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概述:用于模具加工的高速加工中心,一个普遍的结构特点是采用龙门式框架结构,以此增强机床刚性,且便于充分利用加工区的空间。机床床身的材料则多数采用了聚合物混凝土,由于这种材料具有较好的阻尼性能和较低的热传导率,故有利于提高模具的加工精度。目前,根据坐标轴的配置,五轴加工中心基本上可分为两种结构型式。一种是三个直线轴(X/Y/Z)用于刀具运动和两个附加旋转轴(A和C)用于工件的回转和摆动的结构型式。这种类型的高速加工中心,如德国Röders公司的RXP500DS/RXP800DS,德国Alzmetall公司的GS1000/5-T,瑞士Mikro的HSM400U/HSM600U和称之为超高速加工中心的XSM400U /XSM600U,以及德国Hermle的C30U/C40U/C50U等。另一种是五个坐标轴中的一个摆动轴(A)设置在主轴头上的结构型式,通过叉形主轴头实现主轴刀具的摆动,而摆动主轴头也可通过牢固夹紧,使其定位在摆动角度范围内的任意位置上。这种类型的机床如德国德马吉公司的DMC75Vlinear /DMC105Vlinear,Mikro的HPM1850U和德国RolfWisser的高速铣床GAMMA605/1200等。有个别机床有把摆动轴和回转轴均设置在主轴头上,如德国Parat公司的G996V/BSH/5A高速铣削中心和德国Edel公司的五轴或六轴龙门铣床。五轴高速加工中心在价格上要比三轴加工中心高很多,据德马吉DMC75V系列的五轴加工中心与三轴加工中心进行价格比较,五轴要比三轴的价格约高50%。五轴高速加工中心价格虽高,但这种高档机床特别适合用来加工几何形状复杂的模具。五轴加工中心在加工较深、较陡的型腔时,可以通过工件或主轴头的附加回转及摆动为立铣刀的加工创造最佳的工艺条件,并避免刀具及刀杆与型腔壁发生碰撞,减小刀具加工时的抖动和刀具破损的危险,从而有利于提高模具的表面质量、加工效率和刀具的耐用度。用户在采购加工中心时,是选用三轴加工中心还是五轴加工中心,应根据模具型腔几何形状的复杂程度和精度等要求来决定。从高速加工中心不断创新的过程中可以看出,充分利用当今技术领域里的最新成就,特别是利用驱动技术和控制技术的最新成果,是不断提高加工中心高速性能、动态特性和加工精度的关键。
1.电主轴。高速电主轴是高速加工中心的核心部件。在模具自由曲面和复杂轮廓的加工中,常常采用2～12mm较小直径的立铣刀,而在加工铜或石墨材料的电火花加工用的电极时,要求很高的切削速度。因此,电主轴必须具有很高的转速。目前,加工中心的主轴转速大多在18000～42000r/min,瑞士Mikro的高速加工中心XSM400U/XSM600U其主轴转速已达54000r/min。而对于模具的微细铣削(铣刀直径一般采用0.1～2mm),则需要更高的转速。如德国Kugler公司的五轴高精度铣床,其最高主轴转速达160000r/min(采用空气轴承),这样的高转速,当采用0.3mm直径的铣刀加工钢模时,就可达到150m/min的切削速度。目前,德国Fraunhofer生产技术研究所正在开发转速为300000r/min的空气轴承支撑的主轴。加工模具时,总是采用很高的转速,而高转速产生的发热,以及切削时可能产生的振动是影响模具加工精度的重要因素。为保证高速电主轴工作的稳定性,在主轴上装有用来测量温度、位移和振动的传感器,以便对电机、轴承和主轴的温升、轴向位移和振动进行监控。由此为高速加工中心的数控系统提供修正数据,以修改主轴转速和进给速度,对加工参数进行优化。当主轴产生轴向位移,则可通过零点修正或轨迹修正来进行补偿。
2.直线电机。目前,模具加工用的高速加工中心或铣床上多数还是采用伺服电机和滚珠丝杠来驱动直线坐标轴,但部分加工中心已采用直线电机,例如德国Röders公司的RXP500DS/RXP800DS型高速铣床和德吉马公司的DMC75 Vlinear型高速加工中心(其轴加速度达2g和快速行程速度达90m/min)。由于这种直线驱动免去了将回转运动转换为直线运动的传动元件,从而可显著提高轴的动态性能、移动速度和加工精度。采用直线电机驱动的机床可显著提高生产率。例如在加工电火花加工用的电极时,加工时间要比采用传统高速铣床减少50%。直线电机可以显著提高高速机床的动态性能。由于模具大多数是三维曲面,刀具在加工曲面时,刀具轴要不断进行制动和加速。只有通过较高的轴加速度才能在很高的轨迹速度情况下,在较短的轨迹路径上确保以恒定的每齿进给量跟踪给定的轮廓。如果曲面轮廓的曲率半径愈小,进给速度愈高,那么要求的轴加速度愈高。因此,机床的轴加速度在很大程度上影响到模具的加工精度和刀具的耐用度。
3.转矩电机。在高速加工中心上,回转工作台的摆动以及叉形主轴头的摆动和回转等运动,已广泛采用转矩电机来实现。转矩电机是一种同步电机,其转子直接固定在所要驱动的部件上,所以没有机械传动元件,它像直线电机一样是直接驱动装置。转矩电机所能达到的角加速度要比传统的蜗轮蜗杆传动高6倍,在摆动叉形主轴头时加速度可达到3g。由于转矩电机可达到极高的静态和动态负载刚性,从而提高了回转轴和摆动轴的定位精度和重复精度。目前,已有部分厂家的高速加工中心,已采用直线电机和转矩电机来分别驱动直线轴(X/Y/Z)和回转摆动轴(C和A)。如Röders的RXP500DS/RXP800DS,德马吉的DMC75Vlinear和Edel的CyPort五轴龙门铣床。应该提及的是,直接驱动的直线轴与直接驱动的回转轴相组合,使机床所有的运动轴具有较高的动态性能和调节特性,从而为高速度、高精度和高表面质量加工模具自由曲面提供了最佳条件。
4.控制系统。CNC控制系统是高速加工中心的重要组成部分,它在很大程度上决定着机床加工的速度、精度和表面质量。因此,对于加工模具自由曲面的高速机床,数控系统的性能具有特别重要的意义。加工高精度自由曲面时,由微段直线和圆弧构成的刀具轨迹造成庞大的零件程序,这些数据流需要由机床控制系统来储存和处理。因此,程序段处理时间的长短是决定CNC控制系统工作效率的重要指标。目前,高档CNC控制系统的程序段处理时间一般可达0.5ms(如海德汉的iTNC530数控系统),而个别数控系统的程序段处理时间已缩短到0.2～0.4ms。应用于模具高速加工的现代CNC数控系统,除了具有为确保高速进给速度所必要的很短程序处理时间外,还应具有Nurbs和样条插补功能,并能以纳米的分辨率进行工作,以便在高速加工的情况下获得高的加工精度和表面质量。目前,高档的数控系统也都能与不同厂家的CAD/CAM系统进行连接,数据从CAD/CAM系统经以太网以很高的速度传送到控制系统上。CAD/CAM集成到控制系统上,在很大程度上能使模具复杂轮廓的加工获得良好的效果,并对缩短调整时间和编程时间做出十分重要的贡献。在上述所引述的五轴高速机床上,除Röders公司是采用自己开发的数控系统外,其它主要是采用了西门子的840D和海德汉公司的iTNC530数控系统。
总结:近十年来,驱动技术和控制系统的长足进步,推动了加工中心结构的不断创新和性能的不断提高。电主轴、直线电机、转矩电机和快速数控系统的应用对提高加工中心的高速、高动态和高加工精度起了决定性的作用。而在模具加工机床的多种结构创新中,转矩电机起到了特别重要的作用。它不仅应用于回转工作台的回转和摆动驱动,而且还应用于叉形主轴头的摆动或主轴头的摆动和回轉驱动,由此构成各种不同类型的五轴加工中心。而回转和摆动主轴头的应用,又为发展加工大型模具的五轴龙门式高速精密铣床提供了技术支持。今后,进一步提高主轴转速、动态性能和行程速度仍是高速加工中心的发展重点,这不仅仍要依赖于驱动技术和数控技术的进一步发展,还要有赖于机床构件轻量化的发展和并联机床的开发。可以预料,在今后5年中,高速加工中心或高速铣床的轴加速度有望达到3～4g,坐标轴的快速行程速度达到100～140m/min。
1.电主轴。高速电主轴是高速加工中心的核心部件。在模具自由曲面和复杂轮廓的加工中,常常采用2～12mm较小直径的立铣刀,而在加工铜或石墨材料的电火花加工用的电极时,要求很高的切削速度。因此,电主轴必须具有很高的转速。目前,加工中心的主轴转速大多在18000～42000r/min,瑞士Mikro的高速加工中心XSM400U/XSM600U其主轴转速已达54000r/min。而对于模具的微细铣削(铣刀直径一般采用0.1～2mm),则需要更高的转速。如德国Kugler公司的五轴高精度铣床,其最高主轴转速达160000r/min(采用空气轴承),这样的高转速,当采用0.3mm直径的铣刀加工钢模时,就可达到150m/min的切削速度。目前,德国Fraunhofer生产技术研究所正在开发转速为300000r/min的空气轴承支撑的主轴。加工模具时,总是采用很高的转速,而高转速产生的发热,以及切削时可能产生的振动是影响模具加工精度的重要因素。为保证高速电主轴工作的稳定性,在主轴上装有用来测量温度、位移和振动的传感器,以便对电机、轴承和主轴的温升、轴向位移和振动进行监控。由此为高速加工中心的数控系统提供修正数据,以修改主轴转速和进给速度,对加工参数进行优化。当主轴产生轴向位移,则可通过零点修正或轨迹修正来进行补偿。
2.直线电机。目前,模具加工用的高速加工中心或铣床上多数还是采用伺服电机和滚珠丝杠来驱动直线坐标轴,但部分加工中心已采用直线电机,例如德国Röders公司的RXP500DS/RXP800DS型高速铣床和德吉马公司的DMC75 Vlinear型高速加工中心(其轴加速度达2g和快速行程速度达90m/min)。由于这种直线驱动免去了将回转运动转换为直线运动的传动元件,从而可显著提高轴的动态性能、移动速度和加工精度。采用直线电机驱动的机床可显著提高生产率。例如在加工电火花加工用的电极时,加工时间要比采用传统高速铣床减少50%。直线电机可以显著提高高速机床的动态性能。由于模具大多数是三维曲面,刀具在加工曲面时,刀具轴要不断进行制动和加速。只有通过较高的轴加速度才能在很高的轨迹速度情况下,在较短的轨迹路径上确保以恒定的每齿进给量跟踪给定的轮廓。如果曲面轮廓的曲率半径愈小,进给速度愈高,那么要求的轴加速度愈高。因此,机床的轴加速度在很大程度上影响到模具的加工精度和刀具的耐用度。
3.转矩电机。在高速加工中心上,回转工作台的摆动以及叉形主轴头的摆动和回转等运动,已广泛采用转矩电机来实现。转矩电机是一种同步电机,其转子直接固定在所要驱动的部件上,所以没有机械传动元件,它像直线电机一样是直接驱动装置。转矩电机所能达到的角加速度要比传统的蜗轮蜗杆传动高6倍,在摆动叉形主轴头时加速度可达到3g。由于转矩电机可达到极高的静态和动态负载刚性,从而提高了回转轴和摆动轴的定位精度和重复精度。目前,已有部分厂家的高速加工中心,已采用直线电机和转矩电机来分别驱动直线轴(X/Y/Z)和回转摆动轴(C和A)。如Röders的RXP500DS/RXP800DS,德马吉的DMC75Vlinear和Edel的CyPort五轴龙门铣床。应该提及的是,直接驱动的直线轴与直接驱动的回转轴相组合,使机床所有的运动轴具有较高的动态性能和调节特性,从而为高速度、高精度和高表面质量加工模具自由曲面提供了最佳条件。
4.控制系统。CNC控制系统是高速加工中心的重要组成部分,它在很大程度上决定着机床加工的速度、精度和表面质量。因此,对于加工模具自由曲面的高速机床,数控系统的性能具有特别重要的意义。加工高精度自由曲面时,由微段直线和圆弧构成的刀具轨迹造成庞大的零件程序,这些数据流需要由机床控制系统来储存和处理。因此,程序段处理时间的长短是决定CNC控制系统工作效率的重要指标。目前,高档CNC控制系统的程序段处理时间一般可达0.5ms(如海德汉的iTNC530数控系统),而个别数控系统的程序段处理时间已缩短到0.2～0.4ms。应用于模具高速加工的现代CNC数控系统,除了具有为确保高速进给速度所必要的很短程序处理时间外,还应具有Nurbs和样条插补功能,并能以纳米的分辨率进行工作,以便在高速加工的情况下获得高的加工精度和表面质量。目前,高档的数控系统也都能与不同厂家的CAD/CAM系统进行连接,数据从CAD/CAM系统经以太网以很高的速度传送到控制系统上。CAD/CAM集成到控制系统上,在很大程度上能使模具复杂轮廓的加工获得良好的效果,并对缩短调整时间和编程时间做出十分重要的贡献。在上述所引述的五轴高速机床上,除Röders公司是采用自己开发的数控系统外,其它主要是采用了西门子的840D和海德汉公司的iTNC530数控系统。
总结:近十年来,驱动技术和控制系统的长足进步,推动了加工中心结构的不断创新和性能的不断提高。电主轴、直线电机、转矩电机和快速数控系统的应用对提高加工中心的高速、高动态和高加工精度起了决定性的作用。而在模具加工机床的多种结构创新中,转矩电机起到了特别重要的作用。它不仅应用于回转工作台的回转和摆动驱动,而且还应用于叉形主轴头的摆动或主轴头的摆动和回轉驱动,由此构成各种不同类型的五轴加工中心。而回转和摆动主轴头的应用,又为发展加工大型模具的五轴龙门式高速精密铣床提供了技术支持。今后,进一步提高主轴转速、动态性能和行程速度仍是高速加工中心的发展重点,这不仅仍要依赖于驱动技术和数控技术的进一步发展,还要有赖于机床构件轻量化的发展和并联机床的开发。可以预料,在今后5年中,高速加工中心或高速铣床的轴加速度有望达到3～4g,坐标轴的快速行程速度达到100～140m/min。