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高速不足为奇

来源：信息中心　时间：2009-2-1 10:35:50

大直径机床滚珠丝杠在高速加工时，可防止挠曲和振动。滚珠丝杠应加预应力以消除热变形，防止膨胀，加强轴的刚性。如果机床的结构不能支持预应力滚珠丝杠，则滚珠丝杠必须用循环液体冷却，这又产生维修问题。

没有预应力滚珠丝杠的机床，为了精度的要求，必须要有标尺，但可能仍然缺乏轴的刚度。长行程的机床，滚珠丝杠很长，应该用固定丝杠和回转螺母装置，以防止丝杠抖动。伺服马达应该用刚性联轴节直接联接到滚珠丝杠上。

由于高速加工的加速度，用平衡重是行不通的。必须使用不用平衡的大伺服马达或者液压平衡系统。

控制装置、马达和驱动装置

控制装置、马达和驱动装置共同工作，以便最佳化速度和可靠性。为了选择高速切削的控制/马达/驱动系统，必须考虑以下几个方面：

控制速度是处理3轴运动信息块，通过伺服系统执行信息块并得到闭环反馈的能力。
块先行(Block Lookahead)是在程序中控制系统控制矢量变化的先行块的数量。控制系统越快，需要先行块越多。
自动加速/减速，结合用块先行，自动减小进给率，以保持轮廓精度和完整。
需要大容量程序存储器和一个以太网接口，带一个硬盘驱动器或ATA卡，以便从存储器直接运行。Ortner先生说，RS-232DNC 方式不够快。
需要大的交流数字伺服马达和驱动装置，以快速起动和停止高速加工机床。
需要带编码器或线性标度的高分辨率反馈，以便知道机床在哪里。
特别重要的是当工作台载荷变化时，伺服器可以调谐，以适应机床轴惯性的变化。控制系统必须调谐，适应各种精度与速度的对比等级。

高速加工主轴

由于皮带的噪声和振动，用皮带从变速箱驱动的主轴，用40锥度时，速度限制在12,000r/min，用50锥度时限制在8,000r/min。这种主轴装置产生大的切削力和转矩，但在生产加工中，它的加速/减速时间慢，热稳定性一般，但这种传动链便宜，维修成本低。

在隔离式直接驱动(IDD或DDS)中，主轴马达安装在主轴顶上，用精密联轴节联接。这种装置速度可达20,000r/min。

不像齿轮、皮带传动系统，用户用低速马达，通过改变皮带轮比例，得到较高的速度；在隔离直接驱动系统中，主轴马达以与主轴同样的速度运转。这些系统有好的加速/减速质量(类似于那些集成的主轴)和热稳定性。

根据Ortner先生所说，高速、低振动的最好系统是集成的或电动的主轴，这种主轴的轴是转子，而主轴的箱体是定子。通常速度范围从15,000～40,000r/min。这种主轴昂贵，维修费用高，但热稳定性好，变形小，允许特别大的加速度、减速度，可提供足够大的切削扭矩。

大切削扭矩需要大的主轴和电机，但可使速度减慢。当切削速度提高时，主轴轴承和轴的直径缩小，导致损失刚性和所用切削刀具型式的限制。另外，用小的刀具系统则刀具长度必然受到限制。

工艺装备系统

大锥度刀柄的标准CAT/BT 系统，其特性可能限制其使用于高速。这只取决于主轴锥度的接触刚性，当主轴速度提高时，离心力可能打开它们的拉钉夹持系统。

在高速下，由于离心力使得主轴口会稍微扩张，因而导致传统的刀柄由于恒定的拉力而进一步移入主轴。刀具回拉改变Z轴的尺寸精度。

MCAT/BBT系统由于机床主轴端面与刀柄法蓝端面接触，同时又与主轴锥度接触，因而刚性提高。这可减少机床在高速下的振动和机床主轴与刀柄锥部之间的磨蚀。但是，这种型式与CAT/BT 系统有同样的拉钉夹紧装置，由于离心力，也有速度限制。

对于高速切削，HSK刀柄是最好的，Ortner先生说。不像传统的刀柄，HSK刀柄是空心的，它们的夹紧机构从里面操作，使刀柄不受离心力的影响。另外，由于HSK短锥，为了高刚性，机床主轴轴承接近主轴轴承。

对于24000r/min速度下的大扭矩切削，用HSK A型系统效果很好。另一方面， HSK E 型刀柄，没有A型系统的驱动槽，因此，改善了高速下的平衡。这种型式很适合用于高主轴速度、低扭矩进行精加工。

Ortner先生推荐HSK-100A(较大的HSK刀柄)用于高速到15,000r/min的重切削，HSK-63A(中等规格的刀柄)用于速度到24,000r/min的中到细切削，小型HSK-50E刀柄用于高速精加工。

编程

根据安大略温莎一个模具车间Cutting-Edge Technologies的总裁Sean O’Nell介绍，编程对于高速加工是最关键的，虽然经常被忽视。这是因为在车间里受过训炼和熟悉软件系统的操作者，对其它更适合高速加工的程序缺乏研究。

高速加工编程应该在无人看管的情况下提供一致的效果，从开始到完成，用多把刀具加工一个零件而不用操作者介入。日本的一些车间已经如此，生产率与美国不相上下，而中国车间的生产率比较低。

另外，如果编程软件可以从前道工序，精确地识别遗留的预量，则车间可以从粗加工转到半精加工而不用中间切削。

准备刀具数据库——标准化各种数据，诸如整个车间各种刀具的速度、进给率、逐渐减小和圆弧切入进给率——虽然费时，但在决定预期刀具寿命、加速调整安装和避免撞刀方面，可提供很多意外的收获。

保持恒定的切屑载荷是得到最长的刀具寿命，产生精密的表面光洁度的关键。当切入一个角落时，编程特别的路径，可以控制切屑载荷，防止刀具变形。为了保证一致的高切速，编程的圆弧可以省掉需要机床减速进入角落，然后再加速离开角落。

Ortner先生相信，最重要的因素是知道由CAD/CAM系统所产生的点对点增量距离，在车间越来越多地依赖机床系统，而不是依靠雇员用钳工和抛光零件来生产好的表面光洁度的情况下，这个距离不断减小。例如，大多数模具车间粗切用0.25～1mm(0.010～0.040英寸)平均距离移动量，而精切用0.05～0.25mm(0.002～0.010英寸)的移动量。平均控制进给率决定于平均距离移动量，对于长的、直的运动，可以考虑点对点之间达几英寸；对于细节的运动，可考虑0.025mm(0.001英寸)。

为了发挥高速加工的优越性，车间必须评估和最优化全部生产过程：机床、它的主轴和工艺装备系统以及它的编程软件。按照美国Absolute 机床公司总裁Steve Ortner说，成功建立在设计用于高速加工的系统基础上，具有补充的能力，而不是标准的，用高速改装的。用于高速加工的机床必须有刚性结构，能抗振，刚性好，在高加速度率下不挠曲。这些机床都用加重型筋的铸件制成，经过有限元分析最佳化，抗振，提供最佳的刀具寿命和表面光洁度。双立柱设计对于中到大型高速加工机床是很理想的。这是因为Y和Z轴载荷固定，只工作台载荷是变化的。相反， C形框架机床，X轴在Y轴之上，有两个轴载荷变化，受工作台载荷变化的影响，使机床难于调谐和控制。但对于中、小型机床，工作台载荷通常额定在1500磅以下，因而C形框架设计是可控制的，而且成本效益高。对于直线导轨的机床，重量支持在轴承上，容易控制和调谐机床，用于高速。在中、小型机床上，用低转矩主轴，直线导轨系统效果好。但在大到中型机床上，用高转矩主轴， Y和Z轴常用箱形导轨而X轴用直线导轨。
成功的高速加工需要配合机床的能力、控制、工艺装备和编程软件
乔福(Johnford)Hi-Net DCM系列加工中心的特点是双立柱(桥式铣床)，Y和Z轴有箱形导轨，X轴为滚柱型直线导轨，用于高速加工中型到大型工件，工件台能承受重载。
配合高速加工技术，用OSG Tap & Die球端肋加工刀具和2万转/分的主轴，车间在这模具零件上切削每条肋用不到5分钟，而用电火花加工要用几小时。

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