為工模具制造的高速加工選擇機床

近些年以來，高速切削已經(jīng)確立了其自身作為替代傳統(tǒng)加工方法或補充技術(shù)的地位，比如替代傳統(tǒng)銑削或電火花成形工藝。然而，經(jīng)驗表明，多年以來一直認為是具有現(xiàn)代工藝水平的發(fā)動機和齒輪箱制造工藝或整體部件的制造技術(shù)，并不能簡單地轉(zhuǎn)化到工模具的制造當中。如今工件的幾何形狀和材料每天都在變化，要求的交貨期越來越短，還對加工精度、表面質(zhì)量和柔性提出了要求，這些都與以前對大批量生產(chǎn)的要求不同。另一方面，高速加工的效率是如此令人難忘，任何一家制造廠都不會錯過對高速銑削技術(shù)的關(guān)注。高速切削技術(shù)越來越多地應(yīng)用到了模具生產(chǎn)、精密復(fù)雜零件的小批量生產(chǎn)、以及其它應(yīng)用中。生產(chǎn)管理者已經(jīng)逐漸意識到這一工藝可以成功有效地加以利用。

圖1:高速銑床的大致結(jié)構(gòu)，這是為了分散SY SZ VC [Wz Ws]SX 上的移動質(zhì)量而設(shè)計的
對高速切削加工中心的要求
對高速銑床部件的要求，一方面應(yīng)從最終用戶的角度進行定義，另一方面，應(yīng)從加工工藝角度定義。對于第二點，尤其應(yīng)該加以注意。高速切削加工中心所需要關(guān)注的核心點是設(shè)備的動態(tài)特性 (結(jié)構(gòu)、驅(qū)動部件)、電主軸、控制系統(tǒng)和自動化裝置等。
動態(tài)特性
高速切削加工中心的動態(tài)特性常常被簡化成加工速度和加速度能力，事實上這種看法是不夠全面的。機床獲取大路徑切換值的動態(tài)特性至關(guān)重要。路徑切換值越大，所需的加工時間也就越短，刀具的使用壽命也越長。而獲得高動態(tài)性能的基礎(chǔ)是機床的各個部件應(yīng)該具有最佳阻尼特性，整個系統(tǒng)有很高的穩(wěn)定性。這些特性可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和選擇合適的機床材料來獲得。
比如近些年來發(fā)展的聚合物混凝土(人造大理石)床身，其減振效果比使用鑄鐵材料的床身大大提高了，阻尼特性是鑄鐵的10倍。今天，幾乎所有的高動態(tài)性能機床的制造商都用混凝土作為各種非移動結(jié)構(gòu)部件的材料，比如用于機床床身和橫梁。大動態(tài)特性的機床部件移動所產(chǎn)生的沖擊力被混凝土床身完全吸收了。
相比之下，當制造像主軸箱這樣的移動部件時，鑄鐵材料的耐壓和耐拉強度就更有優(yōu)勢一些。鑄鐵材料可以用于制造具有優(yōu)異強度和穩(wěn)定性的較輕的部件。與傳統(tǒng)銑削機床相比較，高速銑床上的移動部件的質(zhì)量降低了三到五倍。
笛卡爾機床運動學的另一個原理就是，盡可能的將切削力分配在工件和刀具上。一方面要考慮工件的重量，另一方面還要考慮主軸的重量，目標就是盡量達到質(zhì)量平衡關(guān)系。圖1顯示了一臺用于加工中等重量工件的機床，機床設(shè)計時就特別考慮到了這一特殊要求。在此情況下，分布在工具側(cè)的質(zhì)量和分布在工件側(cè)的質(zhì)量大小相等。在這種特殊情況下，就可保證Y-軸的動態(tài)特性在相當大程度上與X軸的動態(tài)特性一致。
今天，人們對5軸高性能、高速加工的興趣與日俱增。就高速加工產(chǎn)生的背景來看，機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計和旋轉(zhuǎn)擺動工作臺的驅(qū)動方式關(guān)系密切。常規(guī)的蝸輪蝸桿驅(qū)動的圓形旋轉(zhuǎn)工作臺，其動態(tài)特性無法滿足五軸聯(lián)動高速切削的要求。而采用直接驅(qū)動技術(shù)的旋轉(zhuǎn)工作臺可以提供與線性軸相匹配的進給轉(zhuǎn)速和加速度，甚至提供優(yōu)于線性軸性能的參數(shù)。采用直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作臺的另一個好處就是驅(qū)動裝置中沒有了易損件。因此，具有顯著加工效率的五軸聯(lián)動高速加工就實現(xiàn)了。
高速加工的一個基本動態(tài)特性是能夠以最快的速度達到程序中設(shè)定的進給速度。為此需要的加速度和切換值由大功率數(shù)字驅(qū)動裝置提供。實現(xiàn)高的進給速度和進給加速度既可以通過大螺距滾珠絲杠和交流伺服電機配合實現(xiàn)，也可以由線性電機直接提供。最終選擇哪一種驅(qū)動方式，只有通過實踐來證明。事實上兩種不同的驅(qū)動方式都各有其利弊。采用何種技術(shù)方式、進給速度、加速度和切換值仍然要服從于改善零件加工精度的要求，目前市場上并沒有用直線電機技術(shù)替代已經(jīng)很成熟的滾珠絲杠技術(shù)的緊迫要求。
對于以球形循環(huán)為基礎(chǔ)的各種設(shè)計，包括滾珠絲杠和帶有滾動滑塊的線性導(dǎo)軌，初始的預(yù)緊力相當重要。只有采用合適的預(yù)緊力，驅(qū)動系統(tǒng)才能正常運轉(zhuǎn)，此時的系統(tǒng)穩(wěn)定性最大、磨損量最小、產(chǎn)生的熱量最小。另外滾珠絲杠需要兩端固定。
對于中小型機床，線性導(dǎo)軌采用集中布局，其間距越遠越好。為了達到更好的檢測效果，線性光柵尺也應(yīng)安裝在線性導(dǎo)軌之間，而且盡量靠近加工點。首先，這種集中布局提供了一定程度的保護，可防止被污染；第二，進給速度被對稱地傳遞給線性導(dǎo)軌，而且實際記錄的位置就是被加工的位置。為了更準確地記錄位置和速度，就要使用包括高精度旋轉(zhuǎn)編碼器和線性測量裝置在內(nèi)的雙反饋系統(tǒng)。

圖2: 非關(guān)鍵方向上熱膨脹補償移動和固定軸承的布局。
電主軸
現(xiàn)代高速加工的電主軸的特點是轉(zhuǎn)速大、使用現(xiàn)代的軸承材料、整體冷卻回路和HSK錐柄。電主軸上裝有集成電路傳感器，可以記錄任何振動現(xiàn)象，而且可以計算電主軸的熱特性，利用智能運算法則進行補償。
大功率電主軸采用矢量控制技術(shù)，也就是由閉合控制回路控制，可以精確地定位角位置。與傳統(tǒng)的開環(huán)控制回路驅(qū)動的電主軸相比，這種方法提供了一些非常有用的優(yōu)勢。首先，可以充分利用整個轉(zhuǎn)速范圍，從50 - 200r/min一直到最大轉(zhuǎn)速，而且在低轉(zhuǎn)速時獲得大的切削扭矩。這樣就可以用20,000 rpm以上的高速主軸完成某些條件下的螺紋切削，并可使用大直徑刀具進行銑削加工。
混合陶瓷軸承是由淬硬鋼制成的軸承內(nèi)外圈和復(fù)合陶瓷制成的滾珠組成的，與傳統(tǒng)的鋼珠軸承相比，軸承的剛性和耐磨性提高了，提高了回轉(zhuǎn)精度并增強了溫度的穩(wěn)定性。假若沒有這種軸承，現(xiàn)代電主軸的使用壽命將不可想象。通過軸承外圈直接噴入的油氣混合物保證了最優(yōu)化的潤滑和極長的使用壽命。相比之下，間接噴入油氣混合物的方法則相當不可靠，因為在混合流體通過軸承罩時，會產(chǎn)生空氣湍流現(xiàn)象。
主軸鼻端和刀柄的HSK接口現(xiàn)在已經(jīng)確立了其在高速加工中的作用。由于此種結(jié)構(gòu)大大提高了刀柄的連接剛性，因此它顯著地提高了加工精度。通過測試SK40和HSK-A63承受徑向力的能力，發(fā)現(xiàn)HSK接口的徑向擾動是SK40的一半。其軸向伸長比SK接口降低了約一半。
所有高速主軸共有的一個問題是高速轉(zhuǎn)動時的發(fā)熱問題。設(shè)計上采取的措施是將主軸軸承盡量靠近主軸鼻端(圖2)安裝，主軸發(fā)熱造成的伸長被傳遞到了后部，也就是非重要的方向上。如果熱量傳遞到機床的其它部件上時，比如主軸溜板或刀柄上，就會對工件的加工精度產(chǎn)生影響。解決這個問題既要靠機床操作人員，又要依賴機床制造商，因為操作人員可以通過有效的系統(tǒng)程序來控制這種影響；而機床制造商可以通過相應(yīng)的傳感器和控制系統(tǒng)提供的運算法則來計算位移數(shù)值。很明顯，后一種方案是用戶友好的，因此更具優(yōu)越性。然而在此應(yīng)該指出，在高速加工過程中，優(yōu)異的加工精度是操作人員和系統(tǒng)交互作用的結(jié)果，因為對熱量對刀具長度的影響進行溫度補償時，系統(tǒng)的工作方法是不可或缺的。在此，機床制造商增加一些必要的輔助手段也是非常重要的，比如增加自動激光刀具測量裝置等。
振動對主軸軸承的有效使用壽命、刀具的使用壽命和工件的加工質(zhì)量都有負面的影響，所以應(yīng)盡一切努力避免這種事情的發(fā)生。為此目的，米克朗的電主軸上都裝了振動傳感器，用于記錄加工過程實時的振動情況。這些測量裝置測量到的有關(guān)加工過程的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)控系統(tǒng)顯示，操作人員就可利用這些數(shù)據(jù)對加工過程進行系統(tǒng)的優(yōu)化，比如，調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速和進給速度、測試各種銑床的加工效果、確定重要的加工方法和進行適當?shù)男薷牡鹊取?br /> 控制系統(tǒng)
最近幾年以來，控制系統(tǒng)技術(shù)有了很大進步。特別是在五軸聯(lián)動高速加工時，最有意義的方面是大大降低了程序塊處理時間。這一具有現(xiàn)代工藝水平的控制技術(shù)包括用以平衡高速加工中經(jīng)常發(fā)生的熱偏移的補償運算法則、高性能的程序段前瞻能力、控制系統(tǒng)中機床硬件的優(yōu)化模型、集成的機床故障自診斷功能和以優(yōu)化的機床動態(tài)特性為基礎(chǔ)的加工精度智能控制系統(tǒng)。
很顯然，程序段的處理時間越短越好。由于沒有明確的指導(dǎo)原則統(tǒng)一定義這個時間，所以不同控制系統(tǒng)制造商的程序段處理時間不能簡單地相互比較。一般而言，每一行數(shù)控程序中移動的軸的數(shù)量起主要作用。每個數(shù)控程序輔助指令的集合，比如輔助功能、轉(zhuǎn)速或進給速度等，都或多或少地影響了程序段的處理時間。其中一個主要的影響就是在進行5軸聯(lián)動加工時，由于進行了坐標軸變換或旋轉(zhuǎn)軸偏差計算而引起的。機床能夠一直做連續(xù)運轉(zhuǎn)，而不受沖擊和不流暢運動的影響，這一點非常重要。而引起這一切的原因是數(shù)據(jù)計算不完全，即所謂的“數(shù)據(jù)饑餓”。
高速加工機床上的熱漂移影響是不可避免的，并可在最終用戶期望的范圍以內(nèi)，采取適當?shù)拇胧┻M行補償。在此，可以使用基于傳感器或軟件的系統(tǒng)�；�于軟件的系統(tǒng)有著一定的優(yōu)勢，更加適合于補償綜合誤差；而基于傳感器的系統(tǒng)通常只能記錄一個部件的漂移，比如，主軸鼻端相對于Z軸溜板的漂移。圖3顯示用不同系統(tǒng)對溫度變化引起的漂移的補償結(jié)果， 并與沒有進行補償情況下的負載曲線進行比較，負載曲線中包括不同轉(zhuǎn)速的影響、刀具的影響和托盤交換以及故障停機時間的影響。

圖3: 傳感器和智能控制系統(tǒng)補償溫度引發(fā)的位置漂移
沒有功能強大的前瞻功能，高速加工將是不可想象的事。前瞻功能可以：
保持最佳的軸進給速度；
保持最佳的進給加速度；
保持最佳的路徑變換；
識別拐角，及時降速；
保持規(guī)定的動態(tài)精度曲線；
及時降速、使加工速度不超過機床的運行特性范圍。
有一種流行但錯誤的看法，認為有最大程序預(yù)處理能力的前瞻功能是一種優(yōu)勢。但事實上，實際的程序段預(yù)處理能力是由前瞻功能和高速銑削加工中心的動態(tài)特性共同決定的。前瞻功能必須能夠調(diào)節(jié)機床的動態(tài)特性，以便保證：
機床永不過載運行；
始終保持工件的加工質(zhì)量。
機床的動態(tài)性能越大，則控制系統(tǒng)中的機床特性模型也就越準確，需要前瞻功能進行預(yù)處理的程序段也就越少。 通常使用預(yù)處理大量程序段所產(chǎn)生的最嚴重的缺點是，無法選擇干預(yù)處理進程，人工調(diào)節(jié)進給速度和主軸轉(zhuǎn)速；因為被預(yù)先處理過的程序儲存在緩沖器中，不能進行存取和進行人工調(diào)節(jié)操作。
有效的速度、加速度穩(wěn)定功能和輪廓轉(zhuǎn)換，是高速加工控制系統(tǒng)的另外一個重要特點。用同一臺機床加工，平滑的輪廓加工施加在機床和電子設(shè)備上的傾斜壓力就小，因而可以提高最大加速度值和移動速度。反之，不平滑的輪廓就達不到這些。
故障診斷和遠程監(jiān)控功能可以直接組合到控制系統(tǒng)中，也可以用外部設(shè)備簡單地實現(xiàn)這一功能。這些功能都是獲得機床最大利用率的先決條件，特別是在與自動化設(shè)備連接時更是如此。
最近的發(fā)展趨勢是，利用集成傳感器(自適應(yīng)控制)探測到的數(shù)據(jù)，通過專門的技術(shù)，主動地干預(yù)加工過程。
例如，可以根據(jù)加工要素的優(yōu)先等級或根據(jù)工件的重量或刀具路徑的復(fù)雜度來優(yōu)化加工過程。數(shù)據(jù)由操作人員輸入，并由內(nèi)部的控制系統(tǒng)使用以調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使其適應(yīng)特殊的加工應(yīng)用。這樣就可縮短加工時間、提高表面光潔度和零件的加工精度。
自動化加工
在西方工業(yè)國家中，自動化系統(tǒng)常被用于補償那些投資和工資水平較高的項目。一個便于與外部或集成的自動化系統(tǒng)連接的接口顯得越來越重要。同時，對自動化系統(tǒng)的要求就產(chǎn)生了對有效的切屑處理、適當?shù)膿Q刀能力、托盤系統(tǒng)以及最重要的對生產(chǎn)環(huán)境區(qū)管理的要求。
自動換刀裝置是所有加工中心的標準設(shè)備，刀庫的容量經(jīng)常略顯不足。所以至少應(yīng)提供具有擴大刀庫容量的換刀裝置以供選擇。
如果水平面上沒有能收集切屑的位置，則為了實現(xiàn)最優(yōu)化的切屑處理要求，就需要一個加工空間以容納落下的切屑，以便對切屑進行自動化處理。根據(jù)要加工的材料類型和應(yīng)用的具體情況，在高速加工時，一般應(yīng)使用壓縮空氣或冷卻液體潤滑脂以及少量的潤滑油進行冷卻和潤滑。機床上應(yīng)安裝必要的冷卻液和潤滑液處理所需的一切裝置，以便對其干凈有效地處理。