為工模具製造的高速加工選擇機床

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模具製造    時間:2014-03-11 12:34:06
為工模具製造的高速加工選擇機床簡介
    1.對高速切削加工中心的要求   對高速銑床部件的要求,一方面應從最終用戶的角度進行定義,另一方面,應從加工工藝角度定義。對於第二點,尤其應該……
為工模具製造的高速加工選擇機床正文
  

 1.對高速切削加工中心的要求

對高速銑床部件的要求,一方面應從最終用戶的角度進行定義,另一方面,應從加工工藝角度定義。對於第二點,尤其應該加以注意。高速切削加工中心所需要關注的核心點是設備的動態特性(結構、驅動部件)、電主軸、控制系統和自動化裝置等。

2.動態特性

高速切削加工中心的動態特性常常被簡化成加工速度和加速度能力,事實上這種看法是不夠全面的。機床獲取大路徑切換值的動態特性至關重要。路徑切換值越大,所需的加工時間也就越短,刀具的使用壽命也越長。而獲得高動態性能的基礎是機床的各個部件應該具有最佳阻尼特性,整個系統有很高的穩定性。這些特性可以通過結構優化設計和選擇合適的機床材料來獲得。

比如近些年來發展的聚合物混凝土(人造大理石)床身,其減振效果比使用鑄鐵材料的床身大大提高了,阻尼特性是鑄鐵的10倍。今天,幾乎所有的高動態性能機床的製造商都用混凝土作為各種非移動結構部件的材料,比如用於機床床身和橫樑。大動態特性的機床部件移動所產生的衝擊力被混凝土床身完全吸收了。

相比之下,當製造像主軸箱這樣的移動部件時,鑄鐵材料的耐壓和耐拉強度就更有優勢一些。鑄鐵材料可以用於製造具有優異強度和穩定性的較輕的部件。與傳統銑削機床相比較,高速銑床上的移動部件的質量降低了三到五倍。

笛卡爾機床運動學的另一個原理就是,儘可能的將切削力分配在工件和刀具上。一方面要考慮工件的重量,另一方面還要考慮主軸的重量,目標就是盡量達到質量平衡關係。圖1顯示了一台用於加工中等重量工件的機床,機床設計時就特別考慮到了這一特殊要求。在此情況下,分佈在工具側的質量和分佈在工件側的質量大小相等。在這種特殊情況下,就可保證Y-軸的動態特性在相當大程度上與X軸的動態特性一致。

今天,人們對5軸高性能、高速加工的興趣與日俱增。就高速加工產生的背景來看,機床的結構設計和旋轉擺動工作台的驅動方式關係密切。常規的蝸輪蝸桿驅動的圓形旋轉工作台,其動態特性無法滿足五軸聯動高速切削的要求。而採用直接驅動技術的旋轉工作台可以提供與線性軸相匹配的進給轉速和加速度,甚至提供優於線性軸性能的參數。採用直接驅動旋轉工作台的另一個好處就是驅動裝置中沒有了易損件。因此,具有顯著加工效率的五軸聯動高速加工就實現了。

高速加工的一個基本動態特性是能夠以最快的速度達到程序中設定的進給速度。為此需要的加速度和切換值由大功率數字驅動裝置提供。實現高的進給速度和進給加速度既可以通過大螺距滾珠絲杠和交流伺服電機配合實現,也可以由線性電機直接提供。最終選擇哪一種驅動方式,只有通過實踐來證明。事實上兩種不同的驅動方式都各有其利弊。採用何種技術方式、進給速度、加速度和切換值仍然要服從於改善零件加工精度的要求,目前市場上並沒有用直線電機技術替代已經很成熟的滾珠絲杠技術的緊迫要求。3.電主軸

現代高速加工的電主軸的特點是轉速大、使用現代的軸承材料、整體冷卻迴路和HSK錐柄。電主軸上裝有集成電路感測器,可以記錄任何振動現象,而且可以計算電主軸的熱特性,利用智能運演算法則進行補償。

大功率電主軸採用矢量控制技術,也就是由閉合控制迴路控制,可以精確地定位角位置。與傳統的開環控制迴路驅動的電主軸相比,這種方法提供了一些非常有用的優勢。首先,可以充分利用整個轉速範圍,從50 - 200r/min一直到最大轉速,而且在低轉速時獲得大的切削扭矩。這樣就可以用20,000 rpm以上的高速主軸完成某些條件下的螺紋切削,並可使用大直徑刀具進行銑削加工。

混合陶瓷軸承是由淬硬鋼製成的軸承內外圈和複合陶瓷製成的滾珠組成的,與傳統的鋼珠軸承相比,軸承的剛性和耐磨性提高了,提高了迴轉精度並增強了溫度的穩定性。假若沒有這種軸承,現代電主軸的使用壽命將不可想象。通過軸承外圈直接噴入的油氣混合物保證了最優化的潤滑和極長的使用壽命。相比之下,間接噴入油氣混合物的方法則相當不可靠,因為在混合流體通過軸承罩時,會產生空氣湍流現象。

主軸鼻端和刀柄的HSK介面現在已經確立了其在高速加工中的作用。由於此種結構大大提高了刀柄的連接剛性,因此它顯著地提高了加工精度。通過測試SK40和HSK-A63承受徑向力的能力,發現HSK介面的徑向擾動是SK40的一半。其軸向伸長比SK介面降低了約一半。

所有高速主軸共有的一個問題是高速轉動時的發熱問題。設計上採取的措施是將主軸軸承盡量靠近主軸鼻端(圖2)安裝,主軸發熱造成的伸長被傳遞到了後部,也就是非重要的方向上。如果熱量傳遞到機床的其它部件上時,比如主軸溜板或刀柄上,就會對工件的加工精度產生影響。解決這個問題既要靠機床操作人員,又要依賴機床製造商,因為操作人員可以通過有效的系統程序來控制這種影響;而機床製造商可以通過相應的感測器和控制系統提供的運演算法則來計算位移數值。很明顯,后一種方案是用戶友好的,因此更具優越性。然而在此應該指出,在高速加工過程中,優異的加工精度是操作人員和系統交互作用的結果,因為對熱量對刀具長度的影響進行溫度補償時,系統的工作方法是不可或缺的。在此,機床製造商增加一些必要的輔助手段也是非常重要的,比如增加自動激光刀具測量裝置等。

振動對主軸軸承的有效使用壽命、刀具的使用壽命和工件的加工質量都有負面的影響,所以應盡一切努力避免這種事情的發生。為此目的,米克朗的電主軸上都裝了振動感測器,用於記錄加工過程實時的振動情況。這些測量裝置測量到的有關加工過程的數據可以通過數控系統顯示,操作人員就可利用這些數據對加工過程進行系統的優化,比如,調整主軸轉速和進給速度、測試各種銑床的加工效果、確定重要的加工方法和進行適當的修改等等。

4.控制系統

最近幾年以來,控制系統技術有了很大進步。特別是在五軸聯動高速加工時,最有意義的方面是大大降低了程序塊處理時間。這一具有現代工藝水平的控制技術包括用以平衡高速加工中經常發生的熱偏移的補償運演算法則、高性能的程序段前瞻能力、控制系統中機床硬體的優化模型、集成的機床故障自診斷功能和以優化的機床動態特性為基礎的加工精度智能控制系統。

很顯然,程序段的處理時間越短越好。由於沒有明確的指導原則統一定義這個時間,所以不同控制系統製造商的程序段處理時間不能簡單地相互比較。一般而言,每一行數控程序中移動的軸的數量起主要作用。每個數控程序輔助指令的集合,比如輔助功能、轉速或進給速度等,都或多或少地影響了程序段的處理時間。其中一個主要的影響就是在進行5軸聯動加工時,由於進行了坐標軸變換或旋轉軸偏差計算而引起的。機床能夠一直做連續運轉,而不受衝擊和不流暢運動的影響,這一點非常重要。而引起這一切的原因是數據計算不完全,即所謂的「數據飢餓」。

高速加工機床上的熱漂移影響是不可避免的,並可在最終用戶期望的範圍以內,採取適當的措施進行補償。在此,可以使用基於感測器或軟體的系統。基於軟體的系統有著一定的優勢,更加適合於補償綜合誤差;而基於感測器的系統通常只能記錄一個部件的漂移,比如,主軸鼻端相對於Z軸溜板的漂移。圖3顯示用不同系統對溫度變化引起的漂移的補償結果,並與沒有進行補償情況下的負載曲線進行比較,負載曲線中包括不同轉速的影響、刀具的影響和托盤交換以及故障停機時間的影響。

有一種流行但錯誤的看法,認為有最大程序預處理能力的前瞻功能是一種優勢。但事實上,實際的程序段預處理能力是由前瞻功能和高速銑削加工中心的動態特性共同決定的。前瞻功能必須能夠調節機床的動態特性,以便保證:

-機床永不過載運行;

-始終保持工件的加工質量。

機床的動態性能越大,則控制系統中的機床特性模型也就越準確,需要前瞻功能進行預處理的程序段也就越少。通常使用預處理大量程序段所產生的最嚴重的缺點是,無法選擇干預處理進程,人工調節進給速度和主軸轉速;因為被預先處理過的程序儲存在緩衝器中,不能進行存取和進行人工調節操作。

有效的速度、加速度穩定功能和輪廓轉換,是高速加工控制系統的另外一個重要特點。用同一台機床加工,平滑的輪廓加工施加在機床和電子設備上的傾斜壓力就小,因而可以提高最大加速度值和移動速度。反之,不平滑的輪廓就達不到這些。

故障診斷和遠程監控功能可以直接組合到控制系統中,也可以用外部設備簡單地實現這一功能。這些功能都是獲得機床最大利用率的先決條件,特別是在與自動化設備連接時更是如此。

最近的發展趨勢是,利用集成感測器(自適應控制)探測到的數據,通過專門的技術,主動地干預加工過程。

例如,可以根據加工要素的優先等級或根據工件的重量或刀具路徑的複雜度來優化加工過程。數據由操作人員輸入,並由內部的控制系統使用以調節系統,使其適應特殊的加工應用。這樣就可縮短加工時間、提高表面光潔度和零件的加工精度。

5.自動化加工

在西方工業國家中,自動化系統常被用於補償那些投資和工資水平較高的項目。一個便於與外部或集成的自動化系統連接的介面顯得越來越重要。同時,對自動化系統的要求就產生了對有效的切屑處理、適當的換刀能力、托盤系統以及最重要的對生產環境區管理的要求。

自動換刀裝置是所有加工中心的標準設備,刀庫的容量經常略顯不足。所以至少應提供具有擴大刀庫容量的換刀裝置以供選擇。

如果水平面上沒有能收集切屑的位置,則為了實現最優化的切屑處理要求,就需要一個加工空間以容納落下的切屑,以便對切屑進行自動化處理。根據要加工的材料類型和應用的具體情況,在高速加工時,一般應使用壓縮空氣或冷卻液體潤滑脂以及少量的潤滑油進行冷卻和潤滑。機床上應安裝必要的冷卻液和潤滑液處理所需的一切裝置,以便對其乾淨有效地處理。

 

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