高速不足为奇
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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。

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。

乔福(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12,000r/min,用50锥度时限制在8,000r/min。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20,000r/min。
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15,000~40,000r/min。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。

工艺装备系统

大锥度刀柄的标准CAT/BT 系统,其特性可能限制其使用于高速。这只取决于主轴锥度的接触刚性,当主轴速度提高时,离心力可能打开它们的拉钉夹持系统。
在高速下,由于离心力使得主轴口会稍微扩张,因而导致传统的刀柄由于恒定的拉力而进一步移入主轴。刀具回拉改变Z轴的尺寸精度。
MCAT/BBT系统由于机床主轴端面与刀柄法蓝端面接触,同时又与主轴锥度接触,因而刚性提高。这可减少机床在高速下的振动和机床主轴与刀柄锥部之间的磨蚀。但是,这种型式与CAT/BT 系统有同样的拉钉夹紧装置,由于离心力,也有速度限制。
对于高速切削,HSK刀柄是最好的,Ortner先生说。不像传统的刀柄,HSK刀柄是空心的,它们的夹紧机构从里面操作,使刀柄不受离心力的影响。另外,由于HSK短锥,为了高刚性,机床主轴轴承接近主轴轴承。
对于24000r/min速度下的大扭矩切削,用HSK A型系统效果很好。另一方面, HSK E 型刀柄,没有A型系统的驱动槽,因此,改善了高速下的平衡。这种型式很适合用于高主轴速度、低扭矩进行精加工。
Ortner先生推荐HSK-100A(最大的HSK刀柄)用于高速到15,000r/min的重切削,HSK-63A(中等规格的刀柄)用于速度到24,000r/min的中到细切削,小型HSK-50E刀柄用于高速精加工。

配合高速加工技术,用OSG Tap & Die球端肋加工刀具和2万转/分的主轴,车间在这模具零件上切削每条肋用不到5分钟,而用电火花加工要用几小时。

编程

根据安大略温莎一个模具车间Cutting-Edge Technologies的总裁Sean O’Nell介绍,编程对于高速加工是最关键的,虽然经常被忽视。这是因为在车间里受过训炼和熟悉软件系统的操作者,对其它更适合高速加工的程序缺乏研究。
高速加工编程应该在无人看管的情况下提供一致的效果,从开始到完成,用多把刀具加工一个零件而不用操作者介入。日本的一些车间已经如此,生产率与美国不相上下,而中国车间的生产率比较低。
另外,如果编程软件可以从前道工序,精确地识别遗留的预量,则车间可以从粗加工转到半精加工而不用中间切削。
准备刀具数据库——标准化各种数据,诸如整个车间各种刀具的速度、进给率、逐渐减小和圆弧切入进给率——虽然费时,但在决定预期刀具寿命、加速调整安装和避免撞刀方面,可提供很多意外的收获。
保持恒定的切屑载荷是得到最长的刀具寿命,产生精密的表面光洁度的关键。当切入一个角落时,编程特别的路径,可以控制切屑载荷,防止刀具变形。为了保证一致的高切速,编程的圆弧可以省掉需要机床减速进入角落,然后再加速离开角落。
Ortner先生相信,最重要的因素是知道由CAD/CAM系统所产生的点对点增量距离,在车间越来越多地依赖机床系统,而不是依靠雇员用钳工和抛光零件来生产好的表面光洁度的情况下,这个距离不断减小。例如,大多数模具车间粗切用0.25~1mm(0.010~0.040英寸)平均距离移动量,而精切用0.05~0.25mm(0.002~0.010英寸)的移动量。平均控制进给率决定于平均距离移动量,对于长的、直的运动,可以考虑点对点之间达几英寸;对于细节的运动,可考虑0.025mm(0.001英寸)。
本文作者:James Benes
原载:《国际金属加工商情》
上载于:2006-7-11 21:59:27

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