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2011/05/31

高速切削的技術裝備

高速切削的技術裝備

摘 要:介紹了高速切削機床及其伺服係統、控製係統、刀具和配套裝備,以便正確選購使用有關技術裝備,並充分發揮其作用。
關鍵詞:高速切削;伺服係統;控製係統;切削刀具;配套裝備

高速切削(High Speed Cutting-HSC)概念起源於德國切削物理學家Carl Salomn的著名切削實驗及其物理引伸。他認為一定的工作材料對應有一個臨界切削速度,其切削溫度最高。



在常規切削範圍內(見圖1A區)切削溫度Tv隨著切削速度Vc的增大而提高,當切削速度到達臨界切削速度後,切削速度再增大,切削溫度反而下降(見圖1C區),所以越過B區,在高速區C區進行切削,則可用現有的刀具進行高速切削,從而大大地減少切削工時,成倍提高機床的生產率,同時提高加工質量管理,並可用於切削各種硬、韌性、難加工材料的工件。因此,自上世紀80年代以來,國外在製造業的模具、航空、航天、汽車、精密機械、光學和家電等許多部門中,開始廣泛應用該先進技術、取得了很大的成效。目前,麵對日益加劇的國際竟爭,國內廣大企業迫切需要對HSC加工技術有比較全麵的了解,以便能正確選購有關技術裝備,並充分發揮其作用,獲得予期的經濟效益。

1 高速切削機床

為了適應粗精加工,輕重切削和快速移動,同時保證高精度(定位精度±0.005mm),性能良好的機床是實現高速切削的關鍵因素。其關鍵技術有以下幾項:

1.1 高速主軸

高速主軸是高速切削機床的核心部件,隨著對主軸轉速要求的不斷提高,傳統的齒輪――皮帶變速傳動係統由於本身的振動、噪音等原因已不能適應要求,取而代之的是一種新穎的功能部件――電主軸,它將主軸電機與機床主軸合二為一,實現了主軸電機與機床主軸的一體化。電主軸采用了電子傳感器來控製溫度,自帶水冷或油冷循環係統,使主軸在高速旋轉時保持恒溫,一般可控製在20°~25°範圍內某一設定溫度,精度為± 0.7°,同時使用油霧潤滑、混合陶瓷軸承等新技術,使主軸免維護、長壽命、高精度。

1.2 高速精密軸承

高速軸承是高速切削機床的核心,是決定高速主軸壽命和負載容量的最關鍵部件。

1.2.1 磁懸浮軸承

它是用電磁力將主軸無機械接觸地懸浮起來,其轉速可達45000r/min,功率為20kW,精度高,易實現實時診斷和在線監控,是理想的支承元件,但其價格較高。

1.2.2 液體動靜壓軸承

采用流體動、靜力相結合的辦法,使主軸在油膜支撐中旋轉,具有徑、軸向跳動小、剛性好、阻尼特性好,適於粗、精加工,壽命長的優點。但其無通用性,維護保養較困難。

1.2.3混合陶瓷軸承

用氮化矽製的滾珠與鋼製軌道相組合,是目前在高速切削機床主軸上使用最多的支承元件,在高速轉動時離心力小,剛性好,溫度低,壽命長,功率可達80kW,轉速高達150000r/min,它的標準化程度高,便於維護,價格低。

1.3 高速伺服係統

為了實現高速切削加工,機床不但要有高速主軸,還要有高速的伺服係統,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,否則會造成刀個的急劇磨損與升溫,破壞工件加工的表麵質量。

1.3.1 直線電機伺服係統

直線電機是使電能直接轉變成直線機械運動的一種推力裝置,將機床進給傳動鏈的長度縮短為零,它的動態響應性能敏捷、傳動剛度高、精度高、加減速度大,行程不受限製、噪音低、成本較高,在加速度大於1g的情況下,是伺服係統的唯一選擇。

1.3.2 滾珠絲杠驅動裝置

滾珠絲杠仍是高速伺服係統的主要驅動裝置,用AC伺服電機直接驅動,並采用液壓軸承,進給速度可達40~60m/min,其加速度可超過0.6g,成本較低,僅為直線電機的1/2.5。

1.4 高性能的CNC控製係統

高速切削機床優良的力學性能,必須通過它優良的控製性能才能夠充分發揮。高速主軸,高速伺服係統都與控製技術的發展密不可分。用於HSC的計算機數控(CNC)係統必須具有很高的運算速度和精度,以及快速響應的伺服控製。HSC機床的CNC係統在相同一段時間內需要計算處理的數據比普通數控機床的CNC係統多得多,就要求前者的計算處理容量和速度大大提高,其CNC係統的硬件,采用功能強大的個人計算機器人配置。例如奔騰芯片,64MB內存,1-10GB硬盤等,使程序塊的執行時間降低到3~0.5μs。在此基礎上配備空間螺旋線、拋物線和樣條插補功能、速度預控製功能,數字化自動平滑運動軌跡功能、加速和製動時的急動速度監控功能等等,使工件加工質量在高速切削時得到明顯改善。相應地,伺服係統則發展為數字化、智能化和軟件化,使伺服係統與CNC係統在A/D―D/A轉換中不會有丟失或延遲現象,尤其是全數字交流伺服電機和控製技術已得到廣泛應用,該技術的主要特點為具有優異的動力學特征、無漂移、極高的輪廓精度,從而保證了高進給速度加工的要求。

2 高速切削刀具

刀具是機械加工重要的技術裝備之一。因易消耗,一旦機床性能獲得確定,就成為注意力的焦點。由於離心慣性力隨著轉速升高而迅速增大,高速主軸端部同刀柄頭部的給合在結構和尺寸方麵有許多特別之處。目前基本采用HSK形式和係列,需要根據機床主軸參數來確定刀柄參數,使它們相符吻合。由於切削和進給速度高,HSC加工中刀具的壽命一般會降紙,需要從刀具材料、幾何參數、懸伸長度以及切削參數、切削幾何關係、走刀路線、潤滑冷卻等各方麵采取措施,盡可能減少壽命的降紙。

HSC加工應用的刀具材料主要有硬質合金塗層、陶瓷、聚晶立方氮化硼和聚晶金剛石等幾大類。

HSC刀具與普通刀具前後角相比,一般HSC比普通切削的前角約小10°,後角約大5°~8°。同時HSC刀具的切削部位應盡量短,以提高刀具的剛性和減小刀刃的破損率。

總之,應根據工件材料、工件的批量大小、機床主軸參數等來選擇刀柄、刀具材料及刀具的幾何尺寸。

3 HSC機床的配套裝備

(1)為了縮短輔助工時,絕大多數HSC機床都配有15~30刀位以上的刀具庫和自動換刀裝置,成為HSC加工中心。
(2)冷卻潤滑係統是不可少的配套裝備,其中包含自動對機床各部進行冷卻潤滑的功能和排屑功能,需單獨考慮的是刀具的冷卻潤滑裝置,例如風冷裝置或油霧潤滑冷卻裝置,並需要兼顧吹屑功能。
(3)電子手輪和CAD/CAM係統與高速CNC係統的接口,是影響到機床操作控製性能的必要配套裝置。
(4)能夠自動測量刀具的直徑、長度和進行破損檢測的激光或紅外線係統。
(5)測頭能夠安裝到主軸上用以探測工件輪廓型麵的紅外線測量裝置。
(6)為了減少發生故障後,停機等待修複的時間,在機床台數多、利用率高的情況下,備用一根高速主軸。
(7) HSC機床的安全防護裝置,包括硬件和軟件,要保證即使在發生刀具破裂而高速彈飛出來的極端情況下,仍然能夠可靠地保護操作使用者的人身安全,並且能夠預防機床部件、刀具、工件之間產生意外的幹涉碰撞。

高速切削的技術裝備涉及眾多高新技術,必須根據本單位產品的材料、精度、批量等來選擇相匹配的技術裝備,使其在生產中充分發揮作用。

參考文獻
1 張永強. 高速切削及其關鍵技術的發展現狀態. 航空精密製造技術. 1998,(1)
2 TOM. Beard Make Machine Moving Faster Modevn MachineShop. 1997
3 羅輝國. 高速加工的實現與應用. 航空精密製造技術. 2001,(2)
4 倪其民等. 高速切削技術研究. 機械製造. 1999,(4)(end)

EMAG Karstens 外圓內圓磨床加工系統 HG 204 / HG 208Photobucket

HG 
系列專為精密軸類件的外圓加工而設計。
 這類精密零件包括有電發動機、變速箱和液壓零件,以及電機軸、壓縮機軸和風機軸等。 該系列磨床可配置所有先進的磨削工藝,所以柔性大,工件變化時反應快。

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HG 
204 / HG 208




HG 
204和HG 208,是對大中批量的工件進行內外圓加工的最佳解決方案。
 HG 
204可加工的軸類件最大額定長度是400 mm。
 同系列中的老大HG 
208 可加工的工件最大長度甚至可以達到800 mm。
基於它的模塊式結構,機床可根據加工需要靈活配置,從優調整:








系統整合- Photobucket

HG 204 和HG 208 磨床專為投放到生產系統的應用而設計, 採用模組化結構, 
注重個性化配置, 適合中大型的量產. 由於可以選擇的工藝和生產模組範圍大, 所以能完全根據用戶需求提供量身訂做的磨床. 磨床也可已集成機械臂, 
因此可以很方便的聯機到生產系統或現有設備中使用.

齒輪變速箱是此系列磨床和其他系列機床聯機使用的經典例子: 齒輪先在埃馬克EMAG VTC 倒置式軸類件車床上粗加工, 然後在HG 
的磨床上精加工. 整個生產系統出自一手, 為用戶提供最高質量保證的同時也提供最大便利. 

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加工圓滿 – 結果圓滿
 

HG 204 和 HG 208 最適合工件的內外圓磨削, 大中批量生產的最佳生產模式. HG 204磨床最長磨削長度為400mm, 而HG 208 
的最大磨削長度為800mm. 由於採用了模組化設計結構, 所以能根據加工需求進行量身訂製的最佳配置:



  • 剛玉或CBN砂輪 

  • B軸帶2個外圓磨砂輪主軸,最大直徑500 
    mm
     
  • B軸帶1個外圓磨砂輪主軸,最大直徑500 
    mm, 2個內圓磨砂輪主軸
     
  • B軸帶3個外圓磨砂輪主軸,最大直徑400 
    mm
     
  • 工件頭架可配置電主軸或皮帶傳動的主軸 

  • 滑動尾架 

  • 在線測量裝置 

  • CBN砂輪和剛玉砂輪的修整單元 

  • 磨削和修整時的切入識別 

  • 自動動平衡裝置 

  • 工件卡頭 

  • 不同規格的卡盤和中心架 

  • 自動上下料門,用於連接自動上下料裝置



一次装夹进行内外圆加工


H G 2 0 8 C D 
型磨床采用中间驱动,专为组合加工空心轴这类零件而设计,能满足特高的内外圆同轴度要求。如今先进轿车上使用的变速箱空心齿轮轴便是最典型的加工例子。此磨床能一次装夹同时加工齿轮轴的内外圆,和传统的两次装夹加工相比,加工精度显然有了质的飞跃。

H G 2 0 8 C D 型磨床可加工空心轴的最大长度是4 0 0m m。最高配置的磨床有两个十字滑台,集成在滑台上的B 
轴可安装两个内圆磨砂轮主轴和两个外圆磨砂轮主轴。最高配置的磨床进行内圆加工时,可加工内圆直径、端面和锥面。
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同步加工磨床:HG 208 DW


H G 2 0 8 DW 
型轴类件四轴同步加工磨床,可同时完成外圆磨的两道工序。这台磨床特别适合工序相同、只是长度方向尺寸有别的同一家族工件的加工。磨床可加工的典型工件有:转向机构主动齿轮、变速箱齿轮轴、电机轴和压缩机轴等。



H G 2 0 8 DW 型同步加工磨床的优点概述:

因一次装夹组合加工,所以加工质量卓越;节拍时间短,是同一家族工件最经济的生产方案;单

件加工的投资成本低。

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技術參數


 


加工範圍

HG 
2

HG 
204

HG 
208
工件最大直徑 mm 160 160 200
工件最大長度 mm 400 650 800
砂輪直徑   600 600 600
X軸行程 mm 380 380 380
Z軸行程 mm 1000 1000 1600


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