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超高速加工与机床的零转动

文章出处:admin 人气:发表时间:2017-04-05 16:20

          超高速加工是一种以10倍于常规切削速度 和进给速度对零件进行机械加工的先进制造技 术.近2。年来在工业发达国家发展非常迅速。进 入90年代。机床高速化的进程十分迅猛,一批又 一批的高速加工中心和其他各种高速数控机床相 继投放国际市场,标志着这一高新技术已从理论 研究进入工业应用的新阶段[rll.如果说,莫定了柔 性制造自动化基础的数控技术,由于节省大量辅 助工时,使传统的制造技术发生了第一次革命性 的变化。成为现代制造技术的第一个里程碑;那 么.大幅度地节省切削工时并实现高效精密生产 的超高速加工技术,则是现代制造技术的第二个 里程碑.是国际上公认的四大先进制造技术之一 也是面向21世纪的一项系统工程.

研究和开发性能优良的超高速机床,是实现 超高速加工的前提条件和关键因素。其中最重要 的是设计和制造高速、大功率的主轴单元和进给 单元。而取消一切中间传动环节.实现动力源对机 床工作部件(主轴、工作台和溜板等)的直接传动。 传动链的长度为零.这就是所谓的“零传动”。

零传动不但极大地简化了机床的传动与结 构,更重要的是显著地提高了机床的动态灵敏度、 加工精度和工作可靠性。这是一种为满足超高速 加工要求而产生的新型传动方式,是90年代机床 设计理论和制造技术的一个重大突破。有人把这 种零传动的机床叫做“下一代新机床” 高速大功率电主轴。

在超高速运转条件下.传统的齿轮变速主传 动系统已不能适应要求,代之以宽调速交流变频 电机来实现机床主轴的变速,从而使主传动的机 械结构大为简化。这样,机床的主轴部件就可以设 计成一种功能部件—“主轴单元”,由专业厂进 行系列化生产。

主轴单元有多种形式[’:。在超高速数控机床 上,现在已几乎无一例外地采用了主轴电机与机 床主轴合二为一的结构形式,即采用无外壳电机, 将其空心转子直接套装在机床主轴上,带有冷却 套的定子则安装在主轴单元的壳体内。形成所谓 的“内装式电机主轴(Build-in Motor Spindle).简 称“电主轴”。这样,电机的转子就是机床的主轴. 机床主轴单元的壳体就是电机座。而实现」‘变频 电机与机床主轴的一体化。这种电主轴和早年用 于内回磨床的内装式电机主轴的主要E%别是:工 有较宽的调速范围;②有较大的驱动功率和扭矩; ③有一系列监控主轴振动、轴承温升等运行参数 的传感器及其测试控制系统,以确保超高速运转 下的可靠性与安全。现代的电主轴是一种.}5.能型的功能部件,广泛用于高速加工中心和数控车床。

在国外,这种散装式高速电机已经系列化.山 专业厂生产。机床厂可根据要求订货。

电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小,响应特 性好,还可避免振动与噪声,是超高速主轴单元的 理想结构,已在各类超高速机床上获得广泛应用。

设计电主轴时.除选择适当的无外壳电机外.

内装式电机的散热问肠

典型的电主轴及其驱动与冷却系统见 电主轴的温度场有限元分析表明,其热量的大部 分产生于通电后的定子。可设计一个通入冷却液 (油或水)的套简,其内装入定子绕组,用循环冷却 液体吸收和带走电机产生的热量,保持主轴单元 亮体均匀的温度分布。

计算和实测表明,电主轴中的1/3发热量是 由电机转子产生的。由于转子散热条件差,又直接 带走。是电主轴散热路线。 冷却液

主轴轴承的正确选用

适用于高速大功率主轴的轴承主要有磁浮轴 承、液体动静压轴承和陶瓷滚动轴承3种形式。磁 浮轴承的高速性能好,精度高,容易实现实时诊断 和在线监控[5 ]。在发展超高速机床的初期(80年 代中期),磁浮轴承曾被认为是超高速机床主轴轴 承的唯一选择。但十几年的实践表明,这种轴承由 于电磁测控系统过于复杂,价格十分昂贵,而且长 期居高不下,故至今未能得到广泛应用。液体动静 压轴承综合吸收了动压轴承和静压轴承的优点, 既避免了静压轴承高速下发热严重的弊病和庞大 复杂的供油系统,又克服了动压轴承启动和停止 时可能发生的干摩擦,也有很好的高速性能,而且 转速范围宽,既适合于大功率粗加工,又适用于高 速精加工。但这种轴承必须根据具体机床专门进 行设计,单独生产,标准化程度低,维护保养也困 难.

现在应用最多的还是陶瓷滚动轴承。这种轴 承的结构与尺寸系列和普通的钢质滚动轴承完全 相同,只是将滚动体的材料换成Si, N‘陶瓷,以适 应超高速运转的要求。氮化硅(S1,N,)陶瓷材料的 密度只有钢的40,热膨胀系数只有钢的25%, 而弹性模量则为钢的1. 5倍,硬度为钢的2. 3倍。 因此,用这种材料做滚动体,可大大减小轴承高速 运转中的离心力及陀螺力矩,得到低温升、高刚 度、长寿命的新一代高速轴承〔6]0

所示为我校超高速加工与机床研究室对 一台最高转速nm.==48 OOOr/min的电主轴的试 验结果。陶瓷滚动轴承的温升和热变形 明显低于钢质滚动轴承的温升与热变形。转速越 高,陶瓷轴承的优越性越大。陶瓷轴承到达热平衡 的时间也较短。另外,陶瓷滚动轴承标准化程度 高,对机床结构改动小,便于维护保养,相对于其 他两种高速轴承而言,价格也要低得多。

为了实现超高速加工,机床不但要有高速主 轴,还要有高速的进给与快速行程。这不仅是为了 提高生产效率,也是维持高速切削中刀具正常工 作的必要条件,否则会造成刀具的急剧磨损与温 升,破坏工件加工的表面质量。同时,由于机床直 线行程都较短,因此只有在瞬间达到高速和在高 速行程中瞬间准停,高速直线运动才有实际意义, 这就不但要求进给部件速度高,而且要求加速度 也大。

直线电机进给单元概况

为了满足高速进给的要求,一种崭新的直线 电机进给单元应运而生。

从1845年Charles Wheastone发明世界上 第一台直线电机[m以来,直线电机在运输机械、仪 器仪表、计算机外部设备以至磁浮列车等各行各 业中都获得了应用〔8]。几年前,也有人用高频小行 程圆筒式直线电机来推动车床横刀架,实现非圆 截面零件(如椭圆活塞)的车削加工[Csl。但是在加 工中心和其他大行程数控机床的进给系统中采用 直线电机驱动,还是最近3年的事,1993年德国 Ex-cel l-O公司首次在国际机床博览会(汉诺威) 展出了XHC-240型高速加工中心,其三个坐标方 向上都采用了德国Indramat公司生产的交流感 应式直线电机(Linear Induction Motor),工作台 行程630^-710 mm,进给速度高达60 m/min,进 给力2 800 N。当进给速度为20 m/min时的位置 精度可达4 umVol。直线电机在加工中心上的成功 应用,轰动了世界机床界,被同行专家评价为90 年代国际机床工业的一个新的技术高峰,是对机 床设计理论的一个重大突破。

为平板式大行程感应式直线电机进给单 元示意图。含铁芯的通电绕组(电机的初级)安装 在机床工作台(溜板)的下部,是直线电机的动件; 在床身导轨之间安装不通电的绕组,每个绕组中 的每一匝都是短路的,相当于交流感应回转电机 鼠笼的展开,是直线电机的定件。由此可见,直线 电机和回转电机相反,初级是动件,次级是定件。 直线电机通电后,在定件与动件之间的间隙中产 生一个强大的行波磁场,依靠磁力,推动着动件 (机床工作台)作快速直线运动。和传统的“回转电 机+滚珠丝杠”不同,在直线电机与机床工作台之 间,没有直接的机械联系,而是依靠磁性联接。 直线伺服电机驱动的高速进给单元

在机床进给运动中采用直线电机有如下优 点:①可达到很高的速度和加速度。直线电机进给 单元取消了一切中间传动环节,实现了电机对机 床执行部件(工作台、溜板等)的直接驱动,把进给 传动的传动链长度也缩短为零,这就是机床进给 系统的“零传动”。因而可免除启动、变速和换向时 因中间传动环节的弹性变形、间隙和磨损造成的 运动滞后现象,可获得高达200 m/min的进给速 度和1鲍m/s,的加速度。②推力大、刚度高、动态 响应快、定位精度高,因而特别有利于在高速加工 中改善零件的加工精度和表面质量,提高刀具的 使用寿命。试验表明,当用小20 mm的圆柱铣刀铣 界造成任何影响,但直线电机的磁场是敞开的,尤 其同步式直线电机要在机床床身上安装一排排磁 力强大的永久磁铁,而机床上的金属零件、加工中 的切屑、机床装配用的工具都是磁性材料,很容易 被直线电机的磁场吸住,妨碍工作的正常进行。切 屑和空气中的磁性尘埃一旦被吸入直线电机的动 件与定件之间的微小间隙(通常只有0. 15 mm), 造成堵塞,电机就无法工作。因此要用三维折叠式 密封罩把直线电机的磁场封闭起来。

徽热问趁

直线电机安装在机床工作台与床身导轨之 间,处于机床的“腹部”,散热相当困难,必须采取 特殊的冷却措施。直线电机直接驱动的快速进给 工作台的结构。直线电机的初级(动件)通 过一块冷却板反装在工作台的内顶面。直线电机 的次级(定件)也通过一块冷却板安装在底座上。 机床工作时,在冷却板和孔中通以冷却液,用以吸 收和带走直线电机动件和定件线圈中产生的热 量。

在数控机床的进给伺服系统中,工作台的负 荷会对其工作的稳定性带来外界干扰。假若系统 的自动调节功能不强,就会造成震荡,使系统失 稳。对于直线电机传动,只能采用全闭环的控制, 这就要求其位置检测元件具备较高的数据采集功 能、分辨率和较快的响应能力。一般多选用激光检 测与反馈控制系统。另外,为了减轻伺服系统的负 载和直线运动的阻力,超高速机床的工作台要用 新型的轻质高强度材料(如纤维增强塑料或铝钦 同步式或感应式,直线电机与传统的滚珠丝杠进 给系统相比,价格是昂贵的.随着生产技术的不断 进步,直线电机被大量应用时,成本会不断降低, 作为一种崭新的进给传动方式,直线电机会呈现 出其强大的生命力,必将随着超高速加工技术的 发展而逐步推广应用。

我国对超高速加工技术尚未引起足够的重 视。近l0年来,国内许多原来从事加工技术研究 的人都转向搞自动化了,因为柔性自动化是国内 外研究的新热点,容易拿到课题,但从全局来看, 却忽视了加工工艺本身的改进和提高,以致我国 的加工技术至今还停留在较低的水平上,车间现 场使用的切削速度几乎只有先进工业国的十分之 一。我们认为,对于制造技术来说,只有工艺的先 进性才是固有的和本质的,任何高级的自动化系 统只能使工艺过程稳定和精度保持一致。如果工 艺本身有问题,任何精良的自动化系统都不可能 对之产生本质的改善。从这样的观点出发,我们建 议有关主管部门重新调整政策,改变长时间以来 忽视工艺技术,一味追求自动化的倾向。要知道,缩短辅助时间和缩短加工时间,对提高生产效率 、是缺一不可、相辅相成的两个方面,忽视哪一方面 都会造成严重后果.低加工速度的数控技术决不 是先进的制造技术,不加快超高速加工技术的发 展与应用,自动化也不可能取得良好的整体效益。

基于以上认识,近几年来我校成立了专门的 “超高速加工与机床研究室”。首先对这一先进制 造技术的国内外发展现状进行比较系统和深入的 调查研究,广泛收集和整理有关文献资料,并与有 关工厂密切合作,在国家自然科学基金委员会和 省市科研主管部门的支持下

积极开展超高速加工的理论研究,大力支 持高等院校和研究所对各种材料的高速加工机理 和相关技术进行深入、系统的试验研究工作,建立 比较完整的基础理论体系和数据库。以指导生产 实践。

大力开发适用于超高速加工的新型刀具 材料,这些材料有很高的熔点和强度、硬度,研究 和改进高速切削刀具的合理几何参数和刀柄结 构,提高刀具的使用寿命和工作可靠性。

搞好配套技术的开发与研究。诸如建议电 机制造部门开发无外壳高速回转电机与大行程强 力直线电机;建议电子控制部门开发大功率、宽调 速的交流变频驱动系统和快速伺服控制系统;建 议轴承行业大力开发陶瓷滚动轴承和磁浮轴承新 产品等。

积极开展学术交流与国际合作。在广泛开 展研究,试验和应用的基础上.召开全国性超高速 加工学术会议,组织专门小组对国外超高速加工 技术进行认真的考察,邀请国外这方面的专家教 授来华讲学,搞好人才培训与队伍建设。经过充分 准备,在条件成熟时,建立国家级“超高速加工研 究中心”,引进先进设备和仪器.并使之成为开放 式研究基地,解决一些带全局性和综合性的技术 难题,赶超国际先进水平。

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