng)主要有：高速滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)；直線電動機進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)。其中，直線電動機具有比滾珠絲杠副進(jìn)給系統(tǒng)更優(yōu)良的加速性能，正在成為現(xiàn)代高速加工機床進(jìn)給系統(tǒng)的基本傳動方式。而滾珠絲杠副傳動動態(tài)特性差，高速下熱變形嚴(yán)重等缺陷，不適宜直接使用。

滾珠絲杠副傳動實現(xiàn)高速化方法：

　　提高系統(tǒng)剛度；增大絲杠螺母導(dǎo)程和螺紋頭數(shù)；強制冷卻，減少熱變形；采用新型螺母結(jié)構(gòu)；陶瓷等新材料制造滾珠；對螺母預(yù)緊力進(jìn)行控制；采用螺母旋轉(zhuǎn)，絲杠不動的運動方案；采用雙電動機驅(qū)動結(jié)構(gòu)；直線電機驅(qū)動。

五、高速加工機床的數(shù)控系統(tǒng)

　　影響高速加工精度的原因：位置滯后誤差；加減速引起的滯后誤差；插補周期大小；輪廓誤差。

　　高速加工機床技術(shù)要求：高速處理程序段；迅速準(zhǔn)確地處理控制信息流，控制加工誤差為最�。蛔銐蛉萘�，或可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸大量數(shù)據(jù)；高速工作主軸電動機、進(jìn)給伺服電動機、傳感器；高可靠性、安全性。

下面介紹一款意大利西曼斯的高速加工機床:

　　意大利西曼斯CMS五軸龍門加工中心POSEIDON系列高速加工中心

　　該加工中心最大主軸轉(zhuǎn)速10000rpm。X軸3800-11700mm，Y軸3300mm，Z軸1800mm。采用橋式結(jié)構(gòu)，龍門電氣雙驅(qū)、齒輪齒條結(jié)構(gòu)，適合于任何非金屬材料和輕鋁合金材料的中、大型工件的五軸聯(lián)動加工。

項目 工作臺最大承載量kg/m2 X軸行程mm Y軸行程mm Z軸行程mm 龍門立柱跨距mm 主軸端部至工作臺距離mm 最大進(jìn)給速度m/min 最大加速度m/s2 最大轉(zhuǎn)速rpm 最大輸出功率kw 最大輸出扭矩Nm. 截面尺寸mm

38/53/68/83/98/117 15000Xm2 3800/5300/6800/8300/9800/11700 3100/3300 1200/1500/1800 4470 最低點：0~500，最高點：1500~2050 30 3 10000，8000（當(dāng)滑枕為CAC結(jié)構(gòu)時） 26，32（當(dāng)滑枕為CAC結(jié)構(gòu)時） 500，611（當(dāng)滑枕為CAC結(jié)構(gòu)時） 590*590

　　需要了解更多詳情的加工中心，可來電咨詢范總13306110090，郵箱fq@lanshengcnc.com，也可電話咨詢0519-88113113