高性能加工中心的结构特点

来源：塑胶五金网发布时间：2007-12-16 11:14:06点击率：

        高性能加工中心与高速加工中心的区别在于它除有一个能高速旋转的主轴，还设计了高精度的直线运动导轨、大功率主轴电机、精密主轴轴承、滚珠丝杠、高效伺服驱动电机以及先进C系统等。因而使加工中心在高效率下加工出高精度的零件，大大提高市场竞争力。
    1.直线运动导轨
    加工中心的各轴向运动的速度和精度，对实现高速切削至关重要。工学博士JoeKraemer在为高性能加工中心下定义时指出，在机床主轴转速与刀具系统不变和保证满足加工零件精度的前提下，如果各轴向运动不能达到f＝7.62-11.43m/min的进给速度，那就不能称之为高性能加工中心。但是要达到如此高的进给速度，采用普通机床的方形导轨是远远不能实现的。必须选用直线运动导轨。试验证明，直线运动导轨的磨擦系数仅为普通方形导轨的1/20。由于直线运动导轨的滚柱与导轨间的接触面积远远小于方形导轨，因而使功率消耗也降低为方形导轨的1/20，且能保持长时间的很少磨损，大大提高导轨的使用寿命。精密的直线运动导轨具有一个淬火硬度为HRC58-62的经精密导轨磨床磨削的直线形导轨，而不像普通方形导轨那样少有一个V型导轨。因为两条直线形导轨的结构简单，因此容易加工、装配、测量以及能选择合适的滚柱直径等。
    在机床开始沿直线运动时，直线运动导轨只需166kg力的力矩克服静摩擦，需69.2kg力的力矩克服动摩擦。而方形导轨则需346kg力的力矩克服静摩擦，103.8kg力克服动摩擦。因而，采用直线运动导轨可使机床的进给速度达63.5m/min，其中38.1m/min的进给速度用得多。使加速度能在0.6-1.0g范围内。力口之直线运动导轨具有高的刚度，与工作台之间无间隙存在，因而很少产生振动，能加工出低表面粗糙度的零件表面，延长刀具的使用寿命。
    2.精密的滚珠丝杠
    机床滚珠丝杠直径及螺距的大小直接影响加工零件的精度，尤其是在进给量的切削条件下，采用直线运动导轨的高性能加工中心都选择小直径的细牙螺距的单头滚珠丝杠。也有的采用粗牙螺距的多头滚珠丝杠。一般采用伺服电机驱动滚珠丝杠的传动方案。但是，滚珠丝杠在工作中，滚动体作螺旋运动其自转轴线的方向是变化的，因而会产生陀螺运动。当陀螺运动中的陀螺力矩Mf超过滚珠体与滚道间的摩擦力时，滚动体将产生滑动，从而造成剧烈摩擦，使丝杠温度升高，同时振动和噪音增大，缩短了丝杠寿命，降低了滚珠丝杠的传动品质。为此开发出一种新型的高性能的滚动丝杠——行星滚柱丝杠，较好地解决了以上技术难题。
    随着新技术的不断发展，在超高进给的情况下，工作台加速度将达到3g以上，因此移动件的惯性力也相当大。在进行机械部分设计时必须力求减小移动件的质量和回转件的转动惯量，进一步提高进给系统的刚度、灵敏度和精度。目前在加工中心上已采用由德国Ex-cell-o公司发明的大功率直线伺服电机，直接驱动工作台作直线运动，并与由碳素纤维增强塑料制成的轻型结构工作台和直线滚动导轨副匹配，实现高进给速度和高精度加工。
    3．大功率机床主轴电机
    在诸多影响选择机床主轴电机功率大小的因素中，主要的有主轴锥度、加工中选择的切削用量(切除率)、零件大小和刀具尺寸等。选择大锥度主轴，能进行大功率切削，但是，有时为了快速地加速和减速，也可以采用大功率电机驱动小锥度主轴的方案。
    对于大切除率加工，必须选用大锥度主轴和大功率机床主轴电机。零件材料对选择机床主轴电机功率影响不大。例如，对于锻件和铸件，并不要求大功率切削。但是选择在机床主轴高转速下加工，必须选择大功率电机。大零件加工也要选择大功率驱动是因为它需选用大直径刀具加工。
    4.主轴轴承
    切削实验证明，在主轴前端安装一排向心止推轴承和一排滚珠轴承，在主轴后端安装两排滚珠轴承，为的装配组合方案。它能保证在通常切削条件下主轴有好的刚性，能承受很大的侧向切削力，又能满足高速切削加工的需要。
    主轴轴承的种类和规模大小必须能满足使用条件。尺寸大的轴承能提供高强度和高刚度。但是大尺寸轴承有两个缺点：
    由于大轴承的质量大和轴承间的接触面积大，因而在高主轴转速下产生大量的热量。在大量的热量长时间地作用下会引起主轴尺寸—涨大，影响加工精度。
    大质量的主轴还需要大功率电机才能驱动。尽管轴承内圈加有润滑油冷却，但是大轴承在高转速下使承载量和旋转惯量增大，因而所需功率加大。尤其是当主轴转速增加时，功率消耗增大。可是并不是所有的功率都消耗在切削加工上。例如，具有40马力的主轴，只能有15—20马力的功率作用于刀头上，其余则都用以旋转主轴。对于一个高功率主轴，它能尽可能地将大量的功率作用在切削工件上，能用很小的功率去驱动转速的主轴。作用在主轴上的功率大小，根据空载下旋转主轴的转速即可计算出机床所消耗的功率。因为在高速下切削，夹头和刀具在切削力作用下产生径向偏斜，不同心等引起附加力增大或产生不平衡的离心力等。
    切削实践证明，用多排小直径轴承代替两排大直径轴承，将取得好的加工效果。因为小直径轴承重量轻，消耗功率小，发热量也小。使用多排小直径轴承，并不使主轴刚度受到影响，而且还对主轴轴承的载荷预加相当有利。轴承预加载荷通常指主轴在静态下作用在轴承上的压力大小，一般采用预加载荷来改善主轴刚度和加大切削能力。但是由于作用在轴承上的压力增大，发热量增大，因而也加速了轴承磨损。
    为了提高刀具的切削性能和延长刀具的使用寿命，对多排轴承预加较小的压力，即能提高机床主轴的刚度，达到以，上目的。
    从长远的观点上看，对磁力、气动和静承的市场需求量将会大大增加。但是，目前在高速切削中，常用的还是以下两种：向心止推轴承和滚珠轴承。在标准的机床主轴转速条件下，在主轴前端经常安装一排滚珠轴承和—排向心止推轴承，在主轴后端安装两排滚珠轴承。因为在主轴前端安装—排滚珠轴承能极好地提高主轴刚度增加主轴的承载能力。这一点对于重载切削至关重要。但是，因为滚珠轴承有较大的接触面积，比向心止推轴承的重量重，因此消耗功率大，产生热量大，容易引起主轴尺寸涨大，功率利用低。高速切削可减少作用在主轴和刀具上的径向力，这样，在主轴前端安装的向心止推轴承提供了足够的刚度和稳定性，避免了机床主轴受热而产生的尺寸膨胀。
    合理地选择轴承材料同轴承种类同样重要。虽然由轴承钢制成的轴承目前仍被广泛使用，但实践证明，高速切削使用陶瓷轴承将表现出许多的优点。尽管轴承钢制成的轴承价格便宜，便其重量远比同样规格的陶瓷轴承重得多。由于重量重，高速切削中发热量大，必须配置复杂的冷却润滑系统。同时随着主轴转速的提高，使作用在轴承上的向心力增大，使轴承温度升高，引起主轴尺寸增大，影响加工零件的尺寸精度，同时使机床主轴所需功率增加。陶瓷轴承由于重量轻，将较好地解决这一技术难题。切削试验证明，陶瓷轴承使主轴尺寸增大的速度只为轴承钢轴承的1/40。原因是它在高速下切削只有很小的向心力作用在轴承上。
    同时，为了提高机床主轴刚度和切削能力，在陶瓷轴承上还可施加很大的预加载荷。由于陶瓷轴承有以上特点，因而使其使用寿命增长。
    现代机床主轴技术允许机床根据主轴转速，方便地调整作用在主轴轴承上的预加载荷。当机床主轴转速增加时，由于向心力增加，作用在轴承广的载荷也增加。反之，作用在轴承上的载荷减小。因而，使轴承上的热量减少，轴承尺寸膨胀减小。当然在高速切削下，也允许给轴承预加很小的载荷，这样作用在刀具上的切削力很小，因此可降低对机床刚度的要求。在低主轴转速下，给轴承预加较大的载荷，仍是必要的，因为在增加刀具切削力同时，作用在主轴上的作用力也增大了。
    5. 主轴电机与传动系统
    目前，机床主轴和电机之间有两种联接方式，一是通过皮带或齿轮；二是直接传动，即直接将主轴电机连接于主轴上，或是将主轴电机与主轴同时安装在一个复合装置上，称为复合主轴。
    由皮带或齿轮传动的优点是，主轴电机在慢速下旋转也能获得高的主轴转速。这种传动方式，由于电机转速低，输入功率小，因而价格便宜，但它具有以下缺点：由于结构复杂，因而容易出现毛病，维修不方便。同时皮带、齿轮与主轴之间还会产生振动。切削试验证明，因存在振动，严重影响了加工质量，降低了刀具使用寿命。切削试验是在两个卧式加工中心上进行，一个选择转速7000r/min的两级齿轮传动主轴；另一个转速为10000r/min的直接传动的复合主轴。在切削参数一致的情况下，直接传动的复合主轴加工中心产生出的Ramax＝2.7µm，而齿轮传动主轴加工中心为Ramax＝4.3µm。同时前者由于结构简单，运动零件少，因而可靠性高。随着结构的进一步简化，运动零件进一步减少，还会使主轴能更快地加速和减速。相反，皮带或齿轮传动主轴包括主轴、轴座、电动机、皮带轮或齿轮等，每个零件由不同重量的材料构成，高速旋转下发生摩擦产生热。由于材料重量及作用力不同，各处产生的热量又不相同，因此引起主轴各处膨胀量大小不同，严重时，使主轴产生变形，影响主轴尺寸、几何形状等。而直接传动主轴则由于热变形均匀，同时直接传动主轴即使

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