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技術新發展與e制造(上)?2002美國芝加哥機床展觀后

  山。

  1高速加工的新發展高速數控加工源起20世紀90年代初,以電主軸(實現高主軸轉速)和直線電動機(實現高直線移動速度)的應用為特征。應用領域首先是汽車和其他大批量生產的工業。目的是用單主軸的高主軸轉速和高速直線進給運動的加工中心,來替代雖為多主軸但難以實現高主軸轉速和高速進給的組合機床。其思路是:盡管在主軸的數量上不及可實現同時加工的多主軸的組合機床,但是,高速加工中心進給速度可達60~80m/min,甚至更高,即以數倍甚至十倍以上組合機床的進給速度,加上可以用更高速度(100m/min左右)進行空程返回,則單主軸多次高速往復運動所耗時間有可能少于或略高于多主軸一次往復運動所需時間。從而,在大批量生產中,有可能用高速加工中心替代組合機床,既得到高度的柔性,有利于產品快速的更新換代,而又不降低生產效率。在實際生產中,已有一些馳名的汽車廠,如我國的上海通用汽車公司,已經采用以高速加工中心(德國GROB產品)組成的生產線部分替代組合機床。

  在直線電動機更多應用的同時,也出現了新型高速精密滾珠絲杠傳動副。其特點是:以多頭和適度增大導程來提高絲杠的傳動速度;以增大絲杠直徑,中心打孔通強力冷卻液來增大傳動剛度和減少發熱;采用陶瓷滾珠、增加滾珠保持器(以小直徑滾珠隔離工作滾珠)、螺母滾道與導程角方向一致、改進滾珠反向循環裝置等措施,使其可使用的d *(絲杠中徑X絲杠轉速)值可高達150000.用于機床,*大線速可達100m/min,加速度可達1.5g.日本牧野公司在其A55E型高速加工中心上,還采用雙絲杠、雙伺服電動機并聯驅動來提高傳動剛度。德國INA公司將螺母與伺服電動機制成一體(電動機轉子與螺母合一),以螺母高速回轉來替代絲杠回轉(細長桿件高速回轉易產生失穩)。還有廠家采用螺母與絲杠同時作互為反方向回轉等來實現高速直線運動。因而,在當前高速加工中心市場上,出現兩種傳動方式并存的局面。

  在美國的日本牧野公司提出這樣一個觀點:不要脫離具體應用要求和條件來爭論直線電動機和滾珠絲杠的優劣,認為這種爭論是毫無意義的。這種觀點還可以解釋一個“奇怪”現象,即同一廠家如德國Ex-cell-O和日本Mazak同時生產兩種傳動方案的高速加工中列用的是滾珠絲杠)。而且Ex-cell-O還是世界率先(1993年)推出直線電動機高速加工中心的廠家,其滾珠絲杠型高速加工是在1993年以后開發的。

  高速加工應用的另一領域是用立方氮化硼刀具對淬硬鋼進行高速銑削和車削(稱為“硬切削”)來替代或部分替代電火花加工和磨削。這對模具工業極為有利。在以往,對復雜形狀淬硬模具**可采用的加工手段為電加工。而電火花放電燒蝕的切屑極為微小,因而加工效率極低,加工時間往往以幾小時甚至10幾小時計。然而,高速硬銑削的效率可提高幾十倍,因而成為電加工的替代工藝。但是當模具上具有深而窄的槽,腔內有小半徑圓角和清角等要求時,高速硬銑削就無能為力,因此,不可能全部替代電加工。在表面粗糙度方面,高速硬銑削已達到很高的水平,但仍遜于電加工。故可先用高速硬銑削進行粗加工、半精加工,再用電加工作*后加工,這樣,仍可大幅度縮短模具加工周期。

  汽車和直升機上的弧齒錐齒輪,要求重載、小振動和低噪聲。因而,對這些錐齒輪既要求高強度又要求制造技術與機床高精度。在以往,淬硬以后,由于磨削效率極低,或在展成原理上根本無法磨削(如等高齒弧齒錐齒輪),只有采用成對互研的工藝,僅能改善接觸狀況。而現在可用高速硬銑削工藝,直接從淬硬的齒胚一次切出高精度、表面粗糙度甚好的弧齒錐齒輪。瑞士Oelikon公司的切齒機床,對模數為5~6mm直徑約300mm的淬硬齒胚,只用3~5min,就可高速切出一個齒廓亮晶晶的弧齒錐齒輪。

  因考慮熱處理的變形,汽車行業的淬硬齒輪內孔的留磨量一般在2~3mm以上。德國EMAG的主軸倒置立式車床,采用高速硬車、鏜削來加工淬硬齒輪的端面和內孔,端面一次精加工到位,而內孔只留下0.02 ~0.05mm的余量,再由該機床自帶的內圓磨具(裝在可換位的刀盤上)*后快速磨削到位,從而大幅度提高效率。

  當然,高速加工還可應用于除淬硬鋼以外的廣泛領域來提高效率。這就是機床普遍走向高速的根本原因。

  以上這些應用有以下3個特點:()一般只要求高轉速的主軸,而不要求高速的進給。對加工中心來說,快速進給速度一般有40m/min就算較高的。Mazak公司專用于模具加工的MoldMaker系列(共有3個型號),主軸轉速高達12000~25000i/min,快速進給也只有50m/min(這已經夠高了,當然比起大批量加工的應用還是低的);高速硬、軟切削一般不用冷卻液,這對環境保護極為有利。所以,追求環保就要采用高速加工;高速硬切削一般均可獲得較小的表面粗糙度值,因而可替代或部分替代磨削。與此同時,磨削領域也在積極開發線速在120m/s以上的高速磨削,采用立方氮化硼砂輪,用大吃深、緩進給的方式,來替代硬車削和硬銑削,構成與硬切削相互“競爭”的局面。

  航空和宇航工業是高速加工極為重要的應用領域。原因:一是其主導材料為鋁合金和鈦合金,適于高速切削;二是其零件常具有厚度極薄的壁和筋,其剛度很差,只有高速切削時切削力很小,才能對這些筋、壁進行加工(已有薄到只有0.05~0.1mm的加工實例)。*新趨勢是:近來這些行業流行采用大型整體鋁合金坯料來制造大型零件,如機翼、機身等,來替代多個小型零件通過成百上千的鉚釘、螺釘和其他聯結方式拼裝。這樣,不僅可省去昂貴的裝配工時和裝配工裝,還可使構件的強度、剛度和可靠性得到提高。這樣,機床的規格,特別是其X軸也就愈來愈大。因而,在這屆公司等均展出(或展示)了專門用于飛機工業的大型高速銑床(其型號分別為HypeiMach()、HVP()和JoMach159)。這類機床有以下特點:進一步提高主軸轉速和功率由于飛機工業采用整體坯料“掏空”的方法加工零件,切削量極大。

  因而,主軸轉速和功率可增加的空間也很大。據CINCINNATI公司稱,以往在飛機工業主軸轉速15 000r/min和22kW就是高速了。隨著技術進步,先進機床已提高到40000r/min和40kW.而他們的HyperMach已提高到60 000r/min和80kW,也即達到了新的高度。

  超長的X行程和龍門移動由于“機翼”類零件為細長型,JoMach機床X行程長達30m,而Y軸只有2m,Z軸為5m(據稱用于加工歐洲下一代戰斗機“臺風”的機翼)。HypeiMach機床“X”行程*長為46m,Y軸也只有2m.英國Marwin公司Alumax系列機床的雙臺面總長度達1⑴m.如此長的X行程,只能是龍門(往往是多個龍門)移動而不可能是工作臺移動。

  采用直線電動機作高速直線驅動和以往航空工業大型機床用斜齒輪齒條或蝸桿蝸母條或滾珠絲杠傳動不一樣,也用上了直線電動機。這是為了適應主軸超高速、特大功率和超長X行程的需要。Hyper-Mach機床采用直線電動機以后,進給速度*高達60m/min,快速為100m/min,加速度達2g.據CINCIN-NATI公司稱,他們在HypeiMach上曾試切一件薄壁飛機零件,只花了30min同樣的零件在一般高速銑床上費時3h,而在普通數控銑床上花了8h.因而,可使加工成本降低85%充分顯示了高速機床的威力。

  Jobs公司推出的另一臺用于航空和模具工業高速加工的大型銑床是LinX.該機為橋式龍門布局,也應用了直線電動機,*高進給速度達60m/min,加速度達0.6g,主軸轉速24于高速主軸和高速進給,加工時間可減少50%機床結構還得到簡化,減少了25%的零件(對比滾珠絲杠傳動)從而易于維護。

  以上說明直線電動機應用從*初的汽車等大批量生產工業,現已擴展到航空工業和大型模具的加工。

  采用激光直線位移測量裝置作位置測量和反饋如CINCINNATI在HypeMach應用了激光裝置,以適應高速反饋和提高機床精度的要求。

 ?。?)采用流體動靜壓電主軸軸承INGERSOLL的HVP即用了其自行研制的這種軸承。據稱這種軸承的壽命遠比滾珠軸承長,而且剛度比滾珠軸承高出5 ~6倍,從而可進行重切削。該機床電主軸的功率為75kW,在*高轉速20 000i/min的情況下,金屬去除率可高達6440cm3/min.該軸承抗振性遠優于滾珠軸承,因而刀具壽命可更長。

  價為160萬美兀。買主為美國加洲Gardena的Brek公司,是美國聞名的飛機大型零件制造商。其X、Y、Z軸的規格分別為21.3m、3.25m、0.75m.主軸轉速和功率分別為18000r/min、100kW,刀具接口為H9C100A.采用西門子840D數控系統。

  CINCINNATI生產用于大型飛機零件的五軸聯動數控龍門銑床(美國習稱Profiler)已有幾十年的歷史,已累計生產了500余臺,分布世界各地??膳鋫?~3個銑頭,每種規格均有3種形式:(1)橋在軌道上移動;另一種為軌道安裝在兩道混凝土墻上,不帶兩腿的橫梁直接在軌道上移動。Brek公司訂購的為軌道式。這類機床均可帶刀庫和換刀機械手。

  傳統的立式主軸布局,而米用落地鏜床式臥式主軸布局,工件安裝在垂直的平臺上。據INGERSOLL稱,其HVP的生產效率要比傳統立式機床提高4 ~11倍。例如,加工機翼梁,在傳統立式機床上需要50h,而在HVP上只要5h多一點。又如用2. 500r/min主軸轉速進行粗、精加工,只需70min,而在傳統立式機床上卻需10h.據稱HVP的高效來自高剛度的電主軸和臥式機床切屑排出容易等因素。HVP還可提供40000r/min、80kW的主軸以及自動更換托盤和主軸頭的裝置。

  高速加工的關鍵功能部件一電主軸在IMTS上展示有以下新進展:瑞士Fischer電主軸公司推出了在電主軸上備有在線自動動平衡裝置。應用在加工中心的情況下,每換一次刀進行一次包括刀具質量在內的自動動平衡。據稱在1s內,可消除80% ~99%的由動不平衡引起的振動。

  瑞士IBAG公司推出了靜壓軸承的電主軸,據稱使用壽命大于20000h.瑞士IBAG公司推出了磁浮軸承的電主軸。

  瑞士IBAG公司在其電主軸部件上配備電主軸軸向尺寸監測傳感器,可與機床數控系統聯結進行軸向尺寸的補償。

  永磁同步電動機的電主軸業已出現。當前的電主軸的電動機均為異步感應電動機。其定子發熱可以冷卻,而轉子發熱無法冷卻,而上述同步電動機的轉子為永久磁鐵不發熱。此外,同功率的同步電動機外形尺寸比異步電動機小,有利于實現小尺寸、大功率,即可提高功率密度。但目前僅有少數機床公司(如Mazak)在研制。專業的電主軸公司尚未見有產品供應。

  歐洲至少有3家聞名的電主軸公司(瑞士Fischer、IBAG,德國GMN)正在搶灘美國市場,紛紛在美國建立分公司進行銷售、維修和翻新等業務。原因是:①電主軸的核心技術是精密加工和精密裝配,對工人的技藝水平要求很高,這些正是瑞士、德國的強項;②在高速運轉情況下,滾動軸承的壽命是有限的,即較低的。主制造技術與機床要失效形式是由于材料疲勞而喪失精度(電主軸精度一般為徑向振擺2軸向1~)。因此不具備當地維修、翻新的能力是不可能打開市場的。一些電主軸公司建議用戶購置一個備品,因為一般維修,翻新周期為兩周。這樣,可把停機時間減至*小。

  此夕卜,美國Kennametal公司推出了帶自動動平衡的刀柄來適應高速化。

  在直線電動機方面,早期多用永磁同步式電動機,因其傳動品質好,但防磁難度大。近來多用矢量控制的感應異步電動機,傳動品質好而防磁難度降低。這可能與近來Motorola和TI等公司現已可供應電動機專用的DSP芯片,其中已集成了矢量控制算法的電路有關。

  2五軸聯動和五面加工更加普遍聯動系統價格相差很小。

  過去,五軸聯動的編程軟件(包括編程后的檢驗軟件)由于技術難度較大,價格極高,為三軸聯動編程軟件的幾倍?,F在價格雖仍較高,但已大幅度下降。

  過去A/C軸主軸部件結構復雜,價格昂貴;現在,由于電主軸的出現,結構得到簡化,造價大幅度下降。

  從可以看出,過去的A/C軸主軸部件的主軸傳動,需要兩對錐齒輪副和一個中間傳動的錐齒輪(即總共5個錐齒輪)和一對正齒輪傳動副及兩根中間軸。

  在當前,流行高速、大功率的傳動條件下,這些齒輪必須是高強度和高精度。錐齒輪還必須采用弧齒錐齒輪,因而制造、裝配難度大,成本高。而現在使用電主軸獨立驅動,則上述總共7個齒輪和2根中間軸均可省去,成本自然大幅度降下來。

  在上一屆IMTS上,就已給人們一個五軸聯動機床比以往多的突出印象。在這屆上,幾乎所有加工中心和數控銑床均可實現五軸聯動和五面加工。這個現象的出現,不是偶然的,有以下深刻的背景。

  從本質上說,對三維曲面的加工,采用三軸聯動一般不是*佳的選擇。因為,在三軸聯動時,一般難以使用刀具上的*佳幾何部位進行切削,不僅效率低而且表面粗糙度極差。也即球頭刀具切削殘留高度值大,往往需要后續繁重的手工拋光,且手工拋光雖可減小表面粗糙度值,卻往往會喪失曲面的幾何精度。為此,有的公司采用后續的電火花加工,這不僅耗費較長的時間而且還要制造形狀復雜的電極。

  采用五軸聯動,可以使用刀具的*佳幾何部位進行切削,在加工凸曲面時可使用高效的立銑刀;加工凹曲面時,可使用球頭刀效率較高的圓弧部分來進行切削。這些均是三軸聯動無法實現的。這樣,不僅粗糙度好,而且效率也大幅度提高。美國CINCINNATI公司曾經宣稱,一臺五軸聯動機床的切削效率可等于兩臺三軸聯動機床,特別是當前流行的用立方氮化硼銑刀高速銑淬硬鋼工藝,在五軸聯動情況下可比三軸聯動時發揮出更大的威力。所以,一般說來,五軸聯動才是三維曲面加工的*佳選擇。

  以往由于以下一些原因阻礙了五軸聯動的廣泛應用,而現在這些阻礙因素業已排除:①過去五軸聯動數控系統的價格極高,要比三軸聯動系統高出幾倍。這是因為當時的CPU速度低,五軸聯動時,往往要采用多CPU或專用集成電路才能實現;現在,由于CPU速度比過去高出幾千萬倍,這兩種當然,除上述的A/C軸主軸部件以外,還有其他多種結構來實現A/B軸的主軸部件結構。對比起來,還是上述A/C軸主軸部件結構較為簡單,剛度也不錯,而且可實現A/B軸的范圍也較大,可以在*90*以上。在這一方面,其他某些結構大于*45*已很困難。

  這種A/C結構還有一個很大的優勢,即既可實現五軸聯動,又可同時實現五面加工,也即當A軸為0*時可實現水平面加工;當A軸固定在90*而C軸每次回轉90*時,即可實現周邊互為垂直的4個平面的加工。這種五軸聯動和五面加工合二為一的機床是過去所沒有的。又由于無論是C軸,還是A軸的回轉角度都是任意的,因此,實際上可加工的平面數目可以大于或小于5個平面。所以,現在帶A/C軸主軸部件的機床,名稱都改為“五軸和多面(替代過去的”五面“)加工機床‘,這也是一個嶄新的事物。

  這種A/C軸主軸部件的主要缺點是它屬于較式聯結(指A軸的回轉軸)部件,剛度較差。所以,在只需五面加工,而不需要五軸聯動時,還是以采用自動更換主軸部件的機床,以更換的臥式主軸部件來加工四周平面的剛度較好。此外,當加工需要更換不同功率和*高軸速的電主軸時,也只有連同整個A/C軸部件一起自動更換,而不易實現僅換電主軸本身。所以,不能全部取代可自動更換主軸部件(可換頭)的機床。

  從還可以看出,采用電主軸后,雖可減少7個齒輪,但還留有兩對精密蝸輪蝸桿傳動副。當前,已有一些公司,如瑞士ETEL和美國KOLLMORGEN公司等,已研制出一種環形電動機,稱為“無刷環形扭矩電動機(BrushlessRingTorqueMotor)*,可以超低速、大扭轉而又平穩地回轉。目的就是取代蝸輪蝸桿副。已經在一臺多軸聯動銑床上得到應用,取代了兩對直徑分別為0.5m和2.5m的精密蝸輪蝸桿副。據稱取代后,加工精度和表面粗糙度,均有所改善。預計這種環形電動機有可能會在A/C軸主軸部件和A/B軸復合轉臺等中得到應用,來取代蝸輪、蝸桿傳動副。

  為了使現正在使用的三軸聯動加工中心和數控銑床提升到可實現五軸聯動加工,美國TRI-TECH展出了可供這些舊機床使用的A/C軸主軸功能部件(見)。由于未采用電主軸,傳動來自原機床的主軸,因而估計其內部結構與類似。它采用7:24的錐柄與現有機床主軸聯結。其C軸范圍為360*A軸為士90*保證0.01*的角度精度和0.005*的重復精度。該公司在上一屆IMTS展出的為5411型,這屆展出了改進后的5412型。在其網址(www.5了用該部件五軸聯動加工的典型零件的實例和在一些用戶公司使用的情況。

  五軸技術的普及化,反映了現代航空航天工業對工藝裝備的需求,也反映了現代模具制造工藝正在由EDM向HSM過渡。正像20年前,鏜銑床制造商紛紛將產品向加工中心發展一樣。今天他們要完成從三軸到五軸的過渡,否則就要因失去航空航天和模具工業這兩個市場而被淘汰出局。

 ?。ㄎ赐甏m)**作者:陳長年,中國國際貿易促進委員會機械(編輯張芳麗)。書訊。

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