为工模具高速加工制造选择机床

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近些年以来，高速切削已经确立了其自身作为替代传统加工方法或补充技术的地位，比如替代传统铣削或电火花成形工艺。然而，经验表明，多年以来一直认为是具有现代工艺水平的发动机和齿轮箱制造工艺或整体部件的制造技术，并不能简单地转化到工模具的制造当中。 如今工件的几何形状和材料每天都在变化，要求的交货期越来越短，还对加工精度、表面质量和柔性提出了要求，这些都与以前对大批量生产的要求不同。另一方面，高速加工的效率是如此令人难忘，任何一家制造厂都不会错过对高速铣削技术的关注。高速切削技术越来越多地应用到了模具生产、精密复杂零件的小批量生产、以及其它应用中。生产管理者已经逐渐意识到这一工艺可以成功有效地加以利用。
图1:高速铣床的大致结构，这是为了分散SY SZ VC [Wz Ws]SX 上的移动质量而设计的
4 R* V9 S6 L/ {0 C2 p( r　　对高速切削加工中心的要求
. H% N# k6 g4 A1 U　　对高速铣床部件的要求，一方面应从最终用户的角度进行定义，另一方面，应从加工工艺角度定义。对于第二点，尤其应该加以注意。高速切削加工中心所需要关注的核心点是设备的动态特性 (结构、驱动部件)、电主轴、控制系统和自动化装置等。
8 e6 [4 J. R( ~  B　　动态特性
% q; M* M8 p  {% [! q  L- `1 M　　高速切削加工中心的动态特性常常被简化成加工速度和加速度能力，事实上这种看法是不够全面的。机床获取大路径切换值的动态特性至关重要。路径切换值越大，所需的加工时间也就越短，刀具的使用寿命也越长。而获得高动态性能的基础是机床的各个部件应该具有最佳阻尼特性，整个系统有很高的稳定性。这些特性可以通过结构优化设计和选择合适的机床材料来获得。
　　比如近些年来发展的聚合物混凝土(人造大理石)床身，其减振效果比使用铸铁材料的床身大大提高了，阻尼特性是铸铁的10倍。今天，几乎所有的高动态性能机床的制造商都用混凝土作为各种非移动结构部件的材料，比如用于机床床身和横梁。大动态特性的机床部件移动所产生的冲击力被混凝土床身完全吸收了。
  J  C' B  I" a- N　　相比之下，当制造像主轴箱这样的移动部件时，铸铁材料的耐压和耐拉强度就更有优势一些。铸铁材料可以用于制造具有优异强度和稳定性的较轻的部件。与传统铣削机床相比较，高速铣床上的移动部件的质量降低了三到五倍。
　　笛卡尔机床运动学的另一个原理就是，尽可能的将切削力分配在工件和刀具上。一方面要考虑工件的重量，另一方面还要考虑主轴的重量，目标就是尽量达到质量平衡关系。图1显示了一台用于加工中等重量工件的机床，机床设计时就特别考虑到了这一特殊要求。在此情况下，分布在工具侧的质量和分布在工件侧的质量大小相等。在这种特殊情况下，就可保证Y-轴的动态特性在相当大程度上与X轴的动态特性一致。
' z0 [: F8 o$ w- j. R% j　　今天，人们对5轴高性能、高速加工的兴趣与日俱增。就高速加工产生的背景来看，机床的结构设计和旋转摆动工作台的驱动方式关系密切。常规的蜗轮蜗杆驱动的圆形旋转工作台，其动态特性无法满足五轴联动高速切削的要求。而采用直接驱动技术的旋转工作台可以提供与线性轴相匹配的进给转速和加速度，甚至提供优于线性轴性能的参数。采用直接驱动旋转工作台的另一个好处就是驱动装置中没有了易损件。因此，具有显著加工效率的五轴联动高速加工就实现了。
+ g- z+ q# c$ V' \& E. Z( C3 z% h: t　　高速加工的一个基本动态特性是能够以最快的速度达到程序中设定的进给速度。为此需要的加速度和切换值由大功率数字驱动装置提供。实现高的进给速度和进给加速度既可以通过大螺距滚珠丝杠和交流伺服电机配　合实现，也可以由线性电机直接提供。最终选择哪一种驱动方式，只有通过实践来证明。事实上两种不同的驱动方式都各有其利弊。采用何种技术方式、进给速度、加速度和切换值仍然要服从于改善零件加工精度的要求，目前市场上并没有用直线电机技术替代已经很成熟的滚珠丝杠技术的紧迫要求。
$ Z: c/ _2 l* i2 v* U0 [; E　　对于以球形循环为基础的各种设计，包括滚珠丝杠和带有滚动滑块的线性导轨，初始的预紧力相当重要。只有采用合适的预紧力，驱动系统才能正常运转，此时的系统稳定性最大、磨损量最小、产生的热量最小。另外滚珠丝杠需要两端固定。
/ L9 ]0 h4 A& i6 [9 I* T　　对于中小型机床，线性导轨采用集中布局，其间距越远越好。为了达到更好的检测效果，线性光栅尺也应安装在线性导轨之间，而且尽量靠近加工点。首先，这种集中布局提供了一定程度的保护，可防止被污染；第二，进给速度被对称地传递给线性导轨，而且实际记录的位置就是被加工的位置。为了更准确地记录位置和速度，就要使用包括高精度旋转编码器和线性测量装置在内的双反馈系统。

图2: 非关键方向上热膨胀补偿移动和固定轴承的布局。
: [! s$ m  ~4 ?# F　　电主轴
　　现代高速加工的电主轴的特点是转速大、使用现代的轴承材料、整体冷却回路和HSK锥柄。电主轴上装有集成电路传感器，可以记录任何振动现象，而且可以计算电主轴的热特性，利用智能运算法则进行补偿。
　　大功率电主轴采用矢量控制技术，也就是由闭合控制回路控制，可以精确地定位角位置。与传统的开环控制回路驱动的电主轴相比，这种方法提供了一些非常有用的优势。首先，可以充分利用整个转速范围，从50 - 200r/min一直到最大转速，而且在低转速时获得大的切削扭矩。这样就可以用20,000 rpm以上的高速主轴完成某些条件下的螺纹切削，并可使用大直径刀具进行铣削加工。
　　混合陶瓷轴承是由淬硬钢制成的轴承内外圈和复合陶瓷制成的滚珠组成的，与传统的钢珠轴承相比，轴承的刚性和耐磨性提高了，提高了回转精度并增强了温度的稳定性。假若没有这种轴承，现代电主轴的使用寿命将不可想象。通过轴承外圈直接喷入的油气混合物保证了最优化的润滑和极长的使用寿命。相比之下，间接喷入油气混合物的方法则相当不可靠，因为在混合流体通过轴承罩时，会产生空气湍流现象。
　　主轴鼻端和刀柄的HSK接口现在已经确立了其在高速加工中的作用。由于此种结构大大提高了刀柄的连接刚性，因此它显著地提高了加工精度。通过测试SK40和HSK-A63承受径向力的能力，发现HSK接口的径向扰动是SK40的一半。其轴向伸长比SK接口降低了约一半。
　　所有高速主轴共有的一个问题是高速转动时的发热问题。设计上采取的措施是将主轴轴承尽量靠近主轴鼻端(图2)安装，主轴发热造成的伸长被传递到了后部，也就是非重要的方向上。如果热量传递到机床的其它部件上时，比如主轴溜板或刀柄上，就会对工件的加工精度产生影响。解决这个问题既要靠机床操作人员，又要依赖机床制造商，因为操作人员可以通过有效的系统程序来控制这种影响；而机床制造商可以通过相应的传感器和控制系统提供的运算法则来计算位移数值。很明显，后一种方案是用户友好的，因此更具优越性。然而在此应该指出，在高速加工过程中，优异的加工精度是操作人员和系统交互作用的结果，因为对热量对刀具长度的影响进行温度补偿时，系统的工作方法是不可或缺的。在此，机床制造商增加一些必要的辅助手段也是非常重要的，比如增加自动激光刀具测量装置等。
: r7 ]$ p* ?, n4 F" a　　振动对主轴轴承的有效使用寿命、刀具的使用寿命和工件的加工质量都有负面的影响，所以应尽一切努力避免这种事情的发生。为此目的，米克朗的电主轴上都装了振动传感器，用于记录加工过程实时的振动情况。这些测量装置测量到的有关加工过程的数据可以通过数控系统显示，操作人员就可利用这些数据对加工过程进行系统的优化，比如，调整主轴转速和进给速度、测试各种铣床的加工效果、确定重要的加工方法和进行适当的修改等等。
　　控制系统
　　最近几年以来，控制系统技术有了很大进步。特别是在五轴联动高速加工时，最有意义的方面是大大降低了程序块处理时间。这一具有现代工艺水平的控制技术包括用以平衡高速加工中经常发生的热偏移的补偿运算法则、高性能的程序段前瞻能力、控制系统中机床硬件的优化模型、集成的机床故障自诊断功能和以优化的机床动态特性为基础的加工精度智能控制系统。
3 V5 e0 Z+ z5 P; M+ T7 P　　很显然，程序段的处理时间越短越好。由于没有明确的指导原则统一定义这个时间，所以不同控制系统制造商的程序段处理时间不能简单地相互比较。一般而言，每一行数控程序中移动的轴的数量起主要作用。每个数控程序辅助指令的集合，比如辅助功能、转速或进给速度等，都或多或少地影响了程序段的处理时间。其中一个主要的影响就是在进行5轴联动加工时，由于进行了坐标轴变换或旋转轴偏差计算而引起的。机床能够一直做连续运转，而不受冲击和不流畅运动的影响，这一点非常重要。而引起这一切的原因是数据计算不完全，即所谓的“数据饥饿”。
# B( q+ y5 _1 }4 f2 ?% h　　高速加工机床上的热漂移影响是不可避免的，并可在最终用户期望的范围以内，采取适当的措施进行补偿。在此，可以使用基于传感器或软件的系统。基于软件的系统有着一定的优势，更加适合于补偿综合误差；而基于传感器的系统通常只能记录一个部件的漂移，比如，主轴鼻端相对于Z轴溜板的漂移。图3显示用不同系统对温度变化引起的漂移的补偿结果， 并与没有进行补偿情况下的负载曲线进行比较，负载曲线中包括不同转速的影响、刀具的影响和托盘交换以及故障停机时间的影响。

2 Q2 W0 b8 L8 I图3: 传感器和智能控制系统补偿温度引发的位置漂移
* ^1 |, A' i2 Y" K! i　　没有功能强大的前瞻功能，高速加工将是不可想象的事。前瞻功能可以：
$ ^: n: Z, ?  X6 O9 l4 l- G; G　　保持最佳的轴进给速度；
　　保持最佳的进给加速度；
　　保持最佳的路径变换；
　　识别拐角，及时降速；
　　保持规定的动态精度曲线；
　　及时降速、使加工速度不超过机床的运行特性范围。
　　有一种流行但错误的看法，认为有最大程序预处理能力的前瞻功能是一种优势。但事实上，实际的程序段预处理能力是由前瞻功能和高速铣削加工中心的动态特性共同决定的。前瞻功能必须能够调节机床的动态特性，以便保证：机床永不过载运行；始终保持工件的加工质量。
/ f; j) K. v" X- p. t7 U  n( ?　　机床的动态性能越大，则控制系统中的机床特性模型也就越准确，需要前瞻功能进行预处理的程序段也就越少。 通常使用预处理大量程序段所产生的最严重的缺点是，无法选择干预处理进程，人工调节进给速度和主轴转速；因为被预先处理过的程序储存在缓冲器中，不能进行存取和进行人工调节操作。
　　有效的速度、加速度稳定功能和轮廓转换，是高速加工控制系统的另外一个重要特点。用同一台机床加工，平滑的轮廓加工施加在机床和电子设备上的倾斜压力就小，因而可以提高最大加速度值和移动速度。反之，不平滑的轮廓就达不到这些。
3 |5 _1 N8 e0 H3 {! E　　故障诊断和远程监控功能可以直接组合到控制系统中，也可以用外部设备简单地实现这一功能。这些功能都是获得机床最大利用率的先决条件，特别是在与自动化设备连接时更是如此。
　　最近的发展趋势是，利用集成传感器(自适应控制)探测到的数据，通过专门的技术，主动地干预加工过程。
  M# C8 G7 r1 b! m, m, E, V1 w例如，可以根据加工要素的优先等级或根据工件的重量或刀具路径的复杂度来优化加工过程。数据由操作人员输入，并由内部的控制系统使用以调节系统，使其适应特殊的加工应用。这样就可缩短加工时间、提高表面光洁度和零件的加工精度。
　　自动化加工
, F7 k: M$ B5 N　　在西方工业国家中，自动化系统常被用于补偿那些投资和工资水平较高的项目。一个便于与外部或集成的自动化系统连接的接口显得越来越重要。同时，对自动化系统的要求就产生了对有效的切屑处理、适当的换刀能力、托盘系统以及最重要的对生产环境区管理的要求。
+ v( `7 G9 `/ g　　自动换刀装置是所有加工中心的标准设备，刀库的容量经常略显不足。所以至少应提供具有扩大刀库容量的换刀装置以供选择。
/ P+ r' X! M* j8 T+ X  _+ z　　如果水平面上没有能收集切屑的位置，则为了实现最优化的切屑处理要求，就需要一个加工空间以容纳落下的切屑，以便对切屑进行自动化处理。根据要加工的材料类型和应用的具体情况，在高速加工时，一般应使用压缩空气或冷却液体润滑脂以及少量的润滑油进行冷却和润滑。机床上应安装必要的冷却液和润滑液处理所需的一切装置，以便对其干净有效地处理。