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高速加工机床的设计与应用

信息时间:2007-04-06 信息来源:

          高速加工机床是基于现代刀具材料的发展,为满足航空、航天、汽车和模具等行业的发展需要而在数控铣床、加工中心的基础上发展起来的高效、高性能加工机床,因此,它的基本特征不仅是切削速度高(是常规切削速度的5-10倍),进给/快移速度快(达40m/min至180m/min),加减速度大(现多为1g~2g),而且还包含有刀具和或工件交换的时间短(在数秒至1秒以内)以及常常具有多轴联动功能等特点。由于高速加工机床具有诸多优点,如:生产效率高,材料去除率是常规切削加工机床的3~6倍,从而可大大缩短零件的加工时间和制造周期;切削力比常规速度时少30%~50%和约30%以上的切削热将被切屑所带走,所以工件温升和变形少,有利于进行薄壁件切削和提高加工精度;

          

           由于切削速度高,切削过程中产生的强迫振动频率一般远离了机床工艺系统的固有频率,故切削过程更平稳,有利于提高加工表面质量和刀具寿命,免掉许多费时费工的人工顺序作业;
           许多机电产品所用的零部件,无论是单件或批量需求的,都可在相应的高速加工机床(如多轴联动的高速加工中心和车铣中心)上进行多工序复合加工甚至一次装夹实现全部加工。
           所以,高速加工机床自上世纪八十年代中期出现以来,便受到人们普遍的重视。随着有关技术,如高速电主轴、直线电机、功能强、性能好的数控伺服系统等的快速发展和日益完善,高速加工机床的生产与应用,现已变得很普遍;不仅大的国际有名的机床制造厂商能生产,一般的国内外机床厂也在开始制造,而且成了世界机床业中争先开发的主导产品,不仅模具,航天、航空等行业在进行单件或小批生产中应用,在汽车乃至一航机械制造业中进行批量生产时也在广泛使用,从而成了这些行业中的主流加工装备。
           然而,为了更好地成功开发和充分地合理地应用高速加工机床,本人以为,高速加工机床的设计、制造者和应用者仍应对下列诸方面的问题有更多、更深刻的理解和研究,并善于学习、总结和创新。

     

    图2 人造花岗岩整体浇注的床身结构

    高速加工对机床结构的基本要求和设计原则
           由于高速加工中的切削速度,进给速度和加减速度都大,因此机床的发热量,运动部件的惯量也大,容易导致机床结构的过量温升、热变形和产生冲击振动,最终会影响到加工精度、质量乃至机床和刀具的工作寿命和可靠性。所以,高速加工对机床结构的基本要求,首先是要三高,即静刚度高、动刚度高和热刚度高,也就是说,“三刚”特性要好;其次是运动部件要轻量化,即要尽量减少传动系统的惯量。为此,机床结构设计应采取的原则措施是:
           为了提高结构的静刚度,首先是选择弹性模量大的材料,如钢、铸铁等作为结构件的基本材料;其次是根据受力的性质(拉,压或扭)和条件(力的大小,方向和作用点)选择合理的结构截面形状、尺寸、筋壁布置和机床的总体布局;三是结构件间的接合面要平整,面积大小要适当,接触点在接合面上的分布要均匀,连接要牢固等;四是尽量采用箱形和整体型结构。
           为了提高结构的动刚度,首先是在保证静刚度的前提下,选择阻尼系数大的材料,如人造花岗岩,铸铁等作为基础结构件的材料;二是通过模型试验或模态分析合理设计和调整结构的质量分布和结构接合面的刚度值,以改变结构系统本身的固有振动频率,使其远离切削过程中所产生的强迫振动频率,避免产生共振的可能性;三是有意采用能增加附加阻尼的结构设计,如带夹芯的双层壁铸件和非连续焊接的焊件等;四是直线运动部件的支承导轨面间距离要尽可能宽阔,驱动力的作用线要居中并尽可能靠近运动部件的重心,传动链中应无反向间隙,以保证运动平稳,无冲击。
           为了提高结构的热刚度,原则上首先应采用热容量大、热胀系数小的材料和热胀系数相近的材料作为结构材料;其次是根据机床上的热源和温度场的分布情况,尽量采用热对称和方便散热或强迫冷却的结构,包括采用热补偿措施的结构等,以减少热变形带来的对机床几何精度和工作性能的影响。
    为了减少运动部件的重量和传动系统的惯量,一是选用比重小的材料,如铝合金和复合材料等,作为运动部件的结构材料;二是在保证刚度和承载能力的前提下,尽量去除多馀的材料;三是采用直接传动,简化传动系统,缩短传动链,以提高机床的运动品质。
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