高速加工機床的設計與應用
高速加工機床是基于現代刀具材料的發展,為滿足航空,航天,汽車和模具等行業的發展需要而在數控銑床,加工中心的基礎上發展起來的高效,高性能加工機床,因此,它的基本特征不僅是切削速度高(是常規切削速度的5～10倍),進給/快移速度快(達40m/min至180m/min),加減速度大(現多為1g～2g),而且還包含有刀具和或工件交換的時間短(在數秒至1秒以內)以及常常具有多軸聯動功能等特點.
一,高速加工機床的優點
高速加工機床具有諸多優點,如:
1.生產效率高,材料去除率是常規切削加工機床的3～6倍,從而可大大縮短零件的加工時間和制造周期;
2.切削力比常規速度時少30%～50%和約30%以上的切削熱將被切屑所帶走,所以工件溫升和變形少,有利于進行薄壁件切削和提高加工精度;
3.由于切削速度高,切削過程中產生的強迫振動頻率一般遠離了機床工藝系統的固有頻率,故切削過程更平穩,有利于提高加工表面質量和刀具壽命,免掉許多費時費工的人工順序作業;
4.許多機電產品所用的零部件,無論是單件或批量需求的,都可在相應的高速加工機床(如多軸聯動的高速加工中心和車銑中心)上進行多工序復合加工甚至一次裝夾實現全部加工.
因此,高速加工機床自上世紀八十年代中期出現以來,便受到人們普遍的重視.隨著有關技術,如高速電主軸,直線電機,功能強,性能好的數控伺服系統等的快速發展和日益完善,高速加工機床的生產與應用,現已變得很普遍;不僅大的國際有名的機床制造廠商能生產,一般的國內外機床廠也在開始制造,而且成了世界機床業中爭先開發的主導產品,不僅模具,航天,航空等行業在進行單件或小批生產中應用,在汽車乃至一航機械制造業中進行批量生產時也在廣泛使用,從而成了這些行業中的主流加工裝備.
然而,為了更好地成功開發和充分地合理地應用高速加工機床,本人以為,高速加工機床的設計,制造者和應用者仍應對下列諸方面的問題有更多,更深刻的理解和研究,并善于學習,總結和創新.
二,高速加工對機床結構的基本要求和設計原則
由于高速加工中的切削速度,進給速度和加減速度都大,因此機床的發熱量,運動部件的慣量也大,容易導致機床結構的過量溫升,熱變形和產生沖擊振動,最終會影響到加工精度,質量乃至機床和刀具的工作壽命和可靠性.所以,高速加工對機床結構的基本要求,首先是要三高,即靜剛度高,動剛度高和熱剛度高,也就是說,"三剛"特性要好;其次是運動部件要輕量化,即要盡量減少傳動系統的慣量.為此,機床結構設計應采取的原則措施是:
1.為了提高結構的靜剛度,首先是選擇彈性模量大的材料,如鋼,鑄鐵等作為結構件的基本材料;其次是根據受力的性質(拉,壓或扭)和條件(力的大小,方向和作用點)選擇合理的結構截面形狀,尺寸,筋壁布置和機床的總體布局;三是結構件間的接合面要平整,面積大小要適當,接觸點在接合面上的分布要均勻,連接要牢固等;四是盡量采用箱形和整體型結構.
2.為了提高結構的動剛度,首先是在保證靜剛度的前提下,選擇阻尼系數大的材料,如人造花崗巖,鑄鐵等作為基礎結構件的材料;二是通過模型試驗或模態分析合理設計和調整結構的質量分布和結構接合面的剛度值,以改變結構系統本身的固有振動頻率,使其遠離切削過程中所產生的強迫振動頻率,避免產生共振的可能性;三是有意采用能增加附加阻尼的結構設計,如帶夾芯的雙層壁鑄件和非連續焊接的焊件等;四是直線運動部件的支承導軌面間距離要盡可能寬闊,驅動力的作用線要居中并盡可能靠近運動部件的重心,傳動鏈中應無反向間隙,以保證運動平穩,無沖擊.
3.為了提高結構的熱剛度,原則上首先應采用熱容量大,熱脹系數小的材料和熱脹系數相近的材料作為結構材料;其次是根據機床上的熱源和溫度場的分布情況,盡量采用熱對稱和方便散熱或強迫冷卻的結構,包括采用熱補償措施的結構等,以減少熱變形帶來的對機床幾何精度和工作性能的影響.
4.為了減少運動部件的重量和傳動系統的慣量,一是選用比重小的材料,如鋁合金和復合材料等,作為運動部件的結構材料;二是在保證剛度和承載能力的前提下,盡量去除多馀的材料;三是采用直接傳動,簡化傳動系統,縮短傳動鏈,以提高機床的運動品質.
現實中能同時滿足上述條件要求的材料和結構是沒有的,只能按實際要求進行綜合評估后選取.
三,高速電主軸單元
高速加工的典型應用是以小直徑的硬質合金銑刀來對各種材料的模具,模型和鋁合金件進行銑削,機床主軸轉速是根據現代刀具材料所能達到的經濟合理切削速度范圍(圖3)和按此速度及不同的銑刀直徑所計算得的刀具/主軸轉速(圖4)來確定.可見除切削鈦或鎳合金時,由于刀具所能達到的合理切削速度較低 (300m/min以下),刀具主軸最高轉速可在10000r/min以下外,其他材料的切削所要求的刀具/主軸最高轉速都在10000r/min以上, 甚至要求達到50000r/min至80000r/min.如此高的主軸轉速,采用一般機床用的主傳動結構(電機加皮帶輪和齒輪傳動)方式是不可能實現的,一般都需采用由變頻調速電機和機床主軸集成在一起的所謂"電主軸"直接驅動來實現.
電主軸是通過交流變頻調速和矢量控制來實現主軸的寬調速的.它的優點不僅是簡化了主傳動結構,減少主傳動系統的轉動慣量,而且降低了功耗,提高了實現更高主軸速度和加減速度的能力,從而也可實現定角度的快速準仃(C軸控制)功能,這對高速加工機床是十分重要的.
當然,高速主軸本身的設計制造會涉及許多特殊問題,如主軸(電機轉子)支承的結構型式和潤滑方式,電機的發熱和冷卻措施,主軸和刀具的連接以及動平衡問題等,好在這些問題已有許多科研單位進行了研究和解決,高速電主軸單元在國內外均有了專門的生產廠家進行了專業化,系列化的生產,機床設計制造者只需根據加工對象要求,確定所需的主軸轉速和扭矩范圍來合理地選用就是了.
四,高速進給系統
高速進給系統是高速加工機床極其重要的組成部份,對它的設計要求,首先應當是能提供高速切削時所要求的高的進給/快移速度和加減速度;其次是應具有所要求的調速寬度和軌跡跟蹤精度;同時還應有很好承受動,靜載荷的能力和剛度,從而保證高速加工應有的效率和質量.
決定高速進給系統上述性能要求的因素主要有三個方面:即進給運動的傳動方式,各軸進給運動間的相互結構聯系和數控伺服控制系統.
1.進給運動的傳動方式
高速進給運動的傳動方式,目前廣為應用的主要有兩種:一種是回轉伺服電機通過滾珠絲杠的間接傳動,另一種是采用直線電機直接驅動.
通過滾珠絲杠間接傳動方式的優點是技術成熟,結構相對簡單,加速度特性受運動部件載荷變化的影響較小,且目前已有許多國內外廠家進行標準化,系列化和模塊化的專業化生產.但是普通傳動用的滾珠絲杠,由于存在慣量大,導程小,又受到臨界轉速的限制等,其所能提供的進給/快移速度只有 10～20m/min,加速度為0.3g,滿足不了高速加工的要求,因此,高速加工用的進給滾珠絲杠普遍采取如下的改進措施.
加大絲杠的導程和增加螺紋的頭數,前者為提高絲杠每轉的進給量(即進給速度),后者則為彌補絲杠導程增大后所帶來的軸向剛度和承載能力的下降. 將實心絲杠改為空心的,這既是為減少絲杠的重量和慣量,也是為便于對絲杠采取通水內冷,以利于提高絲杠轉速,提高進給/快移速度和加速的能力,減少熱影響; 改進回珠器和滾道的設計制造質量,使滾珠的循環更流暢,摩擦損耗更少; 采用滾珠絲杠固定,螺母與聯結在移動部件上的伺服電機集成在一起完成旋轉和移動,從而避開了絲杠受臨界轉速的限制等.
經過采取這些改進措施后,滾珠絲杠傳動的進給方式可提供的進給/快移速度達60m/min～90m/min,加速度可達1～2g.但是由于受到原理結構的限制,要想進一步提高滾珠絲杠傳動的運動速度和加速度很難了,而且受絲杠的可制造長度限制,滾珠絲杠傳動所能提供的運動行程也是有限的.
與上述的通過滾珠絲杠間接傳動的方式相比,采用直線電機直接驅動的主要特點和優點是將伺服電機的定子和動子分別直接與機床床身及移動部結合在一起,沒有了中間環節,傳動鏈的長度縮短為零,即實現了所謂的"零傳動",從而大大提高了機械剛度,減少了傳動系統的慣量,獲得更高的速度和加速度能力,并易于控制系統的阻尼力和動態特性,直線電機最高的進給/快速度可達120m/min乃至240m/min,加速度可達2~10g;行程長度可不受限制;適應性強,靈敏度高,隨動性好,不存在反向間隙,可利用直線光柵尺作為測量反饋元件,實現全閉環控制,以獲得更高的定位精度和跟蹤精度等.
但是,直線電機直接驅動也存在一些缺點:如效率低,功耗大,結構尺寸和自重也相對較大;工作過程溫升高,要求強冷卻;因受磁場力影響易于吸引鐵屑和金屬物,故需考慮防磁措施等,特別是要注意的是它的加速度值直接反比于運動部件的載荷量(工作臺/滑座自重加上工件及其他外載荷),即對運動載荷較敏感,故宜用于運動件載荷恒定或變化量不大的場合,在載荷變化重大的情況下,必需能在數控編程時予以考慮,否則不能保證加工所要求的效率和質量.另外,直線電機直接驅動不具自鎖能力,設計和使用中應注意考慮外加制動措施,特別是在垂直軸進給系統中使用時,尤要注意.
五,各軸進給運動的相互結構聯系
如同一般加工機床一樣,高速加工機床一般都有2個以上,多至5個進給運動軸,這些運動軸間的相互結構聯系,目前存在著串聯,并聯和混聯三種型式.
串聯結構是傳統機床普遍采用的型式,其特點是各運動軸的布局采用笛卡爾直角坐標系,機床床身,立柱,溜板,工作臺/轉臺和主軸箱等部件分別通過相應的導軌支承面串聯在一起的,各軸運動均可單獨地獨立進行,由于是串聯,各運動部件的重量往往都較大,且不一致,需特殊調整方可保持各軸加速度特性的一致性;進給系統的結構件不僅受拉,壓力,而且受彎,扭力矩的作用,變形復雜,后運動部件受到先運動部件的牽動和加速,加工誤差由各軸運動誤差線性迭加而成, 且受導軌精度的影響等,這些都是串聯結構的缺點.然而由于串聯結構較傳統,有長期設計,制造和應用的經驗,技術較成熟,故迄今仍為大多數高速加工機床所采用.但串聯結構中還有著不同的各運動軸的相互組合配置方式,其所獲得的應用效果是不一樣的,設計時應以高速加工的特點及其對機床結構設計的要求出發來確定.
并聯結構的典型代表是Stewart平臺式的所謂虛擬軸機床.它的特點是運動部件是一個由伺服電機分別控制的6根可自由伸縮的桿子所支承的動平臺,該平臺可同時作6個自由度的運動,但沒有像串聯結構那樣的物理上固定的X,Y,Z軸和相應的運動支承導軌,而且任何一軸運動都必須由6根可伸縮桿的協同運動來完成.一般刀具/主軸頭就安裝在該動平臺上,工件則固定在機床的機架上,此外就不再有溜板,導軌等支承件了.與傳統串聯結構的機床相比,并聯結構型式的機床主要有如下優點:
運動部件重量輕,慣量小,更有利于實現進給運動高的速度和加速度; 刀具主軸頭可同時實現5軸聯動,結構簡單,且主要的6根伸縮桿具有相同的結構和驅動方式,便于模塊化,標準化和系列化生產; 伸縮桿的兩端分別由球鉸和虎克鉸鏈與相關件連結,使桿子只受拉,壓力,不受彎扭力作用,剛度高,并易于通過預加載荷來提高整個進給系統的綜合剛度.
理論精度高,因為它不像串聯結構那樣,各軸運動誤差有可能被累積和放大,故并聯結構的進給運動的綜合誤差一般不會大于6根伸縮桿運動誤差的平均值.
并聯結構的缺點是:
在同一臺機床上,其進給的行程隨著各伸縮桿的伸出長度和動平臺的位姿角變化而變化,故由行程所決定的可加工空間是非規則形,不方便應用; 因受球鉸和虎克鉸轉角的限制,帶主軸頭的動平臺所能傾斜的角度較小(一般只有±40.)從而影響了機床的可加工范圍; 運動編程較復雜,而且在任一軸向上的簡單直線運動,也要有6根桿的協調伸縮運動才能完成等.
由于有這些問題的存在,并聯結構的應用,目前尚不十分廣泛,還有待于進一步研究和發展. 混聯結構是在一臺機床上同時采用有串聯和并聯結構型式的進給運動的結構聯結,通常的做法是:3個移動坐標仍采用并聯結構來完成,主軸加工時所需的另外2個轉動坐標則由串聯到固定工作臺上的回轉和可傾斜的工作臺或由串聯到并聯結構的動平臺上的旋轉和擺動主軸頭來實現.但是此時的并聯結構的6根伸縮桿改成了3副定長桿,除桿的一端仍通過球鉸與動平臺相聯外,桿的另一端則通過球鉸成組地與滑座聯結,滑座由伺服電機控制的滾珠絲杠(或直線電機)驅動在機床導軌上移動,從而改變動平臺(主軸頭)在三維空間中的位置,即 X,Y,Z軸的運動行程.這樣既克服了純并聯結構存在的加工空間不規則和動平臺可傾角度過小的缺點,而且也減少了三套伺服驅動電機和滾珠絲杠,簡化了結構,降低了成本.這應是并聯機床結構改進的一個方向.
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