高速加工对机床结构的基本要求和设计原则

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　由于高速加工中的切削速度，进给速度和加减速度都大，因此机床的发热量，运动部件的惯量也大，容易导致机床结构的过量温升、热变形和产生冲击振动，最终会影响到加工精度、质量乃至机床和刀具的工作寿命和可靠性。所以，高速加工对机床结构的基本要求，首先是要三高，即静刚度高、动刚度高和热刚度高，也就是说，“三刚”特性要好；其次是运动部件要轻量化，即要尽量减少传动系统的惯量。为此，机床结构设计应采取的原则措施是：
　　为了提高结构的静刚度，首先是选择弹性模量大的材料，如钢、铸铁等作为结构件的基本材料；其次是根据受力的性质(拉，压或扭)和条件(力的大小，方向和作用点)选择合理的结构截面形状、尺寸、筋壁布置和机床的总体布局；三是结构件间的接合面要平整，面积大小要适当，接触点在接合面上的分布要均匀，连接要牢固等；四是尽量采用箱形和整体型结构。
　　为了提高结构的动刚度，首先是在保证静刚度的前提下，选择阻尼系数大的材料，如人造花岗岩，铸铁等作为基础结构件的材料；二是通过模型试验或模态分析合理设计和调整结构的质量分布和结构接合面的刚度值，以改变结构系统本身的固有振动频率，使其远离切削过程中所产生的强迫振动频率，避免产生共振的可能性；三是有意采用能增加附加阻尼的结构设计，如带夹芯的双层壁铸件和非连续焊接的焊件等；四是直线运动部件的支承导轨面间距离要尽可能宽阔，驱动力的作用线要居中并尽可能靠近运动部件的重心，传动链中应无反向间隙，以保证运动平稳，无冲击。
　　为了提高结构的热刚度，原则上首先应采用热容量大、热胀系数小的材料和热胀系数相近的材料作为结构材料；其次是根据机床上的热源和温度场的分布情况，尽量采用热对称和方便散热或强迫冷却的结构，包括采用热补偿措施的结构等，以减少热变形带来的对机床几何精度和工作性能的影响。
　　为了减少运动部件的重量和传动系统的惯量，一是选用比重小的材料，如铝合金和复合材料等，作为运动部件的结构材料；二是在保证刚度和承载能力的前提下，尽量去除多馀的材料；三是采用直接传动，简化传动系统，缩短传动链，以提高机床的运动品质。
　　现实中能同时满足上述条件要求的材料和结构是没有的，只能按实际要求进行综合评估后选取。

　　图3 不同刀具直径和不同切速下所要求的刀具/主轴转速
　　高速电主轴单元
　　高速加工的典型应用是以小直径的硬质合金铣刀来对各种材料的模具、模型和铝合金件进行铣削，机床主轴转速是根据现代刀具材料所能达到的经济合理切削速度范围和按此速度及不同的铣刀直径所计算得的刀具/主轴转速(图3)来确定。可见除切削钛或镍合金时，由于刀具所能达到的合理切削速度较低(300m/min以下)，刀具主轴最高转速可在10000r/min以下外，其他材料的切削所要求的刀具/主轴最高转速都在10000r/min以上，甚至要求达到50000r/min至80000r/min。如此高的主轴转速，采用一般机床用的主传动结构(电机加皮带轮和齿轮传动)方式是不可能实现的，一般都需采用由变频调速电机和机床主轴集成在一起的所谓“电主轴”直接驱动来实现。
　　电主轴是通过交流变频调速和矢量控制来实现主轴的宽调速的。它的优点不仅是简化了主传动结构，减少主传动系统的转动惯量，而且降低了功耗，提高了实现更高主轴速度和加减速度的能力，从而也可实现定角度的快速准停(C轴控制)功能，这对高速加工机床是十分重要的。
　　当然，高速主轴本身的设计制造会涉及许多特殊问题，如主轴(电机转子)支承的结构型式和润滑方式，电机的发热和冷却措施，主轴和刀具的连接以及动平衡问题等，好在这些问题已有许多科研单位进行了研究和解决，高速电主轴单元在国内外均有了专门的生产厂家进行了专业化、系列化的生产，机床设计制造者只需根据加工对象要求，确定所需的主轴转速和扭矩范围来合理地选用就是了。
　　高速进给系统
　　高速进给系统是高速加工机床极其重要的组成部份，对它的设计要求，首先应当是能提供高速切削时所要求的高的进给/快移速度和加减速度；其次是应具有所要求的调速宽度和轨迹跟踪精度；同时还应有很好承受动、静载荷的能力和刚度，从而保证高速加工应有的效率和质量。
　　决定高速进给系统上述性能要求的因素主要有三个方面：即进给运动的传动方式、各轴进给运动间的相互结构联系和数控伺服控制系统。
　　进给运动的传动方式
　　高速进给运动的传动方式，目前广为应用的主要有两种：一种是回转伺服电机通过滚珠丝杠的间接传动，另一种是采用直线电机直接驱动。
　　通过滚珠丝杠间接传动方式的优点是技术成熟，结构相对简单，加速度特性受运动部件载荷变化的影响较小，且目前已有许多国内外厂家进行标准化，系列化和模块化的专业化生产。但是普通传动用的滚珠丝杠，由于存在惯量大，导程小，又受到临界转速的限制等，其所能提供的进给/快移速度只有10~20m/min，加速度为0.3g，满足不了高速加工的要求，因此，高速加工用的进给滚珠丝杠普遍采取如下的改进措施。
　　加大丝杠的导程和增加螺纹的头数，前者为提高丝杠每转的进给量(即进给速度)，后者则为弥补丝杠导程增大后所带来的轴向刚度和承载能力的下降。
　　将实心丝杠改为空心的，这既是为减少丝杠的重量和惯量，也是为便于对丝杠采取通水内冷，以利于提高丝杠转速，提高进给/快移速度和加速的能力，减少热影响；
　　改进回珠器和滚道的设计制造质量，使滚珠的循环更流畅，摩擦损耗更少；
　　采用滚珠丝杠固定，螺母与联结在移动部件上的伺服电机集成在一起完成旋转和移动，从而避开了丝杠受临界转速的限制等。
　　经过采取这些改进措施后，滚珠丝杠传动的进给方式可提供的进给/快移速度达60m/min~90m/min，加速度可达1~2g。但是由于受到原理结构的限制，要想进一步提高滚珠丝杠传动的运动速度和加速度很难了，而且受丝杠的可制造长度限制，滚珠丝杠传动所能提供的运动行程也是有限的。
　　与上述的通过滚珠丝杠间接传动的方式相比，采用直线电机直接驱动的主要特点和优点是将伺服电机的定子和动子分别直接与机床床身及移动部结合在一起，没有了中间环节，传动链的长度缩短为零，即实现了所谓的“零传动”，从而大大提高了机械刚度，减少了传动系统的惯量，www.vtoall.com获得更高的速度和加速度能力，并易于控制系统的阻尼力和动态特性，直线电机最高的进给/快速度可达120m/min乃至240m/min，加速度可达2~10g；行程长度可不受限制；适应性强，灵敏度高，随动性好，不存在反向间隙，可利用直线光栅尺作为测量反馈元件，实现全闭环控制，以获得更高的定位精度和跟踪精度等。
　　但是，直线电机直接驱动也存在一些缺点：如效率低，功耗大，结构尺寸和自重也相对较大；工作过程温升高，要求强冷却；因受磁场力影响易于吸引铁屑和金属物，故需考虑防磁措施等，特别是要注意的是它的加速度值直接反比于运动部件的载荷量(工作台/滑座自重加上工件及其他外载荷)，即对运动载荷较敏感，故宜用于运动件载荷恒定或变化量不大的场合，在载荷变化重大的情况下，必需能在数控编程时予以考虑，否则不能保证加工所要求的效率和质量。另外，直线电机直接驱动不具自锁能力，设计和使用中应注意考虑外加制动措施，特别是在垂直轴进给系统中使用时，尤要注意。