精细立式加工中心的设计和应用

性格最爱 · 发表于 2013-1-11 15:37

精细立式加工中心的设计和应用
随着国民经济飞速开展，制造业向着高、精、尖方向开展，特别是汽车、船舶、纺织、电子技术、航空航天的迅猛开展，对机床的精度和消费率请求也越来越高，急需一大批加工精度为“μ”级、主轴转速12,000r/min以上、快移速度大于40m/min的高效高精机床。为了顺应国内市场的需求，满足用户对高速、高精及强力切削的需求，北京机床研讨所研制了新一代精细立式加工中心μ1000系列。
全新构造和高性能的立式加工中心μ1000系列基型产品是在分析国内外立式加工中心主流产品规格参数，别离中国市场需求，同时按照高速、高精、高质量、高稳定性的技术开展方向和高性能价钱比的目的停止开发的。
例：北京机床研讨所μ1000系列立式加工中心
1.设计准绳
新一代立式加工中心的设计准绳如下：
-在速度和精度方面到达国际同类型同规格产品的先进程度，同时统筹强力切削，满足用户一机多用的目的；
-高刚性构造设计，保证机床设计寿命长；
-产品模块化设计，降低设计本钱，构成不同配置的系列产品；
-高精度设计，满足μ级加工精度的需求；
-高效率设计，满足现代高消费率的请求；
-注重环保。
1.1主要技术参数肯定
根据市场调研肯定作为标准配置。μ1000系列的工作台面尺寸为500mm×1200mm；坐标行程X、Y、Z分别为1000mm、560mm、550mm；主轴功率18.5/22KW，主轴转速15,000r/min，BT40刀柄；换刀时间(刀到刀)1.5s，最大刀具重量7kg，刀库容量24把；快速挪动速度X、Y、Z分别为48m/min、48m/min、36m/min；全闭环情况下定位精度≤0.008mm，反复定位精度≤0.004mm(执行GB/T8771.4标准)。
作为系列产品和选用配置，五轴联动控制时配两轴数控转台，工作台面尺寸为?500mm，坐标行程X、Y、Z分别为500mm、500mm、415mm(五轴时)；主轴转速12,000r/min、20,000r/min任选，刀柄可选择HSKA63。
1.2设计过程
机床设计从常用的功用设计进一步开展为机床构造的刚度设计、精度设计、高速化设计、误差补偿技术、寿命设计和可靠性设计等现代先进机床设计技术。为了完成精细机床设计请求，在机床设计中对各方面停止了综合思索。
为保证机床构造设计的合理性，对根底件、传动系统、主轴及整机都停止了有限元分析，找出设计的薄弱环节加以改良，对机床整体性能优化和高刚性设计起到很好的指导作用。
在设计开发过程的初期，初步设计了外形尺寸和工作区范围相同而构造不同的四套方案，即：定梁顶置滑枕式、定立柱十字工作台式、横梁滑座式和定立柱三坐标单元式四种构造。经过有限元刚度分析和加工误差分析，得出方案1(即定梁顶置滑枕式)的刚度是最大的，且误差分配也比拟合理，所以在理论设计当选择了方案。
按方案1的构造停止了机床整机和部件的设计，并且根据设计图对机床整机和部件停止了有限元分析和构造参数改良，防止薄弱环节的呈现。结论如下：与同类的立式加工中心相比，这台机床在各个方向的刚度都具有较大的优势，综合当量刚度约进步40%至两倍以上，并且三个方向的刚度值较均匀(见表1)。
表1与类似规格加工中心的刚度计算值比拟
机床称号X向刚度B32.350.095.945.2
Kx(N/μm)Y向刚度C20.437.259.129.7
Ky(N/μm)Z向刚度D32.365.1118.248.7
Kz(N/μm)三向综合当量刚度E31.234.239.734.5
K(N/μm)μ100059.764.992.968.7
其它类似加工中心A46.646.853.748.7
由计算结果可知，机床整机的整体性能优秀，机床静态刚度显着进步，可以满足高速、高精、高效的请求。
这种规划构造的优点是：床身、立柱分体，且主要构件均呈箱形构造，加工中不易变形，加工工艺性好；别离面较大，根底稳定，主轴悬伸小，整体构造刚度高；左右完好对称式设计，主轴X向热平衡较好；Y向悬伸小，热变形影响小；X、Y、Z轴挪动部件轻，加速性好；构件构造稳定易于保证导轨运动精度，精度稳定性好。
2.操作
为保证机床的精度稳定，床身、立柱、滑座、主轴箱等都采用有限元分析，应用高阻尼性能的优质铸铁制造；合理的截面设计和筋格布置，尽量防止行程中呈现不合理的悬臂状态；导轨采用高刚性滚柱导轨，安装基面精细刮研。
μ1000系列机床打破通常机床构造方式，床身采用三点支撑，高刚性设计，使机床调整简单，不依赖于地基，机床可不需特殊地基而直接安装在水泥地坪上。床身用基于无弯矩的力流原理的特殊筋板设计，保证其上构件在运动过程中，负载重心和切削点不断不分开三点支撑的范围，并有足够的支撑刚度，有利于坚持精度的稳定。
滑座采用顶置式构造，其特性为高刚性轻型设计，使运动单元灵敏，顺应高速请求。滑座沿立柱导轨作X向运动，加长导轨支撑长度，运动时滑座不断不离劝导轨，易保证直线度、定位精度和加工精度。工作台只作双方向(Y向)挪动，与十字工作台构造相比挪动部件轻，且承严重，设计承严重于800kg。另外工作台沿导轨方向运动，构造刚性好，运动精度高，防止了传统机床工作台挪动到两端後直线度降低或超差问题。扁长的主轴箱构造，使主轴重心尽量靠近X导游轨，主轴中心与导轨间隔295mm，比传统机床减少五份之二，这样主轴悬伸小，受弯矩小。另外导轨安装在主轴箱上，滑块在滑座上，大大加强了Z向刚性，进步了加工精度和运动稳定性，定位精度高。
采用了宽度较大的滚柱导轨，中等预载荷消弭了间隙和爬行，进步系统刚度和运动精度。
线性轴驱动采用伺服电机带动高速滚珠丝杠副，它采取预紧式单螺母方式，构造紧凑。丝杠的支撑采用两端固定支撑并施加预拉伸，以进步传动系统刚度，吸收丝杠发热惹起的热伸长构成的误差。丝杠与电机间的联轴器选用波纹管方式，其优点是：传动效率高、刚性好、传送扭矩大、改变刚度高，且本身转动惯量小，顺应高速性。恰当增加座的长度以增加螺母座及丝杠轴承座与根底件间别离面刚度，同时工艺上采取配刮研技术，使精度直接进入稳定期，进步耐冲击才能。
高刚性内装式电主轴，前轴承选用中预载的四列背对背高速角接触陶瓷球轴承，轴承内径?70，这种组合方式使轴承可同时承受径向和轴向载荷，主轴动静刚度高。
为了减少冲击、进步定位精度，控制系统设定了钟型加减速功用和HRV(HighResponseVector)控制功用，调整了影响动态性能的位置和速度增益。同时，为了完生短命命设计，设计中对一些影响精度和工作性能的关键部件采取了相应措施，如：由于主轴轴承用油气光滑，局部油气会进入电机定子与转子之间，使电机被污染而影响运用性能和寿命，为了克制这一点，在电机前後端均有低压乾燥清洁气体吹入，局部构成细微正压，以防止油气进入，保证电机性能稳定，寿命长；为防止主轴前端有脏物进入轴承，并防止轴承油气光滑的废油渗出到主轴端面上，主轴最前端加一路气，以防止脏物进入和吹散废油；五轴联动的转台电机直接运动于工作区时，脏物可能进入电机，影响寿命，为此，转台上两个电机罩均加有低压气体吹气，构成正压，阻止异物侵入；为了保证光栅持久坚持精度，进步运用寿命，光栅的读数头上也有乾燥清洁的空气吹入。
为了保证高精度，多种措施被采用以减少机床的热变形和振动。如主轴套筒和前後轴承座恒温循环冷却，油气光滑减少轴承发热，後轴承运用圆柱滚子轴承，一旦发作热变形，主轴就向後伸长，不影响加工精度；大流量冷却刀具和工件，减少切削热产生；床身上两个螺旋排屑器及时将切屑排出机体，防止切屑大量堆积惹起床身热变形；机床对称式设计，平衡热变形等；主轴具有中心内冷却功用，内冷最大压力为22bar，可满足高速切削、小孔加工和深孔加工对排屑畅通、及时带走加工热量的请求。
为了使主轴运转平稳，降低噪声，减小振动，对主轴采用两次动平衡，一次在主轴与转子热装後，第二次在一切回转零件装配好且几何精度检验终了後。这样动平衡精度高，保证回转精度和防止振动。另外，在主轴前後位置设计有平衡环以备在线动平衡用。刀库放在机床的左侧面，用单独地基，这样在刀库和机械手换刀时产生的振动和不平衡不会传到主机上，消弭了一部格外加载荷，使机床精度更稳定。
为了在较高的运动速度下进步机床的定位精度和加工精度，特别是定位精度，机床上安装了精度为0.003mm的HEIDENHAIN封锁式绝对光栅尺，停止全闭环控制。但机床的定位精度只能评价机床在特定位置时的精度，假设远离丈量面停止加工时，加工的位置度会有较大误差。而传统的螺距补偿只能对特定位置丝杠的螺距误差停止补偿，并不能全面降低整个加工面的位置度误差。为尽量消弭加工区域内的位置度误差，进步机床的加工精度，增加了空间误差补偿功用，经过大量的实验采集数据，计算出机床在各空间点的几何误差，并经过CNC系统给与实时补偿。
主轴在运转过程中，电机、轴承及其它运动部件会因摩擦、损耗等产生热量。假设热量不能及时分发和排出，则会严重影响机床精度。因此，对主轴电机外套和轴承座外套用经过恒温油的方式停止循环冷却，使主轴运转过程中绝大局部的热量随循环油带出机体，以降低热变形。但是，冷却再完善也仍然会有局部热量因传导速度快而不能及时排出，使主轴产生热变形。为了进一步处理主轴热变形对精度的影响，主轴Z向的热变形可用软件补偿的方法停止了补偿。补偿数据是经过实验获得的。
为了使补偿软件更具有通用性，变量编程被采用，针对不同的机床、不同的运用情况分别给这些变量赋值，便可生成具针对性、适用性的补偿程序。图5示出采用热补偿后Z向的误差由补偿前的25.93μm降至8.76μm，约降低三分之二。(实验条件：主轴转速7500r/min，每两分钟丈量一次温度和位移，温度测点为前後轴承及环境温度，位移测点为主轴轴端。温升为后轴承没有冷却的情况下。)
高消费率的完成是由于具有较高的快速挪动速度48m/min，高的切削进给速度30m/min，最大0.9g的加速度；高的主轴转速12,000~20,000r/min以及高的换刀速度1.5s。主轴电机选用FANUC的&alphaBi系列内装电机，具有低速绕组和高速绕组，在低速绕组额定转速在1500r/min以下时，恒扭矩达118Nm，即使增高至4000r/min时，仍有36Nm~44Nm的较大扭矩输出，在高速绕组下即使20,000r/min时，也仍有8.8Nm~11Nm的扭矩输出，恒功率范围宽，可完成低速大扭矩切削和高速加工。
机床的三点支撑构造，便于根据消费线需求调整位置完成快速重组，缩短了机床安装调试周期，节约了调整工时。
机床的模块化设计主要表如今BT40与HSKA63刀柄的互换；转台和工作台可以便当地互相改换；导轨和丝杠可根据用户需求选用不同消费厂家的产品，如STAR、NSK、THK等。数控高速铣床、三轴、四轴、五轴加工中心可以快速配置出来。液压、光滑、冷却的设计以及电气设计均可根据用户不同请求及不同配置便当地取舍；根据用户不同需求，转台倾斜角度也可以改动等，拓宽了用户的选择面和运用面。
全封锁防护罩确保高速、高效加工条件下工人操作平安。运用油水别离器，将冷却液中油物别离过滤掉，延长冷却液的运用寿命，进步冷却液运用效果，并且契合环保请求。
3.应用
μ1000系列立式加工中心应用范围很广，机床为精细级加工中心，各项精度包括几何精度、加工精度均为国度标准的精细级，而定位精度比精细级还进步一倍。设计的高刚性在满足高精度的前提下，还有很强的切削才能。应用范围如下：汽车的发起机缸体缸盖、制动器、变速箱体、转向节、减速器等零件的大批量消费和加工；纺织行业板类零件加工；油泵油嘴行业、制表行业、模具行业等的开关体、阀体、叶片、叶轮等零件和模具的加工。
在已售出的机床中，用于汽车发起机缸盖及主、差减速器壳体消费线上的机床，可改良消费线工艺，进步消费率和精度；用于航空航天业的机床，能满足外形复杂、精度请求高的零件加工，以及薄壁轻型零件的加工，成为具有强的市场竞争力的新产品，获得了好的社会和经济效益。
4.结论
该产品研制成功後停止了全面性能实验，经历证完好满足设计请求，并且在构造、动静态刚度和精度方面表现出色。在新产品审定会现场，Z轴实测定位精度3.4μm，反复定位精度小于1.7μm；用端铣刀铣削铝件，外表粗糙度为Ra0.04μm。它标志着机床在主轴转速、快移速度、位置精度等方面均到达了较高水准，并构成了新一代高性能立式加工中心系列；研讨成果完成商品化、系列化、模块化；产品在整体构造上采用三点支撑高刚性构造设计和基于可靠性增长分析的部件及元器件设计，确保了机床高速、高精和高可靠性；在热变形误差补偿战争面位置误差补偿方面具有共同的技术等优点，满足了市场对精细立式加工中心的需求，已停止小批消费和销售。

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