淺談國外高速加工中心的發(fā)展

1　前言


國外汽車工業(yè)的大批量生產，每種零件的生產綱領少則幾萬件，多則幾十萬件，甚至上百萬件，生產節(jié)拍為每件幾秒鐘到幾十秒鐘，其生產設備采用高效自動化裝備。由于市場對產品的多樣化需要和產品的不斷更新，汽車生產廠家對加工設備提出高效高柔性要求，即在滿足大批量生產的前提下，加工設備既要具備適應多品種生產的能力，還必須具備可迅速調整適應新產品生產的能力。

傳統(tǒng)的組合機床或專用機床自動線雖然生產效率高，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，其效率遠不如組合機床或專用機床的多軸加工。因此，自80年代中期以來，開發(fā)適應大批量生產的高速加工中心便成為國外機床工業(yè)技術發(fā)展的主流之一。

2　高速加工中心發(fā)展概況


近十多年來，新型刀具材料的不斷出現與機械制造技術及控制技術的發(fā)展相結合，把切削加工的能力和水平提高到一個嶄新的高度，從而促進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和應用

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合金、碳(氮)化鈦硬質合金、陶瓷刀具材料、立方氮化硼(CBN)、立方/六方復合氮化硼(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。目前受高速機床性能等技術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。其進給速度范圍一般為2～25m/min。

2.2　新型高速主軸結構

采用主軸、電機一體化的主軸部件，主軸也是電機的轉子，定子裝入主軸套筒內，取消了傳統(tǒng)的電機經齒輪和皮帶傳動主軸的結構。這種主軸結構減少了關鍵零件，減少了振動，增加了可靠性，可獲得高轉速和高的加(減)角速度。為此，主軸支承采用陶瓷軸承、靜壓軸承、動壓軸承、空氣軸承以及氣油潤滑、噴射潤滑等技術。

2.3　直線電機驅動坐標軸

對加工中心的所有坐標軸驅動均采用快速、精密、高精度和耐用的直線電機，可顯著地減少諸如摩擦力、間隙和磨損等機械傳動特性的影響，可獲得一致的高精度的位移運動、動態(tài)位移和精確的定位，其快速行程可達到60m/min。直線電機具有高的加(減)速度變化率，顯著地縮短了定位時間。為此，坐標軸采用靜壓或新型直線滾動導軌，還采用了高響應位置檢測元件等技術。

2.4　適應高速的配套技術

采用新型換刀機構和伺服驅動的托板交換裝置，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實心錐柄刀桿在高轉速時的致命弱點，開發(fā)了“雙定位刀桿”。這種新結構刀柄的定位方式為靠1∶10的錐部與主軸內錐面定心，同時刀柄凸緣端面與主軸前端面緊貼，從而獲得高轉速的聯(lián)接剛性。當前已有法國HSK系列產品，美國KM系列產品，日本、瑞典也有類似產品。

2.5　高速加工中心的主要技術參數

90年代以來，國外一些機床廠家先后開發(fā)出一批高速加工中心，其主要技術參數為：


主軸最高轉速：一般為12000～15000r/min，有的高達40000～60000r/min。

坐標軸的加工進給最高速度：30～60m/min，快速移動速度高達70～80m/min。

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


綜上所述，高速加工中心的出現使得單軸加工中心的效率趕上了多軸的組合機床或專用機床。因此，高效高柔性的加工中心已開始在汽車工業(yè)中應用，并成為重要的工藝裝備。

3　高速加工中心實例簡介


德國EX-CELL-O GMBH公司XHC240臥式加工心

這是國外第一次展出采用直線電機驅動的加工中心，其主要技術參數：


主軸最高轉速達24000r/min；

坐標軸快速移動速度達60m/min，加速度為1g；

換刀時間(切削-切削)為4.5s；托板交換時間為6s。


機床主要結構特點：


采用主軸電機并氣動潤滑主軸軸承，由傳感器監(jiān)控主軸溫度和軸承潤滑。

坐標軸由直線電機驅動，采用快速CNC系統(tǒng)，可調整其動態(tài)特性。

刀庫和主軸直接換刀，無專門的換刀機械手。

托板交換裝置由伺服電機驅動。

采用空心短錐刀柄，高壓內冷卻加工。


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

德國Chiron Werke公司FZ12W立式加工中心

主要技術參數：


主軸最高轉速達15000r/min；

主軸功率為9.5kW；最高進給速度達40m/min；

換刀時間(刀-刀)為0.8s。


機床主要結構特點：


采用數字主軸驅動系統(tǒng)和數字伺服軸驅動系統(tǒng)，具有超高速響應特性。

采用空心短錐刀柄，高壓內冷卻加工。

刀庫容量20把并圍繞主軸圓周布置，每一刀座均有一個換刀機械手。


日本Mazak公司產品

FH480型臥式加工中心的主要技術參數：


主軸最高轉速達12000r/min；

最高進給速度與快速移動速度均為32m/min；

換刀時間(刀-刀)為1.3s；托板交換時間為5s。


機床主要結構特點：


采用主軸電機，主軸由靜止啟動到最高轉速僅需1.5s。

采用32位Mazatrol M-32CNC系統(tǒng)，其軟件包可使機床在保持高精度的情況下實現高速進給，而內裝的智能軟件能自動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參數：


主軸最高轉速達15000r/min；

主軸電機功率為15kW/11kW；

最高進給速度達40m/min；

快速移動速度達60m/min，加速度為1g；

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

工作臺轉位90°時間為2.5s。


機床主要結構特點：


采用主軸電機、陶瓷軸承，主軸由靜止啟動到最高轉速僅需1.8s。

采用高水平滾珠絲杠驅動坐標軸，獲得當今滾珠絲杠驅動方式的最高速度。


日本新瀉鐵工所SPN50、SPN40加工中心

主要技術參數：


主軸最高轉速達12000r/min；

快速移動速度為40m/min，加速度為0.6g；

換刀時間(刀-刀)為1.4s/1s，(切削-切削)為3.8s/2.7s。


機床主要結構特點：


采用獨創(chuàng)的雙臂瞬時換刀的SSM超高速換刀系統(tǒng)。模仿人的雙手完成同步回轉運動，只需一個動作(左手拔刀，右手插刀)實現換刀。而常規(guī)的換刀機械手需要完成3個動作，因此使非切削時間減少50%。

為了減輕移動部件重量，機床結構為T型床身，立柱固定，主軸箱移動，采用“箱中箱”布局，X軸移動導軌分置于立柱的上、下兩端，跨度大、剛性強，提高了高速定位和加(減)速性能。

采用遮斷熱量傳導方式的主軸冷卻系統(tǒng)，使用特殊的斷熱聯(lián)軸器(熱傳導率是鐵的1/200)分隔主軸電機，以隔斷發(fā)熱量最大的電機轉子至主軸的熱傳導，并以冷卻液對主軸外圍、主軸軸承、電機安裝結合部、電機定子進行循環(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動坐標軸。


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

主要技術參數：


最高主軸轉速達12000r/min；

快速移動速度達38m/min，加速度為0.6g；

換刀時間(切削-切削)為4.5s；托板交換時間為8s。


機床主要結構特點：


為減輕運動部件重量，主軸頭安裝在滑枕上，由滑枕作Z向運動，而不采用立柱運動。

立柱與床身鑄成一體，提高了機床剛度并減少了機床維修。

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，在輪廓加工中可動態(tài)調整進給率，以達到編程要求的加工精度�？刂葡到y(tǒng)內有全集成的PC子系統(tǒng)，能接受SO/2、windows與DOS的程序，因而能聯(lián)入計算機網絡，水平較高。

美國Ingersoll銑床公司HVM600型臥式加工中心

主要技術參數：


最高主軸轉速達20000r/min；

快速移動速度、最高進給速度均為76m/min，加(減)速度為1～1.5g；

換刀時間(切削-切削)為4s；托板交換時間為8s。


機床主要結構特點：


主軸箱采用“箱中箱”結構，可消除由于驅動力作用而使主軸箱承受懸伸載荷以及由此所引起的變形。

采用直線電機驅動坐標軸。

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

采用空心短錐刀柄，高壓內冷卻加工。

每個坐標軸均采用精密激光位置反饋檢測裝置。

整體T型床身，使用三個點安裝在地基上，減少機床安裝時間及地基費用。


美國Ford汽車公司采用20臺設備(其中HVM型高速加工中心13臺)組成一條缸體柔性加工線，生產4缸轎車發(fā)動機，年產發(fā)動機缸體15萬臺。