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高速加工中心特點和發展淺析
2014-09-26 16:26:08

    高速切削(High Speed Cutting)研究可追溯至30年代由所羅門(Salomons)所提出并獲得德國的專利。經過幾十年的努力和高速切削的相關技術逐漸地成熟,至今,高速切削技術正在迅速崛起的一項先進制造技術,對機械制造業發展產生了深遠的影響。實現高速切削的最關鍵技術是研究開發性能優良的高速切削機床,自20世紀80年代中期以來,開發高速切削機床便成為國際機床工業技術發展的主流。目前適應高速切削加工要求的高速加工中心和其它高速數控機床在工業發達國家內已是普及應用的趨勢,而我國也正在加快發展高速加工中心的生產和研究應用,據初步統計,最近幾年進口高速加工中心高達數億美元,已是我國許多產業部門的進口熱點。下面介紹高速加工中心的特點和發展:


 1、高速主軸

    高速主軸是高速加工中心最關鍵的部件之一。目前主軸轉速在20000~40000r/min的加工中心越來越普及,一些歐洲的高速加工中心的主軸轉速已經達到60000r/min,轉速高達100000r/min以上超高速主軸也正在研制開發中。高速加工中心的轉速、馬力、動態平衡、剛性、錐度孔型及熱變形特性等,對高速加工中心的剛性和熱穩定性都有相當程度的影響。這樣就要求高速加工中心主軸和電機合二為一,制成電主軸,實現無中間環節的直接傳動,減少傳動部件,具有更高的可靠性。

    主軸主軸軸承也是決定主軸壽命和負荷容量的關鍵部件。為了適向高速切削加工,高速加工中心的主軸設計采用了先進的主軸軸承的潤滑、散熱技術。目前高速主軸主要采用3種特殊軸承:(1)陶瓷軸承;(2)磁力軸承;(3)空氣軸承。主軸軸承潤滑對主軸轉速的提高起著重要的作用,高速主軸一般采用油空氣潤滑或噴油潤滑。

 2、高速進給系統

    提高切削進結速度是提升加工效率所必須的。目前高速加工中心的切削進給速度一般為20-40m/min,有的直線電機驅動X、Y軸的立式加工中心超高速定位速度達140m/min,有的高速加工中心進給速度高達208m/min。要實現并準確控制這樣高的進給速度,對高速加工中心導軌、滾珠絲桿、伺服系統、工作臺結構等提出了新的要求。直線電機的成熟應用使高速加工中心在效率、精度和實用性方面翻開了新的一頁。直線電機為非接觸的直接驅動方式,移動部件少,無扭曲變形問題,采用這種技術,機床制造達到了傳統滾珠絲桿所無法達到的水平。直線電機具有高加速度和減速特性,加速度可達2g,為傳統驅動裝置的10-20倍,進給速度是傳統的4-5倍。

 3、高速CNC控制系統

    高速加工中心要求CNC控制系統具有快速數據處理能力和高的功能化特性,以保證在高速切削(特別是4-5軸坐標聯動加工復雜曲面時)仍具有良好的加工性能。高速加工中心須選擇傳輸速度快,CPU運算速度快,預讀單節及NURBS功能等適當的CNC控制器,才能發揮高速切削加工的效能。OPEN架構及PC-Based也是發展的一個新潮流。結合PC在通訊及網絡上的發展,建立參數資料庫系統、CAD/CAM整合模擬系統及標準化電控模組,也是未來發展的新趨勢。

     高速CNC數控系統的數據處理能力有兩個重要指標:一是單個程序段處理時間,為了適應高速,要求單個程序段處理時間要短,為此,需使用32位CPU和64位CPU,并采用多處理器;二是插補精度,為了確保高速下的插補精度,要有前饋和大數目超前程序段處理功能,此外,還可采用NURBS(非線性B樣條)插補、回沖加速、平滑插補、鐘型加減速等輪廓控制技術。高速切削加工CNC系統的功能特征包括:(1)加減預插補;(2)前饋控制;(3)精確矢量補償;(4)最佳拐角減速度。

 4、高速切削刀具

    已發展的刀具材料主要有聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)、硬質含金涂層刀具、陶瓷刀具等,都能適應鋁合金、鑄鐵、鋼和耐熱合金的高速切削,其切削水平如下:鋁合金2500~5000m/min(Si含量≥12%為500~ 1500m/min),鑄鐵500~ 1500m/min,鋼300~1000m/min,淬硬鋼、耐熱合金100~400m/min,鐵合金90~ 200m/min。有關研究機構正開發新的刀具材料,向更高的切削速度發展。

    要對刀具結構進行動平衡,特別刀柄外伸較長的刀具必須進行動平衡,以防止高速引起離心力使抗彎強度和斷裂韌性都較低的刀柄或刀片發生斷裂,對高速加工中心和操作者帶來危險。刀柄系統選擇也會影響自動換刀的重復精度和刀具切削剛性。目前刀柄系統一般選擇7:24錐度的單面夾緊刀柄系統,ISO、CAT、DIN、BT等都屬此類,兩面定位刀具系統有HSK、KM、NC5、BIG-PLUS、WSU、ABSC等。

 5、高速加工中心溫控系統

    高速加工中心的熱特性是指高速加工中心結構在其內部熱源和外部熱源的作用下,產生結構變形和對加工精度影響的特性,為了改善高速加工中心的熱特性,一般采用溫控循環水(或其他介質)來冷卻主軸電機、主軸軸承、直線電機、液壓油箱、電氣柜,有的甚至冷卻主軸箱、橫梁、床身等大構件。此外,還可采用低膨脹系數的鑄鐵來作高速加工中心的主軸箱體,以減少主軸的熱伸長和主軸部件的熱變形。

    為了使高速加工中心正常運行和發揮效能,高速加工中心總體結構上還要設置刀庫及換刀裝置、冷卻系統、溫控系統、安全防護與實時監控系統、刀具破損監控、刀具長度及直徑的激光檢測裝置、光柵尺測量系統和排屑裝置等。
 

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