補充-第3章第四節(jié) 高速加工機床

1、第四節(jié)第四節(jié) 高速加工機床高速加工機床 r簡介簡介r高速主軸技術高速主軸技術r高速機床的進給系統(tǒng)高速機床的進給系統(tǒng) r高速加工機床的數(shù)控系統(tǒng)高速加工機床的數(shù)控系統(tǒng) 簡介簡介u高速切削的基本理論在70多年前就已提出，由于缺乏相應的高速機床技術的支持，相應的高速切削技術卻發(fā)展緩慢；u近十幾年來，隨著科學技術水平的不斷提高，特別是機床各主要單元技術（如電主軸技術，高精度、高速度CNC技術，高速進給技術以及高速刀具技術等）的迅速發(fā)展，極大地促進了高速機床的制造水平，使得高速切削技術的應用日益廣泛。 簡介簡介高速銑削技術直接加工的汽車曲軸鍛模在高速加工中心上進行的汽車覆蓋件模具高速銑削 應用已遍及汽車、

2、航空航天、模具以及精密機械行業(yè) 簡介簡介高速加工機床的性能優(yōu)點高速度高速度 主軸轉(zhuǎn)速高，進給速度快，使單位時間主軸轉(zhuǎn)速高，進給速度快，使單位時間內(nèi)的金屬切除量增加；內(nèi)的金屬切除量增加；小切深小切深 小切深能夠獲得很高的精度和很小的表小切深能夠獲得很高的精度和很小的表面粗糙度值，從而減少或省去光整加工；面粗糙度值，從而減少或省去光整加工；干式切削干式切削 采用干式切削方式，使用壓縮空氣進采用干式切削方式，使用壓縮空氣進行冷卻，無需切削液及其設備，既降低了成本，行冷卻，無需切削液及其設備，既降低了成本，又有利于環(huán)保；又有利于環(huán)保； 高速加工機床的性能優(yōu)點切削力小，切削溫度低，有利于延長機床和刀具切

3、削力小，切削溫度低，有利于延長機床和刀具的壽命；的壽命；直接加工硬化材料，可省去電極制造，簡化工藝直接加工硬化材料，可省去電極制造，簡化工藝流程；流程；加工薄壁零件，可減少零件變形，優(yōu)化了零件性加工薄壁零件，可減少零件變形，優(yōu)化了零件性能；能；工藝集中工藝集中 可將粗加工、半精加工、精加工合為可將粗加工、半精加工、精加工合為一體，全部在一臺機床上完成，減少了設備數(shù)量，一體，全部在一臺機床上完成，減少了設備數(shù)量，避免了多次裝夾產(chǎn)生的誤差。避免了多次裝夾產(chǎn)生的誤差。高速加工機床的關鍵技術u硬件技術：數(shù)控機床和刀具硬件技術：數(shù)控機床和刀具 ；u軟件技術軟件技術 ：數(shù)控編程技術，即：數(shù)控編程技術，即C

4、AMCAM系統(tǒng)系統(tǒng) ；高速加工對機床的要求: 主軸轉(zhuǎn)速高、功率大；進給量和快速行程速度高；主軸和工作臺（拖板）運動的加（減）速度高；機床要有優(yōu)良的靜、動特性以及熱特性 ；與主要部件的高速度匹配的輔件； 數(shù)控系統(tǒng)功能優(yōu)良。 高速加工機床的關鍵技術高速加工對CAM軟件的要求分為兩個方面:基本要求和特殊要求 。u基本要求1)安全性 不可出現(xiàn)過切或碰撞；2)驗證機構 能夠?qū)ι傻牡毒哕壽E進行仿真檢查；3)多種加工策略；4)軌跡編輯功能；5)豐富的數(shù)據(jù)接口。高速加工機床的關鍵技術高速加工對高速加工對CAMCAM系統(tǒng)的系統(tǒng)的特殊要求特殊要求如下：如下：1)自動生成高速加工的工藝參數(shù)自動生成高速加工的工藝參

5、數(shù) ；2)生成平滑的刀具軌跡生成平滑的刀具軌跡 ；3)進給量優(yōu)化進給量優(yōu)化 ；4)減少加工數(shù)據(jù)量減少加工數(shù)據(jù)量 ；5)毛坯余量知識毛坯余量知識 。高速主軸部件（電主軸）；高速主軸部件（電主軸）；高速進給驅(qū)動和傳動系統(tǒng)；高速進給驅(qū)動和傳動系統(tǒng)；能夠提供高速進給控制的機床數(shù)控裝置；能夠提供高速進給控制的機床數(shù)控裝置；包括安裝、夾緊、快速交換以及實現(xiàn)動平衡的高包括安裝、夾緊、快速交換以及實現(xiàn)動平衡的高速刀具系統(tǒng)；速刀具系統(tǒng)；適用于高速切削的工件裝夾裝置；適用于高速切削的工件裝夾裝置；高效冷卻和排屑裝置；高效冷卻和排屑裝置；可靠的安全防護和監(jiān)測裝置；可靠的安全防護和監(jiān)測裝置；動、靜、熱特性好的床身、立

6、動、靜、熱特性好的床身、立 柱和工作臺等支承部件。柱和工作臺等支承部件。 高速加工機床的主要部件高速加工機床的主要部件結(jié)構高速化結(jié)構高速化墻式龍門結(jié)構、雙主軸高速加工機床 Ingersoll公司2.5 x 5米直線電機驅(qū)動高速龍門銑床高速加工機床高速加工機床Mikron HSM 400 高速加工中心適合高速進給、結(jié)構剛度好國產(chǎn)高速機床結(jié)構高速加工機床高速加工機床機床改進的唯一目的： 適應速度快，精度更高如何選擇？大批量高效率大行程高切速快進給汽車飛機生產(chǎn)線單件、小批量精密加工難加工零件高切速精進給模具光學元件高速加工機床高速加工機床第四節(jié)第四節(jié) 高速加工機床高速加工機床 主要內(nèi)容主要內(nèi)容r簡介

7、簡介r高速主軸技術高速主軸技術r高速機床的進給系統(tǒng)高速機床的進給系統(tǒng) r高速加工機床的數(shù)控系統(tǒng)高速加工機床的數(shù)控系統(tǒng) 高速主軸技術高速主軸技術 機床主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，從而把機機床主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零。這種主軸電動機與床主傳動鏈的長度縮短為零。這種主軸電動機與機床主軸機床主軸“合二為一合二為一”的傳動結(jié)構形式，稱為的傳動結(jié)構形式，稱為“電主軸電主軸”（ElectrospindleElectrospindle、Motor SpindleMotor Spindle或或Motorized SpindleMotorized Spindle）或）或“直接傳

8、動主直接傳動主軸軸”(Direct Drive Spindle)(Direct Drive Spindle)。 瑞士：Fisher公司，IBAG公司，Step-up公司德國：GMN公司，F(xiàn)AG公司美國：Precise公司意大利：Gamfior公司，F(xiàn)oemat公司日本：NSK公司，Koyo公司瑞典：SKF公司高速主軸技術 世界上著名的電主軸生產(chǎn)廠家：適合小孔鉆削高速主軸技術 1、主軸電動機2、支撐軸承3、潤滑系統(tǒng)4、冷卻系統(tǒng)5、預緊系統(tǒng)6、電氣驅(qū)動高速主軸系統(tǒng)構成瑞士IBAG高速主軸系統(tǒng)電主軸結(jié)構電主軸結(jié)構卡盤夾緊裝置加緊軸電機球軸承動平衡點主軸裝置錐形盤彈簧液壓力電主軸的工作原理簡介電主軸的

9、工作原理簡介u主軸由前后兩套軸承來支承；u電動機的轉(zhuǎn)子以過盈配合安裝在機床主軸上，處于 前后軸承之間，由過盈配合產(chǎn)生的摩擦力來實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩的傳遞；u電動機的定子通過一個冷卻套固裝在電主軸的殼體中。這樣，電動機的轉(zhuǎn)子就是機床的主軸，電主軸的箱體就是電動機座，成為機電一體化的一種新型主軸系統(tǒng)； 電主軸的工作原理簡介電主軸的工作原理簡介電主軸的技術參數(shù)指標u套筒直徑；套筒直徑；u最高轉(zhuǎn)速；最高轉(zhuǎn)速；u輸出功率；輸出功率；u轉(zhuǎn)矩和刀具接口等。轉(zhuǎn)矩和刀具接口等。其中套筒直徑為電主軸的主要參數(shù) 此外還有以下的參數(shù)：精度和靜剛度、臨界轉(zhuǎn)速值、殘余動不平衡值、噪聲及套筒溫升閾值、拉緊和松開刀具所需的力的最小值、

10、電主軸的額定壽命值以及主軸與刀具的接口規(guī)格等。 電主軸支撐軸承高速電主軸的支承方式大致分為兩大類：一類是接觸式支承，通常包括球軸承、輥子軸承等等；一類是非接觸式支承，包括磁懸浮軸承，氣靜壓軸承，液動壓軸承等都屬于這一類。 電主軸支撐軸承電主軸支撐軸承滾動軸承電主軸角接觸陶瓷球軸承 從高速性的角度看，滾動軸承中角接觸球軸承最好，圓柱滾子軸承次之，圓錐滾子軸承最差。 電主軸支撐軸承電主軸支撐軸承1、電主軸一般采用適應高速且可同時承受徑向和軸、電主軸一般采用適應高速且可同時承受徑向和軸向負荷的精密角接觸球軸承。向負荷的精密角接觸球軸承。 在滾珠軸承運轉(zhuǎn)過程中，滾珠既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)，會產(chǎn)在滾珠軸承運轉(zhuǎn)過程

11、中，滾珠既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生離心力和陀螺力矩生離心力和陀螺力矩 Fc= (N)式中：式中： 滾球材料的密度滾球材料的密度(Kg/m3) D-滾球的直徑滾球的直徑(m) d-滾珠軸承的節(jié)圓直徑滾珠軸承的節(jié)圓直徑(m) m -滾珠的公轉(zhuǎn)角速度滾珠的公轉(zhuǎn)角速度(rad/s)1232Ddbm陀螺力矩的作用使鋼球沿套圈滾道相對滑動 電主軸支撐軸承電主軸支撐軸承隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，離心力Fc和陀螺力矩Mg也會急劇加大，使軸承產(chǎn)生很大的接觸應力，從而導致軸承摩擦加劇、溫升增高、精度下降和壽命縮短。從角接觸球軸承Fc和Mg的計算公式得知，減少球材料的密度、球的直徑和球的接觸角都有利于減少Fc和Mg，所以現(xiàn)在高

12、速主軸多使用接觸角為15或20的小球徑軸承。球徑不能減小過多，基本上只能是標準系列球徑的70%，以免削弱軸承的剛度，更關鍵的還是要在球的材料上尋求改進。 提高主軸轉(zhuǎn)速的陶瓷軸承提高主軸轉(zhuǎn)速的陶瓷軸承陶瓷球混合軸承陶瓷軸承的優(yōu)點陶瓷軸承的優(yōu)點（1 1）質(zhì)量輕。材料密度僅為）質(zhì)量輕。材料密度僅為3.218 g/cm33.218 g/cm3，只相當于，只相當于鋼球的鋼球的40%40%。慣性力??；。慣性力?。唬? 2）彈性模量高。）彈性模量高。E = 3.22 X 106 kgf/mm2 E = 3.22 X 106 kgf/mm2 ，為鋼，為鋼球的球的1.51.5倍，提高了軸承和主軸系統(tǒng)的剛度，也提

13、高倍，提高了軸承和主軸系統(tǒng)的剛度，也提高了主軸系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速；了主軸系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速；（3 3）線性膨脹系數(shù)低。）線性膨脹系數(shù)低。= 3.2 x 10-6/C= 3.2 x 10-6/C，約為鋼，約為鋼球的球的25%25%，在不同溫升的條件下，球與內(nèi)外環(huán)的配合，在不同溫升的條件下，球與內(nèi)外環(huán)的配合間隙變化小，提高了軸承工作的可靠性并減少了溫間隙變化小，提高了軸承工作的可靠性并減少了溫升導致的軸承軸向位移，也使得預加載荷變化小。升導致的軸承軸向位移，也使得預加載荷變化小。陶瓷軸承的優(yōu)點陶瓷軸承的優(yōu)點當鋼質(zhì)的內(nèi)外環(huán)配以氮化硅（Si3N4）陶瓷球時，這種角接觸球軸承稱為混合陶瓷軸承（Hybrid Ce

14、ramic Bearing），國內(nèi)習稱陶瓷球軸承。 （4）硬度高，能達到1600 1700Hv，為鋼球的2.3倍，可減少磨損，提高軸承壽命。（5）陶瓷與金屬間不產(chǎn)生“咬住”（galling）現(xiàn)象，磨損物也不會嵌入陶瓷球中,從而進一步提高了軸承壽命。軸承的支撐結(jié)構軸承的支撐結(jié)構為適應電主軸高速、較高剛度運轉(zhuǎn)的需要，一般采用下圖的支承結(jié)構形式。前后支承均采用角接觸球軸承，背靠背組配；定位置預緊，采用前支承軸向定位，后支承浮動形式，以適應主軸向后熱伸長的需要，適應于軸向拉壓不定的負載狀況；具有較高的剛度，同時又具有較好的高速性能。特點：滾動軸承的潤滑滾動軸承的潤滑（1 1）油脂潤滑）油脂潤滑 油脂潤

15、滑為一次性永久潤滑，不需任何附加裝置和油脂潤滑為一次性永久潤滑，不需任何附加裝置和特別維護。但其溫升較高，允許軸承工作的最高轉(zhuǎn)速特別維護。但其溫升較高，允許軸承工作的最高轉(zhuǎn)速較低。較低。（2 2）油）油- -氣潤滑氣潤滑 利用分配閥，對所需潤滑的不同部位，按照其實際利用分配閥，對所需潤滑的不同部位，按照其實際需要，定時（間歇）、定量地供給油需要，定時（間歇）、定量地供給油氣混合物。能氣混合物。能保證軸承的各個不同部位既不缺潤滑，又不會因潤滑保證軸承的各個不同部位既不缺潤滑，又不會因潤滑過量而造成更大的溫升，并可將油霧污染降至最低程過量而造成更大的溫升，并可將油霧污染降至最低程度，其度，其dmd

16、mn n值可達值可達1.9X106 1.9X106 。為了保證裝置的正常工。為了保證裝置的正常工作。作。 油-氣潤滑系統(tǒng)原理圖 油-氣潤滑裝置 滾動軸承的潤滑滾動軸承的潤滑油-氣潤滑及空氣密封FISCHER公司的直接潤滑系統(tǒng) 滾動軸承的潤滑滾動軸承的潤滑非接觸軸承非接觸軸承1、流體靜壓軸承、流體靜壓軸承 流體靜壓軸承為非直接觸式軸承，具有磨損小、壽命長、旋轉(zhuǎn)流體靜壓軸承為非直接觸式軸承，具有磨損小、壽命長、旋轉(zhuǎn)精度高、阻尼特性好（振動?。┑葍?yōu)點。用于機床電主軸上，在精度高、阻尼特性好（振動?。┑葍?yōu)點。用于機床電主軸上，在加工零件時加工零件時 可使刀具壽命長、加工表面質(zhì)量高。可使刀具壽命長、加工

17、表面質(zhì)量高。液壓靜壓軸承剛度高，承載能力強。但由于結(jié)構復雜，使用條件液壓靜壓軸承剛度高，承載能力強。但由于結(jié)構復雜，使用條件苛刻，且在高速條件下，液面攪動，消耗功率大，溫升較高，目苛刻，且在高速條件下，液面攪動，消耗功率大，溫升較高，目前已很少應用于電主軸。前已很少應用于電主軸。2、氣體靜壓軸承電主軸的轉(zhuǎn)速可高達、氣體靜壓軸承電主軸的轉(zhuǎn)速可高達100,000200,000 r/min。其。其缺點是剛度差，承載能力低，在機床上一般只限用于小孔磨削和缺點是剛度差，承載能力低，在機床上一般只限用于小孔磨削和鉆孔。鉆孔。 洛陽軸承所的氣壓軸承電主軸 磁懸浮軸承磁懸浮軸承磁懸浮軸承又稱磁力軸承。依靠多副

18、在圓周上互為180的電磁鐵產(chǎn)生徑向相反的吸力（或斥力），將主軸懸浮在空氣中，軸頸與軸承不接觸，期間徑向間隙為1 mm左右。當承受載荷后，主軸在空間位置發(fā)生微弱變化，由位置傳感器測出其變化值，通過電子自動控制與反饋裝置，改變相應磁極的吸力（或斥力）值，使其迅速恢復到原來的位置，使主軸始終繞其慣性軸作高速回轉(zhuǎn)，故這種軸承又稱主動控制磁力軸承（Active Magnetic Bearing）。 工作原理圖磁懸浮軸承電主軸在空氣中回轉(zhuǎn)，其dmn值可以高出滾動軸承的14倍，最高線速度可高達200 m/s （ 陶瓷球軸承為80 m/s ）。磁懸浮軸承軸心的位置用電子反饋控制系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)，其剛度值可以任

19、意設定，自動動平衡和主動控制阻尼而將振動減至很低。軸承溫升低，回轉(zhuǎn)精度極高（0.1微米） 磁懸浮支撐電主軸磁懸浮支撐電主軸高速電主軸的油高速電主軸的油-水熱交換冷卻系統(tǒng)水熱交換冷卻系統(tǒng) 油泵連續(xù)輸出大流量的冷卻油，通過電機定子冷卻套的螺旋槽于電機定子產(chǎn)生熱交換，再經(jīng)輸出回路進入“殼管式油-水交換器”與水進行熱交換，使油冷卻后，流回油池，實現(xiàn)循環(huán)冷卻。根據(jù)主軸電機的要求，冷卻油的入口溫度Tin在1040之間，溫升T不得超過10。電主軸的電動機及電主軸的電動機及其驅(qū)動方式 動平衡點轉(zhuǎn)子定子無外殼主軸電動機電主軸的電動機的電主軸的電動機的驅(qū)動方式u普通變頻器標量驅(qū)動和控制：驅(qū)動控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，

20、輸出功率和轉(zhuǎn)速成正比，在低速時的輸出功率不夠穩(wěn)定，不能滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求，也不具備主軸的準停和C軸控制功能，但價格較為便宜；u矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動和控制：矢量控制驅(qū)動控制特性為低速端的恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動以及中、高速端的恒功率驅(qū)動 ，這種驅(qū)動方式又有開環(huán)和閉環(huán)控制兩種。在閉環(huán)工作方式下，可通過主軸上的位置傳感器，來實現(xiàn)位置和速度反饋，獲得更好的動態(tài)性能，并可實現(xiàn)主軸準停和C軸控制功能。電主軸的動平衡設計電主軸的動平衡設計 電主軸的最高轉(zhuǎn)速一般在10000r/min以上，有的高達60000100000r/min，主軸運轉(zhuǎn)部分微小的不平衡量，都會引起巨大的離心力，造成機床的振動，影響加工精度和表面質(zhì)量。

21、因此必須對電主軸進行嚴格的動平衡。主軸及主軸上的零件都要經(jīng)過十分精密的加工、裝配和調(diào)校，使主軸組件動平衡精度達到0.4級以上的水平。電主軸的動平衡設計電主軸的動平衡設計在設計電主軸時，必須嚴格遵守結(jié)構對稱性原則，鍵連接和螺紋聯(lián)接在電主軸上被禁止使用。電動機轉(zhuǎn)子與機床主軸之間用過盈配合來實現(xiàn)扭矩的傳遞，過盈量應按所傳遞的扭矩來計算，其值有時高達0.080.10mm。主軸上軸向固定零件用的螺紋套也用與主軸有過盈配合的圓盤來代替。電主軸的動平衡設計電主軸的動平衡設計設計這種過盈聯(lián)接裝置時，還必須考慮其拆卸的方便。如圖所示，安裝硅鋼片的轉(zhuǎn)子內(nèi)套1用鉻錳彈簧鋼制造，且其壁厚較小，故有較好的彈性。當需要把轉(zhuǎn)子從主軸上拆卸下來時，可用手提式高壓泵將油從轉(zhuǎn)子內(nèi)套左端的小孔a壓入，高壓油進入內(nèi)套的環(huán)形內(nèi)孔e后，即可將套1的內(nèi)徑脹大，這樣就可把轉(zhuǎn)子順利地從主軸上拆卸下來。為了保持主軸結(jié)構的對稱性，轉(zhuǎn)子內(nèi)套