高速切削機(jī)床課件

1、沈?yàn)t 機(jī)械13-4高速切削機(jī)床9/3/20222引言實(shí)現(xiàn)高速切削的最關(guān)鍵技術(shù)是研究開發(fā)性能優(yōu)良的高速切削機(jī)床，自20世紀(jì)80年代中期以來，開發(fā)高速切削機(jī)床便成為國際機(jī)床工業(yè)技術(shù)發(fā)展的主流。高速切削機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速切 削加工的 必備的物質(zhì) 基礎(chǔ),具有高速、高效、高精度和高自動化的鮮明特點(diǎn),其中高速銑床、加工中心尤為突出。它是一個(gè)集光機(jī) 電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于 一體的高科技產(chǎn)品,是衡量一個(gè)國家制造業(yè)技術(shù)水平的核心標(biāo)志,對一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)、科技及 國防事業(yè)具有重大的影響。近年來,發(fā)達(dá)國家集了大量的人力物力進(jìn)行研究和開發(fā),取得了長足的進(jìn)步9/3/20223高速切削機(jī)床的起源20世紀(jì)30年代，最先由德國CarlS

2、alomon博士首次提出的有關(guān)高速切削的概念。50年代后期開始，高速切削的試驗(yàn)又開始進(jìn)入各種試驗(yàn)研究，高速切削的機(jī)理開始被科學(xué)家們所認(rèn)識。Roeders 公司以其 200 年模具制造經(jīng)驗(yàn) , 在 1989 年德國 Roeders 首先完成世界第一臺高速加工中心 , 并提供技術(shù)數(shù)據(jù)予瑞士 Mikron 合作生產(chǎn)高速加工中心 , 直至 1994 年雙方因維修服務(wù)問題終止合作 , Roeders 開始生產(chǎn)自己品牌高速機(jī)床 , 提供優(yōu)質(zhì)支持服務(wù)予世界廣大客戶。9/3/202259/3/20226高速切削機(jī)床的現(xiàn)狀(2)國內(nèi)。目前國內(nèi)幾個(gè)主要廠家依靠自己的科研能力或通過引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的高速機(jī)床，其主要

3、參數(shù)指標(biāo)如表2所示。 9/3/20228高速切削機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)(1)提高生產(chǎn)率：由于切削速度和進(jìn)給速度都得到提高,即提高了單位時(shí)間的切削容積，相應(yīng)也縮短 了切削時(shí)間、提高了生產(chǎn)率(2 )減小切削力在一定的切削率的前提下,由于提高切削速度,則切削力便下降,這是HSC工藝的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。HSC工藝所帶來的好處是對 那些薄壁形、細(xì)長形及 剛性弱 的零件的切削十分有利,另外,也有利 于解決 刀具磨損,機(jī) 床(3) 振動小HSC的激振頻率非常高,遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍,因此有可 能在“無振動”的條件下加工,這將使加工精度大大提高,同時(shí)加工質(zhì)量也容易得到保證。據(jù)當(dāng)時(shí)聯(lián)邦德國的資料報(bào)道:他們的HSC銑削表面 已

4、近似達(dá)到磨削的質(zhì)量。4 )熱變形小,大量的切削熱由切屑帶走,所以工件溫度低,熱變形小。9/3/202210高速主軸高速主軸是高速切削機(jī)床的核心部件，隨著對主軸轉(zhuǎn)速要求的不斷提高，傳統(tǒng)的齒輪皮帶變速傳動系統(tǒng)由于本身的振動、噪音等原因已不能適應(yīng)要求，取而代之的是一種新穎的功能部件電主軸，它將主軸電機(jī)與機(jī)床主軸合二為一，實(shí)現(xiàn)了主軸電機(jī)與機(jī)床主軸的一體化電主軸技術(shù)與電機(jī)變頻、閉環(huán)矢量控制、交流伺服控制等技術(shù)相結(jié)合，可以滿足車削、銑削、鏜削、鉆削、磨削等金屬切削加工的需要。 采用高速加工技術(shù)可以解決機(jī)械產(chǎn)品制造中的諸多難題，取得特殊的加工精度和表面質(zhì)量，因此這項(xiàng)技術(shù)在各類裝備制造業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用

5、，正在成為當(dāng)今金切加工的主流技術(shù)。高精度、高轉(zhuǎn)速數(shù)控機(jī)床主軸單元是承載高速切削技術(shù)的主體之一，是高精度、高效率高檔數(shù)控機(jī)床的核心功能部件，是航空航天、汽車、船舶、精密模具、精密機(jī)械等尖端產(chǎn)品制造領(lǐng)域所需高檔加工母機(jī)的核心部件。目前國內(nèi)外電主軸技術(shù)的發(fā)展十分迅速，各生產(chǎn)廠商都在高可靠性、節(jié)能性、高精度、高加工效率、環(huán)保性、智能化等方面進(jìn)行持續(xù)的科技攻關(guān)，以期形成自身的特色，占領(lǐng)電主軸技術(shù)發(fā)展的制高點(diǎn)9/3/202212高速主軸的優(yōu)點(diǎn)3）精密加工與精密裝配工藝。精密加工和精密裝配工藝是電主軸的核心技術(shù)之。電主軸的上軸、前后軸承蓋等的制造工藝要求非常高。為了保證電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的回轉(zhuǎn)精度和剛度，這

6、些數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵零件必須進(jìn)行精密加工或超精密加工，其尺寸誤差一般在微米級或更??；對同軸度、垂直度和表面粗糙度也都有極嚴(yán)格的要求 11 。為了制造這些高精度零件，國外電主軸的專業(yè) 制造廠都裝備有成套的高精度加工設(shè)備，如高精度數(shù)控車削中心、精密數(shù)控外圓磨床、高精度加工中心、高精度數(shù)控內(nèi)圓磨床等，同時(shí)還配備了高精度測試設(shè)備。在國內(nèi)，如陶瓷軸承、異步型電動機(jī)轉(zhuǎn)子等電主軸的關(guān)鍵零件制造中的關(guān)鍵問題還沒有得到很好的解決，影響了 數(shù)控機(jī)床的制造水平。 （4）配套控制系統(tǒng)水平。這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子自動平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補(bǔ)償精密控制系統(tǒng)等。例如，瑞士Fischer公司和德國Hof

7、mann公司生產(chǎn)電主軸配套的在線自動平衡系統(tǒng)，可以在線自動校正偏心，大幅度降低電主軸高速運(yùn)行情況下的振動；SKF公司和NSK公司生產(chǎn)的軸承油氣潤滑系統(tǒng)，可以通過定時(shí)定量控制進(jìn)氣量保證軸承的潤滑和溫升控制在正常水平9/3/202214伺服系統(tǒng)全閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)位置檢測裝置安裝在機(jī)床工作臺上，用以檢測機(jī)床工作臺的實(shí)際運(yùn)行位置（直線位移），并將其與CNC裝置計(jì)算出的指令位置（或位移）相比較，用差值進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。這類控制方式的位置控制精度很高，但由于它將絲杠、螺母副及機(jī)床工作臺這些連接環(huán)節(jié)放在閉環(huán)內(nèi)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)連接剛度變差，因此調(diào)試時(shí)，其系統(tǒng)較難達(dá)到高增益，即容易產(chǎn)生振蕩。9/3/202215伺服系

8、統(tǒng)1直線電機(jī)伺服系統(tǒng),直線電機(jī)是使電能直接轉(zhuǎn)變成直線機(jī)械運(yùn)動的一種推力裝置，將機(jī)床進(jìn)給傳動鏈的長度縮短為零，它的動態(tài)響應(yīng)性能敏捷、傳動剛度高、精度高、加減速度大，行程不受限制、噪音低、成本較高，在加速度大于1g的情況下，是伺服系統(tǒng)的唯一選擇。 2滾珠絲杠驅(qū)動裝置,滾珠絲杠仍是高速伺服系統(tǒng)的主要驅(qū)動裝置，用AC伺服電機(jī)直接驅(qū)動，并采用液壓軸承，進(jìn)給速度可達(dá)4060m/min，其加速度可超過0.6g，成本較低，僅為直線電機(jī)的1/2.5。滾珠絲杠分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。特點(diǎn)：(1)滑動絲杠副和驅(qū)動力相比1/3(2)高精度的保證(3)微進(jìn)給可能(4)無側(cè)隙、剛性高(5)高速進(jìn)給可能直線電機(jī)伺服系統(tǒng)9/

9、3/202218高效的冷卻系統(tǒng)高速切削中機(jī)床的主軸、滾珠絲杠 、導(dǎo)軌等產(chǎn)生大 量的熱，如不進(jìn)行有效的冷卻，將會嚴(yán)重影響機(jī)床的精度。大多采用強(qiáng)力高壓、高效的冷卻系統(tǒng)，使用溫控循環(huán)水或其他介質(zhì)來冷卻主軸電動機(jī)、主軸軸承、滾珠絲杠、直線電動機(jī)、液壓油箱等。 Yamazen公司將壓力為6.8MPa的冷卻液通過主軸中心孔，對機(jī)床主軸、刀具和工件進(jìn)行冷卻。日本日立精機(jī)公司研制開發(fā)出通過在中空的滾珠絲杠中傳輸冷卻液，達(dá)到冷卻絲杠穩(wěn)定加工目的的滾珠絲杠冷卻器。為了避免導(dǎo)軌受溫升的影響，日立公司和軸承商聯(lián)合研制出Eeo-Eeo的導(dǎo)軌潤滑脂，該潤滑脂潤滑和冷卻效果好，無有害物質(zhì)，能進(jìn)行自動潤滑及不需專用設(shè)備等特點(diǎn)

10、。日立精機(jī)機(jī)床公司VS系列CNC高速銑就采用此潤滑脂，具有良好的使用及經(jīng)濟(jì)效果。9/3/202220世界上的數(shù)控系統(tǒng)種類繁多，形式各異，組成結(jié)構(gòu)上都有各自的特點(diǎn)。這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來源于系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)的基本要求和硬件和軟件的工程設(shè)計(jì)思路。對于不同的生產(chǎn)廠家來說，基于歷史發(fā)展因素以及各自因地而異的復(fù)雜因素的影響，在設(shè)計(jì)思想上也可能各有千秋。例如，在上世界90年代，美國Dynapath系統(tǒng)采用小板結(jié)構(gòu)，熱變形小，便于板子更換和靈活結(jié)合，而日本FANUC系統(tǒng)則趨向大板結(jié)構(gòu)，減少板間插接件，使之有利于系統(tǒng)工作的可靠性。然而無論哪種系統(tǒng)，它們的基本原理和構(gòu)成是十分相似的。一般整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)由三大部分組成，即控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)和位置測量系統(tǒng)。控制系統(tǒng)硬件是一個(gè)具有輸入輸出功能的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，按加工工件程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，發(fā)出控制指令到伺服驅(qū)動系統(tǒng)；測量系統(tǒng)檢測機(jī)械的直線和回轉(zhuǎn)運(yùn)動位置、速度，并反饋到控制系統(tǒng)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)，來修正控制指令；伺服驅(qū)動系統(tǒng)將來自控制系統(tǒng)的控制