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浅谈国外高速加工中心的发展 |
| 来源：信息中心 时间：2009-2-1 11:02:09 |
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1 前言
国外汽车工业的大批量生产，每种零件的生产纲领少则几万件，多则几十万件，甚至上百万件，生产节拍为每件几秒钟到几十秒钟，其生产设备采用高效自动化装备。由于市场对产品的多样化需要和产品的不断更新，汽车生产厂家对加工设备提出高效高柔性要求，即在满足大批量生产的前提下，加工设备既要具备适应多品种生产的能力，还必须具备可迅速调整适应新产品生产的能力。
传统的组合机床或专用机床自动线虽然生产效率高，但缺少“柔性”，难以满足汽车工业发展变化的需要，而普通加工中心虽然具有“柔性”，但因单轴加工，其效率远不如组合机床或专用机床的多轴加工。因此，自80年代中期以来，开发适应大批量生产的高速加工中心便成为国外机床工业技术发展的主流之一。
2 高速加工中心发展概况
近十多年来，新型刀具材料的不断出现与机械制造技术及控制技术的发展相结合，把切削加工的能力和水平提高到一个崭新的高度，从而促进了高速加工中心的开发与发展。
2.1 新型刀具材料的出现和应用
具有足够的耐热性、耐磨性和耐破损性的刀具材料是高速加工的前提。采用涂层碳化钨硬质合金、碳(氮)化钛硬质合金、陶瓷刀具材料、立方氮化硼(CBN)、立方/六方复合氮化硼(WBN)和聚晶金刚石(PCD)等新型材料刀具，其切削用量比常规提高了几倍到几十倍。目前受高速机床性能等技术条件的限制和工件材料加工性的影响，各种常用材料的高速切削速度大致为：铝合金1000～7000m/min；铜合金900～5000m/min；钢500～2000m/min;灰铸件800～3000m/min。其进给速度范围一般为2～25m/min。
2.2 新型高速主轴结构
采用主轴、电机一体化的主轴部件，主轴也是电机的转子，定子装入主轴套筒内，取消了传统的电机经齿轮和皮带传动主轴的结构。这种主轴结构减少了关键零件，减少了振动，增加了可靠性，可获得高转速和高的加(减)角速度。为此，主轴支承采用陶瓷轴承、静压轴承、动压轴承、空气轴承以及气油润滑、喷射润滑等技术。
2.3 直线电机驱动坐标轴
对加工中心的所有坐标轴驱动均采用快速、精密、高精度和耐用的直线电机，可显著地减少诸如摩擦力、间隙和磨损等机械传动特性的影响，可获得一致的高精度的位移运动、动态位移和精确的定位，其快速行程可达到60m/min。直线电机具有高的加(减)速度变化率，显著地缩短了定位时间。为此，坐标轴采用静压或新型直线滚动导轨，还采用了高响应位置检测元件等技术。
2.4 适应高速的配套技术
采用新型换刀机构和伺服驱动的托板交换装置，大大提高了换刀速度和托板交换速度。
为克服传统加工中心使用的7∶24实心锥柄刀杆在高转速时的致命弱点，开发了“双定位刀杆”。这种新结构刀柄的定位方式为靠1∶10的锥部与主轴内锥面定心，同时刀柄凸缘端面与主轴前端面紧贴，从而获得高转速的联接刚性。当前已有法国HSK系列产品，美国KM系列产品，日本、瑞典也有类似产品。
2.5 高速加工中心的主要技术参数
90年代以来，国外一些机床厂家先后开发出一批高速加工中心，其主要技术参数为：
- 主轴最高转速：一般为12000～15000r/min，有的高达40000～60000r/min。
- 坐标轴的加工进给最高速度：30～60m/min，快速移动速度高达70～80m/min。
- 换刀时间(刀-刀)普遍在1.5～3.5s，有的快到0.8～0.9s；托板交换时间普遍在6～8s。
综上所述，高速加工中心的出现使得单轴加工中心的效率赶上了多轴的组合机床或专用机床。因此，高效高柔性的加工中心已开始在汽车工业中应用，并成为重要的工艺装备。
3 高速加工中心实例简介
- 德国EX-CELL-O GMBH公司XHC240卧式加工心
- 这是国外第一次展出采用直线电机驱动的加工中心，其主要技术参数：
- 主轴最高转速达24000r/min；
- 坐标轴快速移动速度达60m/min，加速度为1g；
- 换刀时间(切削-切削)为4.5s；托板交换时间为6s。
- 机床主要结构特点：
- 采用主轴电机并气动润滑主轴轴承，由传感器监控主轴温度和轴承润滑。
- 坐标轴由直线电机驱动，采用快速CNC系统，可调整其动态特性。
- 刀库和主轴直接换刀，无专门的换刀机械手。
- 托板交换装置由伺服电机驱动。
- 采用空心短锥刀柄，高压内冷却加工。
- 该机床已被Ford汽车公司用于精加工离合器壳体。据介绍，总的切削时间缩短30%，加工及装卸料时间减少60%。
- 德国Chiron Werke公司FZ12W立式加工中心
- 主要技术参数：
- 主轴最高转速达15000r/min；
- 主轴功率为9.5kW；最高进给速度达40m/min；
- 换刀时间(刀-刀)为0.8s。
- 机床主要结构特点：
- 采用数字主轴驱动系统和数字伺服轴驱动系统，具有超高速响应特性。
- 采用空心短锥刀柄，高压内冷却加工。
- 刀库容量20把并围绕主轴圆周布置，每一刀座均有一个换刀机械手。
- 日本Mazak公司产品
- FH480型卧式加工中心的主要技术参数：
- 主轴最高转速达12000r/min；
- 最高进给速度与快速移动速度均为32m/min；
- 换刀时间(刀-刀)为1.3s；托板交换时间为5s。
- 机床主要结构特点：
- 采用主轴电机，主轴由静止启动到最高转速仅需1.5s。
- 采用32位Mazatrol M-32CNC系统，其软件包可使机床在保持高精度的情况下实现高速进给，而内装的智能软件能自动决定最佳刀具轨迹与切削条件。
- FF510型卧式加中心的主要技术参数：
- 主轴最高转速达15000r/min；
- 主轴电机功率为15kW/11kW；
- 最高进给速度达40m/min；
- 快速移动速度达60m/min，加速度为1g；
- 交换时间(刀-刀)为0.9s，(切削-切削)为3.3s；托板交换时间为6.3s；
- 工作台转位90°时间为2.5s。
- 机床主要结构特点：
- 采用主轴电机、陶瓷轴承，主轴由静止启动到最高转速仅需1.8s。
- 采用高水平滚珠丝杠驱动坐标轴，获得当今滚珠丝杠驱动方式的最高速度。
- 日本新泻铁工所SPN50、SPN40加工中心
- 主要技术参数：
- 主轴最高转速达12000r/min；
- 快速移动速度为40m/min，加速度为0.6g；
- 换刀时间(刀-刀)为1.4s/1s，(切削-切削)为3.8s/2.7s。
- 机床主要结构特点：
- 采用独创的双臂瞬时换刀的SSM超高速换刀系统。模仿人的双手完成同步回转运动，只需一个动作(左手拔刀，右手插刀)实现换刀。而常规的换刀机械手需要完成3个动作，因此使非切削时间减少50%。
- 为了减轻移动部件重量，机床结构为T型床身，立柱固定，主轴箱移动，采用“箱中箱”布局，X轴移动导轨分置于立柱的上、下两端，跨度大、刚性强，提高了高速定位和加(减)速性能。
- 采用遮断热量传导方式的主轴冷却系统，使用特殊的断热联轴器(热传导率是铁的1/200)分隔主轴电机，以隔断发热量较大的电机转子至主轴的热传导，并以冷却液对主轴外围、主轴轴承、电机安装结合部、电机定子进行循环冷却，较大限度地减少主轴系统的热变形。
- 采用高水平的滚珠丝杠驱动坐标轴。
- 美国Giddings & Lewis公司RAM500型、RAM630型卧式加工中心
- 主要技术参数：
- 最高主轴转速达12000r/min；
- 快速移动速度达38m/min，加速度为0.6g；
- 换刀时间(切削-切削)为4.5s；托板交换时间为8s。
- 机床主要结构特点：
- 为减轻运动部件重量，主轴头安装在滑枕上，由滑枕作Z向运动，而不采用立柱运动。
- 立柱与床身铸成一体，提高了机床刚度并减少了机床维修。
- 采用该公司自行开发的G&L CNC800控制系统，具有超前处理能力，在轮廓加工中可动态调整进给率，以达到编程要求的加工精度。控制系统内有全集成的PC子系统，能接受SO/2、windows与DOS的程序，因而能联入计算机网络，水平较高。
- 美国Ingersoll铣床公司HVM600型卧式加工中心
- 主要技术参数：
- 最高主轴转速达20000r/min；
- 快速移动速度、最高进给速度均为76m/min，加(减)速度为1～1.5g；
- 换刀时间(切削-切削)为4s；托板交换时间为8s。
- 机床主要结构特点：
- 主轴箱采用“箱中箱”结构，可消除由于驱动力作用而使主轴箱承受悬伸载荷以及由此所引起的变形。
- 采用直线电机驱动坐标轴。
- 采用主轴电机及该公司开发的液压静压/动压混合轴承，其寿命长。主轴获得高的刚性和运动平稳性。
- 采用空心短锥刀柄，高压内冷却加工。
- 每个坐标轴均采用精密激光位置反馈检测装置。
- 整体T型床身，使用三个点安装在地基上，减少机床安装时间及地基费用。
- 美国Ford汽车公司采用20台设备(其中HVM型高速加工中心13台)组成一条缸体柔性加工线，生产4缸轿车发动机，年产发动机缸体15万台。
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