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高速加工技术能够实现加工质量和加工效率两方面的统一,是现代先进制造技术之一。高速数控机床是实现高速加工的必要条件之一,是世界公认的最具有技术带动性,覆盖面广的关键先进制造技術。
一、推广高速加工技术的迫切性
提高加工质量和加工效率是机械制造领域永恒的发展方向。人们一直在积极地从加工质量和加工效率两个方面探索新的方法,但在传统机械制造技术应用中,加工质量和加工效率是难以兼得,只能相互兼顾,寻找一个合理的平衡点。积极探索加工质量和加工效率的完美结合,就成了人们努力追求的目标之一。一种基于数控技术,可以大幅度节省产品加工的切削时间,并可实现高效精密生产的高新技术——高速加工技术,近年来逐渐引起人们关注,并被誉为继数控技术后的又一个里程碑,其原因主要是实现了高速加工技术在加工质量和加工效率两方面的统一。
顾名思义,高速加工是通过高性能的机床,以几倍甚至几十倍的加工速度来实现对工件加工的高精度、高效率,最终达到提高生产率的目的。一般而言,高速加工包含两层含义:一是高主轴转数,一般情况下,主轴转数至少在12000r/min左右,最高可达60000r/min;二是高速进给,进给速度一般在每分钟几米甚至几十米。高速加工技术以其显著的加工优势和无法替代的先进性,首先在国外工业发达国家中迅速发展起来,其进程也堪称“高速”。我国起步较晚,竞争力明显处于劣势,因此推广应用这一先进技术就显得刻不容缓了。
二、高速数控机床关键技术特点
1.机床的结构设计
高速加工数控机床结构的显著特点是动态特性非常好,因为要与高速数控机床的高加工精度、高速切削相匹配,而对机床本体部分的结构设计提出了高精度、高刚度、低惯量、低摩擦、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。为了满足这些要求,国内和国外的学者对如何提高机床的结构刚度、抗振性,减少机床的热变形,改善运动导轨副的摩擦特性等方面都进行了许多探索。
2.高速电主轴的研究开发
高速电主轴是高速数控机床最重要的部件,也是实现高速加工最关键的技术之一。目前已生产出的高速机床几乎全部采用电机主轴与机床主轴合二为一的结构,电机的转子就是机床的主轴,机床主轴单元的壳体就是电机座。这种电机与机床主轴“合二为一”的传动结构,把机床传动链的长度缩短为零,实现了机床的“零传动”。
3.机床进给机构研究开发
快速进给系统也是高速数控机床的关键部件之一,高速数控机床要求进给系统有与主轴转速相对应的高速进给运动。目前,高速数控机床实现高速进给运动主要有两种途径,即采用电滚珠丝杠和直线电机传动。电滚珠丝杠是伺服电动机与滚珠丝杠的集成,具有减少传动环节,结构紧凑等一系列优点。直线电动机近年来应用日益广泛,以此项技术替代滚珠丝杠副应用于数控伺服系统中,可简化系统结构,提高定位精度,实现高速直线运动乃至平面运动。
4.机床控制系统的研究开发
高速主轴、高速伺服系统的应用与控制技术的发展密不可分。用于高速加工的CNC系统必须具有很高的运算速度和精度,以及快速响应的伺服控制,才能满足高速度和复杂型腔的加工。
5.机床安全防护的研究开发
在法国曾出现一起具有40000r/min的主轴碰撞事故,使重约1.4～1.8kgHSK63刀柄破裂,破裂后的刀柄穿过防护板与砖墙,落在约1米远的地方,可见高速切削安全防护的重要性。研究开发机床安全防护的关键技术,是应用高速加工监测技术,即在高速加工过程中通过传感、分析、信号处理等,对高速机床及系统状态进行实时的主动在线监测和控制,识别可能引起重大事故的工况,避免机床、刀具、工件及有关设施的损伤。此技术的应用可大大延长刀具寿命,保证产品质量,提高效率,保证设备及人员安全。
三、高速数控机床应用现状介绍
我国最近几年机床行业不景气,但数控机床的发展却一枝独秀,在高档数控机床研制开发上发展也很快。2001年在CIMT2001国际机床展览会上,北京第一机床厂和桂林机床股份有限公司分别展出了主轴转速10000r/min的五轴高速龙门加工中心;北京市机电院的主轴转速15000r/min的五轴高速立式加工中心;清华大学与昆明机床股份有限公司联合研制的XNZ63,采用标准Stewart平台结构,可实现六自由度联动;大连机床厂自行研制的串并联机床DCB-510,数控系统由清华大学开发,该机床通过并联机构实现X、Y、Z轴直线运动,由串联机构实现A、C轴旋转运动,从而实现五轴联动,其直线快速进给速度可达80m/min。这些机床均已达到国际先进水平。
(作者单位:山东省泰州市安全生产监督管理局)
一、推广高速加工技术的迫切性
提高加工质量和加工效率是机械制造领域永恒的发展方向。人们一直在积极地从加工质量和加工效率两个方面探索新的方法,但在传统机械制造技术应用中,加工质量和加工效率是难以兼得,只能相互兼顾,寻找一个合理的平衡点。积极探索加工质量和加工效率的完美结合,就成了人们努力追求的目标之一。一种基于数控技术,可以大幅度节省产品加工的切削时间,并可实现高效精密生产的高新技术——高速加工技术,近年来逐渐引起人们关注,并被誉为继数控技术后的又一个里程碑,其原因主要是实现了高速加工技术在加工质量和加工效率两方面的统一。
顾名思义,高速加工是通过高性能的机床,以几倍甚至几十倍的加工速度来实现对工件加工的高精度、高效率,最终达到提高生产率的目的。一般而言,高速加工包含两层含义:一是高主轴转数,一般情况下,主轴转数至少在12000r/min左右,最高可达60000r/min;二是高速进给,进给速度一般在每分钟几米甚至几十米。高速加工技术以其显著的加工优势和无法替代的先进性,首先在国外工业发达国家中迅速发展起来,其进程也堪称“高速”。我国起步较晚,竞争力明显处于劣势,因此推广应用这一先进技术就显得刻不容缓了。
二、高速数控机床关键技术特点
1.机床的结构设计
高速加工数控机床结构的显著特点是动态特性非常好,因为要与高速数控机床的高加工精度、高速切削相匹配,而对机床本体部分的结构设计提出了高精度、高刚度、低惯量、低摩擦、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。为了满足这些要求,国内和国外的学者对如何提高机床的结构刚度、抗振性,减少机床的热变形,改善运动导轨副的摩擦特性等方面都进行了许多探索。
2.高速电主轴的研究开发
高速电主轴是高速数控机床最重要的部件,也是实现高速加工最关键的技术之一。目前已生产出的高速机床几乎全部采用电机主轴与机床主轴合二为一的结构,电机的转子就是机床的主轴,机床主轴单元的壳体就是电机座。这种电机与机床主轴“合二为一”的传动结构,把机床传动链的长度缩短为零,实现了机床的“零传动”。
3.机床进给机构研究开发
快速进给系统也是高速数控机床的关键部件之一,高速数控机床要求进给系统有与主轴转速相对应的高速进给运动。目前,高速数控机床实现高速进给运动主要有两种途径,即采用电滚珠丝杠和直线电机传动。电滚珠丝杠是伺服电动机与滚珠丝杠的集成,具有减少传动环节,结构紧凑等一系列优点。直线电动机近年来应用日益广泛,以此项技术替代滚珠丝杠副应用于数控伺服系统中,可简化系统结构,提高定位精度,实现高速直线运动乃至平面运动。
4.机床控制系统的研究开发
高速主轴、高速伺服系统的应用与控制技术的发展密不可分。用于高速加工的CNC系统必须具有很高的运算速度和精度,以及快速响应的伺服控制,才能满足高速度和复杂型腔的加工。
5.机床安全防护的研究开发
在法国曾出现一起具有40000r/min的主轴碰撞事故,使重约1.4～1.8kgHSK63刀柄破裂,破裂后的刀柄穿过防护板与砖墙,落在约1米远的地方,可见高速切削安全防护的重要性。研究开发机床安全防护的关键技术,是应用高速加工监测技术,即在高速加工过程中通过传感、分析、信号处理等,对高速机床及系统状态进行实时的主动在线监测和控制,识别可能引起重大事故的工况,避免机床、刀具、工件及有关设施的损伤。此技术的应用可大大延长刀具寿命,保证产品质量,提高效率,保证设备及人员安全。
三、高速数控机床应用现状介绍
我国最近几年机床行业不景气,但数控机床的发展却一枝独秀,在高档数控机床研制开发上发展也很快。2001年在CIMT2001国际机床展览会上,北京第一机床厂和桂林机床股份有限公司分别展出了主轴转速10000r/min的五轴高速龙门加工中心;北京市机电院的主轴转速15000r/min的五轴高速立式加工中心;清华大学与昆明机床股份有限公司联合研制的XNZ63,采用标准Stewart平台结构,可实现六自由度联动;大连机床厂自行研制的串并联机床DCB-510,数控系统由清华大学开发,该机床通过并联机构实现X、Y、Z轴直线运动,由串联机构实现A、C轴旋转运动,从而实现五轴联动,其直线快速进给速度可达80m/min。这些机床均已达到国际先进水平。
(作者单位:山东省泰州市安全生产监督管理局)