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车床切削功率计算 超高速数控机床控制系统的发展

牧野高速高精度加工中心

现在整个加工行业似乎都在讨论高速加工中心这个话题。在日本,牧野作为第一台加工中心研制厂商,对高速加工中心有其独特的定义。当然力量强劲集中的驱动控制器与机械行业专业科技的迅速发展成为机床达到惊人精确度与速度的必要条件。
高速加工中心也许在外部看来与传统式的机床没有多大差异。然而在机床内部的结构与技术却迥然不同,并不只是说使用了高速主轴就是高速铣那么简单的事。事实上,不只是主轴,伺服控制器系统每一个部分的技术与设计的最优化以及基础机械体系设计的战略性更新都是创造优秀的高速铣不可缺少的组成部分。我们对高速加工中心的定义是:

  1. 能提供高生产率;
  2. 高转速主轴;
  3. 主轴加速与进给迅速;
  4. 换刀与工作台旋转迅速;
  5. 大容量的切削处理功能;
  6. 重切削时也能保证高可靠性。
在高速加工中心不断完善的过程中,我们通常对一个健全高效机床研究甚多。但当我们以微米甚至更小的单位来衡量机床的精度,我们开始重新审视高效机床的定义。从机床的控制器体系机构到轴承,机床制造商们着手考虑如何使数控机床系统得到有效更新,从而提高效率,但是,重要的是必须让所有的零件组合达到最高的运转效率,体现出非凡的一致性与协调性。

主轴(Spinde)

收野高速加工中心利用整体式的主轴电动机以减少振动并防止热量的产生导致对主轴的影响。牧野特别申请并保持至今的专利的主轴核心冷却系统是牧野高速加工中心的一大法宝。

图1

图3
低速主轴通常使用钢珠轴承,采用油脂润滑。但随着主轴转速的不断提高,当主轴转速接近10000r/min时,润滑油开始产出热量并直接影响主轴精度与寿命。特别当主轴转速达到12000r/min时,由于润滑油而产生的热量达到一定程度后,会聚集于主轴与刀具中。在客户对机床功率与高转速不断苛求的今天,如何解决主轴问题对制造商而言是一大挑战。
现有的技术是利用混合的陶瓷轴承来配合润滑油,这样的技术也许对于主轴在15000r/min时不成问题。我们也发现有些制造商也采用另一种轴承,其内部与外沿依然由金属片组成,但旋转部分是由刚性很强、持久耐用的陶瓷材料组成。热量是轴承精度与寿命的天敌。在主轴运转至10000r/min,比较有代表性的是使用油雾(Oil Air Lube)仪表系统。此系统提供最少(但充分)的润滑油以减少轴承产生热量,另外,吹气管也帮助驱散热量。再剩余的热量被转入一个不会在引起循环的冷却系统中,被封闭起来。

图2
牧野主轴并不采用油雾表系统,因为当油雾主轴的转速低于15000r/ min时,润滑主轴应该可以完成;但当主轴转速超过15000r/min时,高速旋转使主轴外产生一层保护气流。主轴转速越高这层气体保护层越封闭,这样一来旋转产生的离心力令润滑油不能充分润滑主轴。同时,主轴内部的热量得不到充分发散,当然也不可能迅速冷却。久而久之,主轴产生大量的磨损,影响加工工件的精度。
牧野在主轴的冷却问题中的处理十分合理。我们采用的主轴核心冷却系统是独一无二的。主轴内部的冷却液是首先冷却主轴内部核心。主轴中心冷却系统采用大量受温度控制的冷却油,直接穿过旋转主轴从内部开始冷却。由此确保了即使是采用了80mm内径轴承的刚性主轴,在高速运转的情况也不会发生热位移。其次,再冷却主轴外壳,从而确保主轴温度的平衡。另外,我们采用的润滑油同时也是冷却油,内压润滑即冷却油从主轴内部流向轴承内环,然后穿过轴承内环上的孔同时冷却整个轴承。由于从内部冷却的轴承旋转时的离心力与冷却油流动动力方向一致,即使在高速旋转的情况下,也可以保证润滑的顺利进行(已获得专利)。所以,润滑油即冷却油通过轴承内滚道直接润滑滚珠。收野称为滚道下润滑(Under-Race Lubrication)。我们做过试验,与前述的采取油雾的主轴相比,牧野的主轴转速快3倍。

较快的进给(Quicker Feeds)

牧野在确保高精度的前提下,不断提供高速加工中心的效率。牧野设备A55e,J66的X,Y,Z轴的进给速度对以达到50m/min。要达到如此大进给,必然有特殊的系统支持。牧野采用双滚珠丝杠(Dual ball screws)和双进给电动机(Dual feed motors)。双滚珠丝杠保证主轴X,Y,Z三个方向进给平均,稳定;双滚珠丝杠也在装配时给预压力,最大限度消除单滚珠丝杠产生的间隙问题。同样,双进给的电动机,也为主轴提供了平稳高效的动力系统。
是不是采用了双滚珠丝杠和双进给电动机就同时也增加了热量的产生呢?答案当然是否定的。
收野的滚珠丝杠核心冷却(Ball Screw Core Cooling)是对付热量的高招。采用润滑油在滚珠丝杠内部循环的办法,比丝杠外润滑产生的热量要少100倍。

控制器——牧野独特的几何智能功能 GI(Geometric Intelligence Function)

过去的经验证明,高速加工(高速度和高精度)方面的主要障碍是运转控制技术而不是主轴技术,CNC制造商在此方面过去几年中并未取得多大进展,幸亏计算机功能的快速强大,弥补了这一不足,尤其是软件的日臻成熟和数字技术的飞速发展。
首知,目前的加工中心能更快地处理数据,加快工件的加工速度。少数机床生产商吹嘘他们的机床在高精度加工中每行程序的处理速度小于1ms,这与10年前的70ms相比确实是一个不小的进步。使用者必须保持警惕,因为这些厂商仅仅提供的是程序处理的速度,其实,程序处理速度并不重要,机床完成程序所运行的时间才是我们所关心的实际问题。有一点我们必须明白,实际机床运行程序的时间决定了你可以加工到多快多好。在这里的精度,传统意义是指直线插补用点点模拟加工形状的轮廓线时所造成的误差。这就意味着精度越高,模拟点就越多,点点之间的距离就越小。当机床数据处理速度不够时,稠密的点就会引发一个模具加工中常见的问题“数据饥饿”。
几何智能功能可以很好地解决加工中常见的“数据饥饿”问题。他主要用于高精度加工工件,比其他“向前看”(Look Ahead)高速加工技术更能减少工作节拍,令工件更加完美。
当然除了确实可靠的主轴、快速的进给、GI控制系统外,牧野的高速加工中心同时具备合理的轴结构与宜人化的主机结构、高效冷却系统以及采用独特的HSK新型刀夹(动平衡刀柄)。这些都是创造高速、高精度加工中心的核心部分。正是靠着这样精益求精不断提高客户生产效率的理念,牧野机床在中国模具与零件加工的行业中都有不俗的表现。



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