補(bǔ)充-第3章第四節(jié) 高速加工機(jī)床

第四節(jié)高速加工機(jī)床簡(jiǎn)介高速主軸技術(shù)高速機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)高速加工機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)

簡(jiǎn)介高速切削的基本理論在70多年前就已提出，由于缺乏相應(yīng)的高速機(jī)床技術(shù)的支持，相應(yīng)的高速切削技術(shù)卻發(fā)展緩慢；近十幾年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，特別是機(jī)床各主要單元技術(shù)（如電主軸技術(shù)，高精度、高速度CNC技術(shù)，高速進(jìn)給技術(shù)以及高速刀具技術(shù)等）的迅速發(fā)展，極大地促進(jìn)了高速機(jī)床的制造水平，使得高速切削技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛。

簡(jiǎn)介高速銑削技術(shù)直接加工的汽車曲軸鍛模在高速加工中心上進(jìn)行的汽車覆蓋件模具高速銑削

應(yīng)用已遍及汽車、航空航天、模具以及精密機(jī)械行業(yè)

簡(jiǎn)介高速加工機(jī)床的性能優(yōu)點(diǎn)高速度主軸轉(zhuǎn)速高，進(jìn)給速度快，使單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除量增加；小切深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；干式切削采用干式切削方式，使用壓縮空氣進(jìn)行冷卻，無(wú)需切削液及其設(shè)備，既降低了成本，又有利于環(huán)保；高速加工機(jī)床的性能優(yōu)點(diǎn)切削力小，切削溫度低，有利于延長(zhǎng)機(jī)床和刀具的壽命；直接加工硬化材料，可省去電極制造，簡(jiǎn)化工藝流程；加工薄壁零件，可減少零件變形，優(yōu)化了零件性能；工藝集中可將粗加工、半精加工、精加工合為一體，全部在一臺(tái)機(jī)床上完成，減少了設(shè)備數(shù)量，避免了多次裝夾產(chǎn)生的誤差。高速加工機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)硬件技術(shù)：數(shù)控機(jī)床和刀具；軟件技術(shù)：數(shù)控編程技術(shù)，即CAM系統(tǒng)；高速加工對(duì)機(jī)床的要求:主軸轉(zhuǎn)速高、功率大；進(jìn)給量和快速行程速度高；主軸和工作臺(tái)（拖板）運(yùn)動(dòng)的加（減）速度高；機(jī)床要有優(yōu)良的靜、動(dòng)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(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)高速加工對(duì)CAM軟件的要求分為兩個(gè)方面:基本要求和特殊要求。基本要求1)安全性不可出現(xiàn)過(guò)切或碰撞；2)驗(yàn)證機(jī)構(gòu)能夠?qū)ι傻牡毒哕壽E進(jìn)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(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)高速加工對(duì)CAM系統(tǒng)的特殊要求如下：1)自動(dòng)生成高速加工的工藝參數(shù)；2)生成平滑的刀具軌跡；3)進(jìn)給量?jī)?yōu)化；4)減少加工數(shù)據(jù)量；5)毛坯余量知識(shí)。高速主軸部件（電主軸）；高速進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)；能夠提供高速進(jìn)給控制的機(jī)床數(shù)控裝置；包括安裝、夾緊、快速交換以及實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡的高速刀具系統(tǒng)；適用于高速切削的工件裝夾裝置；高效冷卻和排屑裝置；可靠的安全防護(hù)和監(jiān)測(cè)裝置；動(dòng)、靜、熱特性好的床身、立柱和工作臺(tái)等支承部件。高速加工機(jī)床的主要部件結(jié)構(gòu)高速化墻式龍門結(jié)構(gòu)、雙主軸高速加工機(jī)床

Ingersoll公司2.5x5米直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速龍門銑床高速加工機(jī)床MikronHSM400高速加工中心適合高速進(jìn)給、結(jié)構(gòu)剛度好國(guó)產(chǎn)高速機(jī)床結(jié)構(gòu)高速加工機(jī)床機(jī)床改進(jìn)的唯一目的：適應(yīng)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(jìn)給汽車飛機(jī)生產(chǎn)線單件、小批量精密加工難加工零件高切速精進(jìn)給模具光學(xué)元件高速加工機(jī)床第四節(jié)高速加工機(jī)床主要內(nèi)容簡(jiǎn)介高速主軸技術(shù)高速機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)高速加工機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)

高速主軸技術(shù)

機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零。這種主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，稱為“電主軸”（Electrospindle、MotorSpindle或MotorizedSpindle）或“直接傳動(dòng)主軸”(DirectDriveSpindle)。瑞士：Fisher公司，IBAG公司，Step-up公司德國(guó)：GMN公司，F(xiàn)AG公司美國(guó)：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(shù)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(shù)1、主軸電動(dòng)機(jī)2、支撐軸承3、潤(rùn)滑系統(tǒng)4、冷卻系統(tǒng)5、預(yù)緊系統(tǒng)6、電氣驅(qū)動(dòng)高速主軸系統(tǒng)構(gòu)成瑞士IBAG高速主軸系統(tǒng)電主軸結(jié)構(gòu)卡盤夾緊裝置加緊軸電機(jī)球軸承動(dòng)平衡點(diǎn)主軸裝置錐形盤彈簧液壓力電主軸的工作原理簡(jiǎn)介主軸由前后兩套軸承來(lái)支承；電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子以過(guò)盈配合安裝在機(jī)床主軸上，處于前后軸承之間，由過(guò)盈配合產(chǎn)生的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩的傳遞；電動(dòng)機(jī)的定子通過(guò)一個(gè)冷卻套固裝在電主軸的殼體中。這樣，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就是機(jī)床的主軸，電主軸的箱體就是電動(dòng)機(jī)座，成為機(jī)電一體化的一種新型主軸系統(tǒng)；

電主軸的工作原理簡(jiǎn)介電主軸的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)套筒直徑；最高轉(zhuǎn)速；輸出功率；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(dòng)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、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?zhàn)虞S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(dòng)壓軸承等都屬于這一類。

電主軸支撐軸承滾動(dòng)軸承電主軸角接觸陶瓷球軸承

從高速性的角度看，滾動(dòng)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1、電主軸一般采用適應(yīng)高速且可同時(shí)承受徑向和軸向負(fù)荷的精密角接觸球軸承。在滾珠軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，滾珠既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生離心力和陀螺力矩Fc=(N)式中：ρ—滾球材料的密度(Kg/m3)D---滾球的直徑(m)d----滾珠軸承的節(jié)圓直徑(m)ωm----滾珠的公轉(zhuǎn)角速度(rad/s)陀螺力矩的作用使鋼球沿套圈滾道相對(duì)滑動(dòng)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(huì)急劇加大，使軸承產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，從而導(dǎo)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(jì)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(guò)多，基本上只能是標(biāo)準(zhǔn)系列球徑的70%，以免削弱軸承的剛度，更關(guān)鍵的還是要在球的材料上尋求改進(jìn)。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(diǎn)（1）質(zhì)量輕。材料密度僅為3.218g/cm3，只相當(dāng)于鋼球的40%。慣性力小；（2）彈性模量高。E=3.22X106kgf/mm2，為鋼球的1.5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；（3）線性膨脹系數(shù)低。α=3.2x10-6/C°，約為鋼球的25%，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升導(dǎo)致的軸承軸向位移，也使得預(yù)加載荷變化小。陶瓷軸承的優(yōu)點(diǎn)當(dāng)鋼質(zhì)的內(nèi)外環(huán)配以氮化硅（Si3N4）陶瓷球時(shí)，這種角接觸球軸承稱為混合陶瓷軸承（HybridCeramicBearing），國(guó)內(nèi)習(xí)稱陶瓷球軸承。（4）硬度高，能達(dá)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(huì)嵌入陶瓷球中,從而進(jìn)一步提高了軸承壽命。軸承的支撐結(jié)構(gòu)為適應(yīng)電主軸高速、較高剛度運(yùn)轉(zhuǎn)的需要，一般采用下圖的支承結(jié)構(gòu)形式。前后支承均采用角接觸球軸承，背靠背組配；定位置預(yù)緊，采用前支承軸向定位，后支承浮動(dòng)形式，以適應(yīng)主軸向后熱伸長(zhǎng)的需要，適應(yīng)于軸向拉壓不定的負(fù)載狀況；具有較高的剛度，同時(shí)又具有較好的高速性能。特點(diǎn)：滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑（1）油脂潤(rùn)滑油脂潤(rùn)滑為一次性永久潤(rùn)滑，不需任何附加裝置和特別維護(hù)。但其溫升較高，允許軸承工作的最高轉(zhuǎn)速較低。（2）油-氣潤(rùn)滑利用分配閥，對(duì)所需潤(rùn)滑的不同部位，按照其實(shí)際需要，定時(shí)（間歇）、定量地供給油—?dú)饣旌衔?。能保證軸承的各個(gè)不同部位既不缺潤(rùn)滑，又不會(huì)因潤(rùn)滑過(guò)量而造成更大的溫升，并可將油霧污染降至最低程度，其dm·n值可達(dá)1.9X106。為了保證裝置的正常工作。油-氣潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖油--氣潤(rùn)滑裝置滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑油--氣潤(rùn)滑及空氣密封FISCHER公司的直接潤(rùn)滑系統(tǒng)滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑非接觸軸承1、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(zhǎng)、旋轉(zhuǎn)精度高、阻尼特性好（振動(dòng)?。┑葍?yōu)點(diǎn)。用于機(jī)床電主軸上，在加工零件時(shí)可使刀具壽命長(zhǎng)、加工表面質(zhì)量高。液壓靜壓軸承剛度高，承載能力強(qiáng)。但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用條件苛刻，且在高速條件下，液面攪動(dòng)，消耗功率大，溫升較高，目前已很少應(yīng)用于電主軸。2、氣體靜壓軸承電主軸的轉(zhuǎn)速可高達(dá)100,000—200,000r/min。其缺點(diǎn)是剛度差，承載能力低，在機(jī)床上一般只限用于小孔磨削和鉆孔。洛陽(yáng)軸承所的氣壓軸承電主軸

磁懸浮軸承磁懸浮軸承又稱磁力軸承。依靠多副在圓周上互為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1mm左右。當(dāng)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(cè)出其變化值，通過(guò)電子自動(dòng)控制與反饋裝置，改變相應(yīng)磁極的吸力（或斥力）值，使其迅速恢復(fù)到原來(lái)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(dòng)控制磁力軸承（ActiveMagneticBearing）。工作原理圖磁懸浮軸承電主軸在空氣中回轉(zhuǎn)，其dm·n值可以高出滾動(dòng)軸承的1~4倍，最高線速度可高達(dá)200m/s（陶瓷球軸承為80m/s）。磁懸浮軸承軸心的位置用電子反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，