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关于高速加工的种种
2006年8月1日 9:40  
    为了发挥高速加工的优越性,车间必须评估和最优化全部生产过程:机床、它的主轴和工艺装备系统以及它的编程软件。按照美国Absolute 机床公司总裁Steve Ortner说,成功建立在设计用于高速加工的系统基础上,具有补充的能力,而不是标准的,用高速改装的。 
         
    用于高速加工的机床必须有刚性结构,能抗振,刚性好,在高加速度率下不挠曲。这些机床都用加重型筋的铸件制成,经过有限元分析最佳化,抗振,提供最佳的刀具寿命和表面光洁度。 
         
    双立柱设计对于中到大型高速加工机床是很理想的。这是因为Y和Z轴载荷固定,只工作台载荷是变化的。 
         
    相反, C形框架机床,X轴在Y轴之上,有两个轴载荷变化,受工作台载荷变化的影响,使机床难于调谐和控制。但对于中、小型机床,工作台载荷通常额定在1500磅以下,因而C形框架设计是可控制的,而且成本效益高。 
         
    对于直线导轨的机床,重量支持在轴承上,容易控制和调谐机床,用于高速。在中、小型机床上,用低转矩主轴,直线导轨系统效果好。但在大到中型机床上,用高转矩主轴, Y和Z轴常用箱形导轨而X轴用直线导轨。 

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成功的高速加工需要配合机床的能力、控制、工艺装备和编程软件 

    大直径机床滚珠丝杠在高速加工时,可防止挠曲和振动。滚珠丝杠应加预应力以消除热变形,防止膨胀,加强轴的刚性。如果机床的结构不能支持预应力滚珠丝杠,则滚珠丝杠必须用循环液体冷却,这又产生维修问题。 
         
    没有预应力滚珠丝杠的机床,为了精度的要求,必须要有标尺,但可能仍然缺乏轴的刚度。长行程的机床,滚珠丝杠很长,应该用固定丝杠和回转螺母装置,以防止丝杠抖动。伺服马达应该用刚性联轴节直接联接到滚珠丝杠上。 
         
    由于高速加工的加速度,用平衡重是行不通的。必须使用不用平衡的大伺服马达或者液压平衡系统。 
         
    控制装置、马达和驱动装置 
         
    控制装置、马达和驱动装置共同工作,以便最佳化速度和可靠性。为了选择高速切削的控制/马达/驱动系统,必须考虑以下几个方面: 
         
    ◆ 控制速度是处理3轴运动信息块,通过伺服系统执行信息块并得到闭环反馈的能力。 
         
    ◆ 块先行 ( Block Lookahead ) 是在程序中控制系统控制矢量变化的先行块的数量。控制系统越快,需要先行块越多。 
         
    ◆ 自动加速/减速,结合用块先行,自动减小进给率,以保持轮廓精度和完整。 
         
    ◆ 需要大容量程序存储器和一个以太网接口,带一个硬盘驱动器或ATA卡,以便从存储器直接运行。Ortner先生说,RS-232DNC 方式不够快。 
         
    ◆ 需要大的交流数字伺服马达和驱动装置,以快速起动和停止高速加工机床。 
         
    ◆ 需要带编码器或线性标度的高分辨率反馈,以便知道机床在哪里。 
         
    ◆ 特别重要的是当工作台载荷变化时,伺服器可以调谐,以适应机床轴惯性的变化。控制系统必须调谐,适应各种精度与速度的对比等级。 

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    Johnford Hi-Net DCM系列加工中心的特点是双立柱(桥式铣床),Y和Z轴有箱形导轨,X轴为滚柱型直线导轨,用于高速加工中型到大型工件,工件台能承受重载。 

    高速加工主轴 
         
    由于皮带的噪声和振动,用皮带从变速箱驱动的主轴,用40锥度时,速度限制在12000转/分,用50锥度时限制在8000转/分。这种主轴装置产生大的切削力和转矩,但在生产加工中,它的加速/减速时间慢,热稳定性一般,但这种传动链便宜,维修成本低。 
         
    在隔离式直接驱动(IDD或DDS)中,主轴马达安装在主轴顶上,用精密联轴节联接。这种装置速度可达20000转/分。 
         
    不像齿轮、皮带传动系统,用户用低速马达,通过改变皮带轮比例,得到较高的速度;在隔离直接驱动系统中,主轴马达以与主轴同样的速度运转。这些系统有好的加速/减速质量(类似于那些集成的主轴)和热稳定性。 
         
    根据Ortner先生所说,高速、低振动的最好系统是集成的或电动的主轴,这种主轴的轴是转子,而主轴的箱体是定子。通常速度范围从15000~40000转/分。这种主轴昂贵,维修费用高,但热稳定性好,变形小,允许特别大的加速度、减速度,可提供足够大的切削扭矩。 
         
    大切削扭矩需要大的主轴和电机,但可使速度减慢。当切削速度提高时,主轴轴承和轴的直径缩小,导致损失刚性和所用切削刀具型式的限制。另外,用小的刀具系统则刀具长度必然受到限制。 

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