随着近几年高速切削技术的迅速发展,各项关键技术也正在不断地跃上新水平,包括高速主轴、快速进给系统、高性能CNC控制系统、先进的机床结构、高速加工刀具等。
1)高速主轴
高速主轴单元是高速加工机床最关键的部件。主轴高速化指标dmn值(dm为轴承中径,mm;n为转速,r/min)至少应达到1×106。目前我国高速主轴dmn值在(1~1.5)×106之间,国外主轴dmn值已能达到(2.8~5.0)×106。目前高速主轴的转速范围为10 000~90 000r/mim,加工进给速度在100m/min以上。为适应这种切削加工,高速主轴应具有先进的主轴结构,优良的主轴轴承,良好的润滑和散热等新技术。
当前,高速主轴在结构上几乎全都采用交流伺服电动机内置式集成化结构——电主轴。
如图10-7所示,电主轴交流伺服电动机的转子套装在机床主轴上,电动机定子安装在主轴单元的壳体中,采用自带水冷或油冷循环系统,使主轴在高速旋转时保持恒定的温度。这样的主轴结构具有精度高、振动小、噪声低、结构紧凑的特点。
图10-7 电主轴结构
高速主轴采用的轴承有滚动轴承、气浮轴承、液体静压轴承和磁浮轴承几种形式。
目前,高速铣床上装备的主轴多采用滚动轴承。在滚动轴承中,一种被称之为陶瓷混合轴承越来越被人们所青睐,其内外圈由轴承钢制成,轴承滚珠由氮化硅陶瓷制成。陶瓷珠密度比钢珠低60%,可大幅度降低离心力;陶瓷的弹性模量比钢高50%,相同的滚珠直径,混合轴承具有更高的刚度;此外氮化硅陶瓷摩擦因数低,由此可减少轴承运转时的摩擦发热,减少磨损及功率损失。
滚动轴承各运动体之间是接触摩擦,其润滑方式也是影响主轴极限转速的一个重要因素。适合高速主轴轴承的润滑方式有:油脂润滑、油雾润滑、油气润滑等。其中油气润滑的优点:油滴颗粒小,能够全部有效地进入润滑区域,容易附着在轴承接触表面;供油量较少,能够达到最小油量润滑;油、气分离,既润滑又冷却,而且对环境无污染。因此,油气润滑在超高速主轴单元中得到了广泛的应用。
气浮轴承主轴的优点在于高的回转精度、高转速和低温升,其缺点是承载能力较低,因而主要适合于工件形状精度和表面精度较高、所需承载能力不大的场合。
液体静压轴承主轴的最大特点是运动精度高,回转误差一般在0.2μm以下;动态刚度大,特别适合于像铣削的断续切削过程。但液体静压轴承最大的不足是高压液压油会引起油温升高,造成热变形,影响主轴精度。
磁浮轴承是用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来,其间隙一般在0.1mm左右,由于空气间隙的摩擦热量较小,因此磁浮轴承可以达到更高的转速,其转速特征值可达4.0×106以上,为滚珠轴承主轴的两倍。高精度、高转速和高刚度是磁浮轴承的优点。但由于机械结构复杂,需要一整套传感器系统和控制电路,其造价也在滚动轴承主轴的两倍以上。
2)快速进给系统
实现高速切削加工不仅要求有很高的主轴转速和功率,同时要求机床工作台有很高的进给速度和运动加速度。在20世纪90年代,工作台的快速进给多采用大导程滚珠丝杠和增加进给伺服电动机的转速来实现,其加速度可达0.6g;在采用先进的液压丝杠轴承,优化系统的刚度与阻尼特性后,其进给速度可达到40~60m/min。
若要进一步提高进给速度,滚珠丝杠就显得无能为力了。然而,更先进、更高速的直线电动机已经发展起来,它可以取代滚珠丝杠传动,提供更高的进给速度和更好的加、减速特性。目前,直线电动机的进给速度可达到160m/mm,加速度可达10g,定位精度达0.5~0.05μm,甚至更高。直线电动机消除了机械传动系统的间隙和弹性变形,减少了传动摩擦力,几乎没有反向间隙。有专家预言,直线电动机将是未来机床进给传动的基本形式。
3)高性能的CNC控制系统(www.xing528.com)
用于高速加工的CNC控制系统必须具有很高的运算速度和运算精度,以及快速响应的伺服控制,以满足高速及复杂型腔的加工要求。为此,许多高速切削机床的CNC控制系统采用多个32位甚至64位CPU,同时配置功能强大的计算机处理软件,如几何补偿软件已被应用于高速CNC系统。当前的CNC系统具有加速预插补、前馈控制、钟形加减速、精确矢量补偿和最佳拐角减速控制等功能,使工件加工质量在高速切削时得到明显改善。相应地,伺服系统则发展为数字化、智能化和软件化,使伺服系统与CNC系统在A/D-D/A转换中不会有丢失或延迟现象。尤其是全数字交流伺服电动机和控制技术已得到广泛应用,该控制技术的主要特点为具有优异的动力学特征和极高的轮廓精度,无漂移,从而保证了高进给速度加工的要求。
4)先进的机床结构
为了适应粗精加工、轻重切削负荷和快速移动的要求,同时保证高精度,高速切削机床床身必须具有足够的刚度、强度和高的阻尼特性及高的热稳定性。其措施有:一是改革床身结构,如Gidding&Lewis公司在其RAM高速加工中心上将立柱与底座合为一个整体,使机床整体刚性得以提高;二是使用高阻尼特性材料,如聚合物混凝土。日本牧野高速机床的主轴油温与机床床身的温度通过传感控制保持一致,协调了主轴与床身的热变形。机床厂商同时在切除、排屑、丝杠热变形等方面采用各种热稳定性措施,极大地保证了机床稳定性和精度。高速切削机床用防弹玻璃做观察窗;同时,采用主动在线监控系统对刀具和主轴的运转状况进行在线识别与控制,确保人身与设备的安全。
进入20世纪90年代以来,在高速切削领域出现了一种全新结构形式的机床——六杆机床,又称为并联机床。该机床的工作原理如图10-8所示,机床的主轴由六条伸缩杆支承,通过调整各伸缩杆的长度,使机床主轴在其工作范围内既可作直线运动,也可转动。与传统机床相比,六杆机床能够有六个自由度的运动,每条伸缩杆可采用滚珠丝杠驱动或直线电动机驱动,结构简单。由于每条伸缩杆只是轴向受力,结构刚度高,可以降低其重量以达到高速进给的目的。
5)高速切削的刀具系统
高速切削时的一个重要问题是刀具磨损。与普通切削相比,高速切削时刀具与工件的接触时间减少,接触频率增加,切削过程所产生的热量更多地向刀具传递,刀具磨损机理与普通切削有很大区别。
图10-8 六杆机床结构示意图
此外,由于高速切削时的离心力和振动的影响,刀具必须具有良好的平衡状态和安全性能,刀具的设计必须根据高速切削的要求,综合考虑磨损、强度、刚度和精度等方面的因素。
目前,高速切削通常使用的刀具材料有:
①硬质合金涂层刀具。由于刀具基体有较高的韧性和抗弯强度,涂层材料高温耐磨性好,故允许采用高切削速度和高进给速度。
②陶瓷刀具。陶瓷刀具与硬质合金刀具相比可承受更高的切削速度。陶瓷刀具与金属材料的亲和力小,热扩散磨损小,其高温硬度优于硬质合金。但陶瓷刀具的韧性较差,常用的有氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷和金属陶瓷等。
③聚晶金刚石刀具。聚晶金刚石刀具的摩擦因数低,耐磨性极强,具有良好的导热性,特别适合于难加工材料及黏结性强的有色金属的高速切削,但价格较贵。
④立方氮花硼刀具。具有高硬度、良好的耐磨性和高温化学稳定性,寿命长,适合于高速切削淬火钢、冷硬铸铁、镍基合金等材料。
当主轴转速超过15 000r/min时,由于离心力的作用将使主轴锥孔扩张,刀柄与主轴的连接刚度会明显降低,径向跳动精度会急剧下降,甚至出现颤振。为了满足高速旋转下不降低刀柄的接触精度,一种新型的双定位刀柄已在高速切削机床上得到应用,这种刀柄的锥部和端面同时与主轴保持面接触,定位精度明显提高,轴向定位重复精度可达0.001μm。这种刀柄结构在高速转动的离心力作用下会更牢固地锁紧,在整个转速范围内保持较高的静态和动态刚性,如图10-9所示的德国HSK型刀柄就是采用的这种结构。
图10-9 HSK型刀柄及其联结结构
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