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超高速加工與機床的零轉動

文章出處:admin 人氣:發表時間:2017-04-05 16:20

          超高速加工是一種以10倍於常規切削速度 和進給速度對零件進行機械加工的先進製造技 術.近2。年來在工業發達國家發展非常迅速。進 入90年代。機床高速化的進程十分迅猛,一批又 一批的高速加工中心和其他各種高速數控機床相 繼投放國際市場,標誌著這一高新技術已從理論 研究進入工業應用的新階段[rll.如果說,莫定了柔 性製造自動化基礎的數控技術,由於節省大量輔 助工時,使傳統的製造技術發生了第一次革命性 的變化。成為現代製造技術的第一個裏程碑;那 麽.大幅度地節省切削工時並實現高效精密生產 的超高速加工技術,則是現代製造技術的第二個 裏程碑.是國際上公認的四大先進製造技術之一 也是麵向21世紀的一項係統工程.

研究和開發性能優良的超高速機床,是實現 超高速加工的前提條件和關鍵因素。其中最重要 的是設計和製造高速、大功率的主軸單元和進給 單元。而取消一切中間傳動環節.實現動力源對機 床工作部件(主軸、工作台和溜板等)的直接傳動。 傳動鏈的長度為零.這就是所謂的“零傳動”。

零傳動不但極大地簡化了機床的傳動與結 構,更重要的是顯著地提高了機床的動態靈敏度、 加工精度和工作可靠性。這是一種為滿足超高速 加工要求而產生的新型傳動方式,是90年代機床 設計理論和製造技術的一個重大突破。有人把這 種零傳動的機床叫做“下一代新機床” 高速大功率電主軸。

在超高速運轉條件下.傳統的齒輪變速主傳 動係統已不能適應要求,代之以寬調速交流變頻 電機來實現機床主軸的變速,從而使主傳動的機 械結構大為簡化。這樣,機床的主軸部件就可以設 計成一種功能部件—“主軸單元”,由專業廠進 行係列化生產。

主軸單元有多種形式[’:。在超高速數控機床 上,現在已幾乎無一例外地采用了主軸電機與機 床主軸合二為一的結構形式,即采用無外殼電機, 將其空心轉子直接套裝在機床主軸上,帶有冷卻 套的定子則安裝在主軸單元的殼體內。形成所謂 的“內裝式電機主軸(Build-in Motor Spindle).簡 稱“電主軸”。這樣,電機的轉子就是機床的主軸. 機床主軸單元的殼體就是電機座。而實現」‘變頻 電機與機床主軸的一體化。這種電主軸和早年用 於內回磨床的內裝式電機主軸的主要E%別是:工 有較寬的調速範圍;②有較大的驅動功率和扭矩; ③有一係列監控主軸振動、軸承溫升等運行參數 的傳感器及其測試控製係統,以確保超高速運轉 下的可靠性與安全。現代的電主軸是一種.}5.能型的功能部件,廣泛用於高速加工中心和數控車床。

在國外,這種散裝式高速電機已經係列化.山 專業廠生產。機床廠可根據要求訂貨。

電主軸的結構緊湊、重量輕、慣性小,響應特 性好,還可避免振動與噪聲,是超高速主軸單元的 理想結構,已在各類超高速機床上獲得廣泛應用。

設計電主軸時.除選擇適當的無外殼電機外.

內裝式電機的散熱問腸

典型的電主軸及其驅動與冷卻係統見 電主軸的溫度場有限元分析表明,其熱量的大部 分產生於通電後的定子。可設計一個通入冷卻液 (油或水)的套簡,其內裝入定子繞組,用循環冷卻 液體吸收和帶走電機產生的熱量,保持主軸單元 亮體均勻的溫度分布。

計算和實測表明,電主軸中的1/3發熱量是 由電機轉子產生的。由於轉子散熱條件差,又直接 帶走。是電主軸散熱路線。 冷卻液

主軸軸承的正確選用

適用於高速大功率主軸的軸承主要有磁浮軸 承、液體動靜壓軸承和陶瓷滾動軸承3種形式。磁 浮軸承的高速性能好,精度高,容易實現實時診斷 和在線監控[5 ]。在發展超高速機床的初期(80年 代中期),磁浮軸承曾被認為是超高速機床主軸軸 承的唯一選擇。但十幾年的實踐表明,這種軸承由 於電磁測控係統過於複雜,價格十分昂貴,而且長 期居高不下,故至今未能得到廣泛應用。液體動靜 壓軸承綜合吸收了動壓軸承和靜壓軸承的優點, 既避免了靜壓軸承高速下發熱嚴重的弊病和龐大 複雜的供油係統,又克服了動壓軸承啟動和停止 時可能發生的幹摩擦,也有很好的高速性能,而且 轉速範圍寬,既適合於大功率粗加工,又適用於高 速精加工。但這種軸承必須根據具體機床專門進 行設計,單獨生產,標準化程度低,維護保養也困 難.

現在應用最多的還是陶瓷滾動軸承。這種軸 承的結構與尺寸係列和普通的鋼質滾動軸承完全 相同,隻是將滾動體的材料換成Si, N‘陶瓷,以適 應超高速運轉的要求。氮化矽(S1,N,)陶瓷材料的 密度隻有鋼的40,熱膨脹係數隻有鋼的25%, 而彈性模量則為鋼的1. 5倍,硬度為鋼的2. 3倍。 因此,用這種材料做滾動體,可大大減小軸承高速 運轉中的離心力及陀螺力矩,得到低溫升、高剛 度、長壽命的新一代高速軸承〔6]0

所示為我校超高速加工與機床研究室對 一台最高轉速nm.==48 OOOr/min的電主軸的試 驗結果。陶瓷滾動軸承的溫升和熱變形 明顯低於鋼質滾動軸承的溫升與熱變形。轉速越 高,陶瓷軸承的優越性越大。陶瓷軸承到達熱平衡 的時間也較短。另外,陶瓷滾動軸承標準化程度 高,對機床結構改動小,便於維護保養,相對於其 他兩種高速軸承而言,價格也要低得多。

為了實現超高速加工,機床不但要有高速主 軸,還要有高速的進給與快速行程。這不僅是為了 提高生產效率,也是維持高速切削中刀具正常工 作的必要條件,否則會造成刀具的急劇磨損與溫 升,破壞工件加工的表麵質量。同時,由於機床直 線行程都較短,因此隻有在瞬間達到高速和在高 速行程中瞬間準停,高速直線運動才有實際意義, 這就不但要求進給部件速度高,而且要求加速度 也大。

直線電機進給單元概況

為了滿足高速進給的要求,一種嶄新的直線 電機進給單元應運而生。

從1845年Charles Wheastone發明世界上 第一台直線電機[m以來,直線電機在運輸機械、儀 器儀表、計算機外部設備以至磁浮列車等各行各 業中都獲得了應用〔8]。幾年前,也有人用高頻小行 程圓筒式直線電機來推動車床橫刀架,實現非圓 截麵零件(如橢圓活塞)的車削加工[Csl。但是在加 工中心和其他大行程數控機床的進給係統中采用 直線電機驅動,還是最近3年的事,1993年德國 Ex-cel l-O公司首次在國際機床博覽會(漢諾威) 展出了XHC-240型高速加工中心,其三個坐標方 向上都采用了德國Indramat公司生產的交流感 應式直線電機(Linear Induction Motor),工作台 行程630^-710 mm,進給速度高達60 m/min,進 給力2 800 N。當進給速度為20 m/min時的位置 精度可達4 umVol。直線電機在加工中心上的成功 應用,轟動了世界機床界,被同行專家評價為90 年代國際機床工業的一個新的技術高峰,是對機 床設計理論的一個重大突破。

為平板式大行程感應式直線電機進給單 元示意圖。含鐵芯的通電繞組(電機的初級)安裝 在機床工作台(溜板)的下部,是直線電機的動件; 在床身導軌之間安裝不通電的繞組,每個繞組中 的每一匝都是短路的,相當於交流感應回轉電機 鼠籠的展開,是直線電機的定件。由此可見,直線 電機和回轉電機相反,初級是動件,次級是定件。 直線電機通電後,在定件與動件之間的間隙中產 生一個強大的行波磁場,依靠磁力,推動著動件 (機床工作台)作快速直線運動。和傳統的“回轉電 機+滾珠絲杠”不同,在直線電機與機床工作台之 間,沒有直接的機械聯係,而是依靠磁性聯接。 直線伺服電機驅動的高速進給單元

在機床進給運動中采用直線電機有如下優 點:①可達到很高的速度和加速度。直線電機進給 單元取消了一切中間傳動環節,實現了電機對機 床執行部件(工作台、溜板等)的直接驅動,把進給 傳動的傳動鏈長度也縮短為零,這就是機床進給 係統的“零傳動”。因而可免除啟動、變速和換向時 因中間傳動環節的彈性變形、間隙和磨損造成的 運動滯後現象,可獲得高達200 m/min的進給速 度和1鮑m/s,的加速度。②推力大、剛度高、動態 響應快、定位精度高,因而特別有利於在高速加工 中改善零件的加工精度和表麵質量,提高刀具的 使用壽命。試驗表明,當用小20 mm的圓柱銑刀銑 界造成任何影響,但直線電機的磁場是敞開的,尤 其同步式直線電機要在機床床身上安裝一排排磁 力強大的永久磁鐵,而機床上的金屬零件、加工中 的切屑、機床裝配用的工具都是磁性材料,很容易 被直線電機的磁場吸住,妨礙工作的正常進行。切 屑和空氣中的磁性塵埃一旦被吸入直線電機的動 件與定件之間的微小間隙(通常隻有0. 15 mm), 造成堵塞,電機就無法工作。因此要用三維折疊式 密封罩把直線電機的磁場封閉起來。

徽熱問趁

直線電機安裝在機床工作台與床身導軌之 間,處於機床的“腹部”,散熱相當困難,必須采取 特殊的冷卻措施。直線電機直接驅動的快速進給 工作台的結構。直線電機的初級(動件)通 過一塊冷卻板反裝在工作台的內頂麵。直線電機 的次級(定件)也通過一塊冷卻板安裝在底座上。 機床工作時,在冷卻板和孔中通以冷卻液,用以吸 收和帶走直線電機動件和定件線圈中產生的熱 量。

在數控機床的進給伺服係統中,工作台的負 荷會對其工作的穩定性帶來外界幹擾。假若係統 的自動調節功能不強,就會造成震蕩,使係統失 穩。對於直線電機傳動,隻能采用全閉環的控製, 這就要求其位置檢測元件具備較高的數據采集功 能、分辨率和較快的響應能力。一般多選用激光檢 測與反饋控製係統。另外,為了減輕伺服係統的負 載和直線運動的阻力,超高速機床的工作台要用 新型的輕質高強度材料(如纖維增強塑料或鋁欽 同步式或感應式,直線電機與傳統的滾珠絲杠進 給係統相比,價格是昂貴的.隨著生產技術的不斷 進步,直線電機被大量應用時,成本會不斷降低, 作為一種嶄新的進給傳動方式,直線電機會呈現 出其強大的生命力,必將隨著超高速加工技術的 發展而逐步推廣應用。

我國對超高速加工技術尚未引起足夠的重 視。近l0年來,國內許多原來從事加工技術研究 的人都轉向搞自動化了,因為柔性自動化是國內 外研究的新熱點,容易拿到課題,但從全局來看, 卻忽視了加工工藝本身的改進和提高,以致我國 的加工技術至今還停留在較低的水平上,車間現 場使用的切削速度幾乎隻有先進工業國的十分之 一。賭博合法網站認為,對於製造技術來說,隻有工藝的先 進性才是固有的和本質的,任何高級的自動化係 統隻能使工藝過程穩定和精度保持一致。如果工 藝本身有問題,任何精良的自動化係統都不可能 對之產生本質的改善。從這樣的觀點出發,賭博合法網站建 議有關主管部門重新調整政策,改變長時間以來 忽視工藝技術,一味追求自動化的傾向。要知道,縮短輔助時間和縮短加工時間,對提高生產效率 、是缺一不可、相輔相成的兩個方麵,忽視哪一方麵 都會造成嚴重後果.低加工速度的數控技術決不 是先進的製造技術,不加快超高速加工技術的發 展與應用,自動化也不可能取得良好的整體效益。

基於以上認識,近幾年來我校成立了專門的 “超高速加工與機床研究室”。首先對這一先進製 造技術的國內外發展現狀進行比較係統和深入的 調查研究,廣泛收集和整理有關文獻資料,並與有 關工廠密切合作,在國家自然科學基金委員會和 省市科研主管部門的支持下

積極開展超高速加工的理論研究,大力支 持高等院校和研究所對各種材料的高速加工機理 和相關技術進行深入、係統的試驗研究工作,建立 比較完整的基礎理論體係和數據庫。以指導生產 實踐。

大力開發適用於超高速加工的新型刀具 材料,這些材料有很高的熔點和強度、硬度,研究 和改進高速切削刀具的合理幾何參數和刀柄結 構,提高刀具的使用壽命和工作可靠性。

搞好配套技術的開發與研究。諸如建議電 機製造部門開發無外殼高速回轉電機與大行程強 力直線電機;建議電子控製部門開發大功率、寬調 速的交流變頻驅動係統和快速伺服控製係統;建 議軸承行業大力開發陶瓷滾動軸承和磁浮軸承新 產品等。

積極開展學術交流與國際合作。在廣泛開 展研究,試驗和應用的基礎上.召開全國性超高速 加工學術會議,組織專門小組對國外超高速加工 技術進行認真的考察,邀請國外這方麵的專家教 授來華講學,搞好人才培訓與隊伍建設。經過充分 準備,在條件成熟時,建立國家級“超高速加工研 究中心”,引進先進設備和儀器.並使之成為開放 式研究基地,解決一些帶全局性和綜合性的技術 難題,趕超國際先進水平。

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