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挑战极限

来源：信息中心　时间：2009-2-1 10:59:08

任何事物都在一个极限范围内发展变化，一旦超出这一极限，将会发生质的飞跃。原来存在着的小问题，就会变成极其严重的大问题。

使用加工中心进行金属切削时，主轴转速对加工过程的影响就是如此。在低主轴转速或常用转速的一定范围内，对其所进行的加工过程影响不大。切削速度和加工过程之间都遵循着目前切削理论所揭示了的规律在发生着变化，例如，会引起切削温度升高，零件尺寸稍微变化等。

但是，在超过某一极限值的更高的主轴转速下加工，主轴温度的升高，离心力的增大和不平衡的增加引起的振动发生等，将严重地影响了零件加工精度的提高。这里的某一极限值一般为机床主轴最高转速20,000r/min，位于伊利诺斯州Lincoln市Mikron 公司副经理Mal Sudhakar说。超过这个极限值，主轴就不能安全生产，原来存在着的小问题，就会变成极其严重的大问题。

Mikron公司是一家为模具生产提供主轴最高转速超过20,000r/min的高速加工中心制造商。他们生产的加工中心都装备有最高转速达40,000r/min或60,000r/min的主轴。本文中，该公司经理Sudhakar先生向用户介绍了他们是如何在机床的设计中，将先进的测量技术和传感器技术应用于机床的控制系统，使用激光刀具测量仪,使用新开发出智能热补偿系统(ITC)和高级工艺控制系统(APS)，处理好在超过20,000r/min的最高主轴转速下，出现的离心力增大，主轴温度升高，和不平衡的增加引起的振动等几个严重影响加工过程的技术难题的解决方案。

离心力增大

离心力增大是高主轴转速加工的必然产物。主轴转速越高，产生的从旋转轴向外拉伸旋转零件的力(离心力)越大。

尤其在精加工中，离心力对主轴轴承影响很大。所以，在高速加工中心设计时，将主轴设计成均由可承受径向和轴向力的向心止推滚珠轴承支撑。但在主轴转速很高，产生的很大离心力作用下，会将支撑主轴的向心止推滚珠轴承内的滚珠拉出，使轴承座发生变形位移，主轴也产生了位移等。主轴的位移意味着安装在主轴孔内刀具的刀尖位置在空间产生了位移，这将会造成加工零件的尺寸超差甚至报废。

当然，这不是主轴轴承本身的问题，是大小与主轴旋转角速度的平方成正比的离心力造成。据经验公式计算结果表明，主轴转速由10,000r/min变为20,000 r/min时，速度为原来的2倍，就有4倍的离心力作用在轴承上。而主轴速度从10,000升到40,000 r/min时，离心力将增加16倍。

作用在主轴上的很大离心力对高刚性的机床，20,000 r/min转速以下的粗加工还影响不大，但对主轴转速从0至高达40,000 r/min 的精加工，由 Mikron公司所作的工艺试验表明，可使刀尖产生0.05mm的位移。这一现象引起了技术人员的高度重视。

Sudhakar先生向人们介绍，Mikron公司为消除刀具的刀尖空间位移造成的加工误差，研究出了进行补偿的解决方案。他们在加工中使用了非接触测量的激光刀具测量仪(由Blum Laser Measuring Technology公司生产)。一般由Mikron公司，作为机床实行高速切削的标准附件提供给用户。与接触式测量工具不同。使用非接触测量激光刀具测量仪，能在主轴高速旋转的切削中，对在很大离心力作用下引起的刀尖的尺寸变化进行测量。

这是不是意味着在每次切削速度改变时，都要对刀具进行再测量？激光测量需花费30秒钟，那么很频繁的测量在一些情况下有没有必要呢？

Sudhakar先生回答是不。由于离心力引起的刀尖尺寸的变化特点是按线性关系成比例变化。按说也可使用由制造商开发的一种新算法,使CNC系统能预算出其它各种切削速度下的刀尖位移量。

但遗憾的是经预测出的刀尖位移量与实际值相差太大(如图1所示)。所以采取的最好的办法是使用激光刀具测量仪，快速准确地测量出每次变换后的刀尖位移量，然后根椐测量到实际尺寸值，修改汇编好的加工程序，对刀具位置进行自动调整，以对由离心力引起的加工误差进行补偿。

主轴温度升高

一个还没有讲到的因素也改变着刀尖的位移，这就是主轴温度升高(或称热膨胀)。在主轴启动之后，或者速度很快提高，这时主轴上的温度将立刻按新的转速值开始升高，重新进行热量稳态分配，一直到达到热量平衡为止，这个重新热量平衡，则需要一个时间周期。同时主轴尺寸随温度改变也在不断变化。这意味着一个加工过程，如精铣加工，在刀具进行调整之前，需要有一个预热时间。据研究证明，在精铣中，从主轴转速的突然升高，至机床达到热量的稳态平衡，大约需要经过15-25分钟。

但是，使用较新开发的智能热补偿系统(ITC)，就能减少甚至取消这一等待时间。ITC实际是新的测量技术与CNC系统中的新计算法相结合的结果。在热膨胀时，计算机CNC系统可从装入机床主轴内的温度传感器中采集有关数据，然后经过新计算法的快速计算出热膨胀与主轴尺寸之间的变化规律。

热膨胀和离心力一样，都是在按照一定规律发生变化，所不同的是它不是按线性关系成比例地变化。在对一个专门设计的机床主轴结构的热膨胀过程进行的模拟试验中发现，其膨胀规律如图2所示。较新的发展是，我们可以不用再等待主轴达到热量稳态平衡，Sudhakar先生说，使用ITC，能在升温期间，就开始按图中曲线的变化规律不断地调整着刀具的偏移量，对热膨胀引起的主轴偏移变化量进行补偿。经切削试验证明，使用ITC能使零件加工精度被控制在在20微米以内。

如果能选择等待3分钟的处理方案，则ITC能使加工零件达到10微米的更高精度。为什么这么短的等待时间会有如此好的效果呢？因为在加工过程中，情况比较复杂，有一些过程不能被温度传感器正确地反映。例如在换刀的情况下，在一个换刀过程中，将冷刀柄插入很热的主轴中，由于它与主轴相比，尺寸相差较大，所以温度会很快上升。如果有意安排短时间的等待，就会让刀柄与主轴间很快达到热平衡。因而能获得更高的加工精度。

产生振动

在高速加工中一个对加工质量影响较大的莫过于振动。它是在工件与刀具间相互作用的结果，或是刀具与刀柄组件中的某个零件质量的不平衡产生的离心力作用下引起的。当切削速度增加时，工件与刀具间相互作用变得更加明显。根据(角)速度和离心力呈指数增长的关系，将局部的质量不平衡扩大，产生的离心力增大。所以严格地控制加工中产生的振动也是极其重要的，不只是提高加工精度和提高生产效率所必须的，而且也是提高和延长主轴和刀具的寿命所需要的。

为有效地控制高速加工中产生的振动，Mikron公司开发出用于HVC电主轴的“高级工艺控制系统(APS)。”它是通过在主轴的前轴承处安装一加速度表(见图3)，为APS提供振动等有关信息。APS被认为是操作者的“耳朵”，但在高达40,000r/min加工中“操作者的耳朵”不再是控制和管理振动的最好方式。

现在只需将APS与CNC显示器联接，操作者就可以根据彩色显示器显示的绿黄和红颜色判断振动状态(振动在3G以下为“绿色”，在6G以下为是“黄色”和超过6G为红色情警报)。然后通过干预加工过程，优化加工工艺，有效地减小和消除振动，提高刀具机床使用寿命。

为准确地排除故障，通过诊断迅速查出产生故障根源也是非常重要的一个环节。仅靠以上对振动的认知和测量还是很有局限性的。因为振幅很高的振动严重地影响切削深度，频率很高的振动将会继续扩大原有的不平衡，所以必须能迅速诊断采取紧急措施，才是解决问题的根本办法。

Sudhakar先生说，高级工艺控制系统在无人化操作中也起着非常重要的作用。例如，它可在振动频率和振幅超出某一极限值时，按编好程序控制停机。也可以在用加速度表跟踪振动中，及时对汇编好的程序进行调整。还可在线收集和存贮有关信息资料，用这些资料可分析出振动的来源部位，从而根据它们消除振动，充分发挥机床高速切削的功效。

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