模具加工用数控镗铣床的选型研究.pdf

模 具 技 术 2 0 0 6 . N o . 3 文章编号:1 0 0 1 - 4 9 3 4 ( 2 0 0 6 ) 0 3 - 0 0 5 3 - 0 4 模具加工用数控4 *10 铣床的选型研究 张毅翔 ，2 ，赵震 ( 1 . 上海交通大学塑性成形工程系，上海 2 . 上海大众汽车有限公司产品工程部，上海 2 0 0 0 3 0 ; 2 0 1 8 0 5 ) 摘要:数控授铣床是一种重要的模具加工设备。对适用于模具加工的数控撞锐床在加工 范围、机床精度、机床结构、主轴、机床进给机构、机床控制系统等方面 进行了 研究总结。 提出了 模具用数控授铣床选型过程中的关健环节和各项关健参数。 关键词:数撞橙铣床; 模具; 加工 中图分类号: T G 5 0 2 . 3文献标识码: A A b s t r a c t : N C b o r i n g - m i l l i n g m a c h i n e i s a n i m p o r t a n t d i e m a n u f a c t u r i n g e q u i p m e n t . I t i s s u mma r i z e d o n t h e a s p e c t s o f ma n u f a c t u r i n g f i e l d ，ma c h i n e p r e c i s i o n ，m a c h i n e s t r u c t u r e ， ma i n s h a f t , ma c h i n e f e e d m e c h a n i s m, ma c h i n e c o n t r o l m e c h a n i s m, e t c t o N C b o r i n g - m i l l i n g m a c h i n e w h i c h a d a p t s t o d i e m a n u f a c t u r i n g .S o m e k e y s t e p s a n d p a r a m e t e r s i n s p e c i f i c a t i o n s e l e c t i o n o f d i e - u s e d N C b o r i n g - m i l l i n g m a c h i n e a r e p u t f o r w a r d a s w e l l . K e y w o r d s : N C b o r i n g - m i l l i n g m a c h i n e ;d i e ; m a n u f a c t u r e 0引言 型过程中的关键环节和各项关键参数进行探讨。 随着我国逐步成为世界制造中 心，就如何采 用先进设备和工艺来提升制造业已成为重要的课 题。作为制造业的重要基础，模具工业正面临着 高精度、短周期、低成本等要求，而数控铿铣床 ( 特别是高速数控撞铣床)由于其所具有的适用 面广、技术发展成熟、精度指标高等优点，己成 为模具加工领域的重要装备。 高速数控铿铣床的转速和进给远大于普通机 床，从而显著提高了电极和模具加工的表面精度 和加工效率;同时，可以对淬硬材料型腔进行铣 削加工，并使加工后的表面质量达到镜面要求， 不需要打磨。由于数控机床在国内的发展历史较 短，而且涉及的学科领域较广，因而用户在设备 选型时通常会遇到种种问题，面对纷繁复杂的各 种设备而难以决断，下面对模具用数控铿铣床选 收 稿日 期:2 0 0 5 - 1 1 - 0 3 作者简介: 张毅翔 ( 1 9 7 5 一) ，男，硕士研究生，工程师。 1 数控锉铣床的选型 1 . 1确定加工范围和材料 确定零件的种类、大小、形状和精度要求， 一般而言，通过一台数控铣床解决一个部门所有 的加工内容是非常困难的，综合考虑加工范围与 成本因素，在选型时，只要满足8 0 %的需要即 可，而无须拘泥于零件的极限尺寸。对于能够确 定典型零件的用户来说，在考虑加工零件尺寸的 同时，还需考虑装夹位置预留量和台面的承载能 力。 之 轴行程是加工范围选择中的关键参数，由 于之 轴行程长短和z 轴受切削力影响产生变形的 关系，因而在满足使用要求的前提下，之 轴行程 应尽可能短。 确定机床轴数，是采用3 轴、3 + 1 轴、3 + 2 D i e a n d Mo u l d T e c h n o l o g y N o . 3 2 0 0 6 轴或5 轴等。对于模具类零件，通常选择3 轴或 3 + 1 轴，因为轴数越多，机床刚度就越低，不利 于作重切削;对于箱体类零件，一般选用3 + 1 轴 或3 + 2 轴;对于复杂曲面，特别是A 级曲面的加 工，由于它需要在加工时刀具和被加工面的法向 一致性，往往需要采用5 轴机床进行加工。一般 J清况下，同厂家、规格、精度的机床，增加一根 标准轴，价格约增加3 5 %. 被加工件的材料对机床选择的影响，数控键 铣床一般分为重加工铣床与轻加工铣床两类，对 于钦、模具钢、高碳钢等材料的粗加工宜选用重 加工铣床，而一般钢材、铝合金、树脂材料的加 工可选用轻加工铣床。随着高速加工技术的日 益 普及，重加工铣床与轻加工铣床之间的界线己非 常模糊，但如能明确被加工材料的属性，将有益 于机床选型决策。 在精度测量时若干测量方法的不同: ( 1 )目 标点 的数量; ( 2 )测量往返次数; ( 3 )单向或双向 接近目 标点; ( 4 )精度指标及其它指标的计算方 法。如对于定位误差，有的标准只要求对于一次 双向目 标点的检测与对应实际点列之间的最大定 位偏差即定义为定位精度，而其他几种标准则运 用士3 a 分布来定义。根据工作经验，对于同一 台设备，有些标准的值相差约5 0 %. 1 . 3选择机床结构 1 . 2选择机床精度 考虑数控键铣床的价格因素，对很多用户而 言，只要条件许可就尽可能选购精度高的设备。 而由 于精度与刚度总是一对矛盾，精度越高的机 床对于材料和加工方式就越挑剔，可能很难充分 发挥它的自身价值。 数控膛铣床的精度等级选择取决于典型零件 的加工精度。涉及机床精度检验的项目有十几 种，其中最重要的是:单轴定位精度、单轴重复 定位精度、铣圆精度。 ( 1 )单轴定位精度在该轴行程内 任意一点 的定位误差范围，反映了机床的定位精度能力。 由于目 前软件的补偿能力日 趋强大，能对非随机 误差给予足够补偿，因此机床的这种精度误差已 可以逐步被软件功能所补偿。 ( 2 )重复定位精度反映了 该轴在行程内 任 意点的行程稳定性。相对与单轴定位精度，重复 定位精度对于机床选择者来说更有意义。 ( 3 )铣圆精度是用来综合评价数控机床有 关数控轴的伺服系统的跟随运动特性，是数控系 统插补功能的指标。 在设备选型时，还应注意对精度问题不同标 准的判定。目 前该领域普遍使用的欧洲标准、日 本标准、美国标准以及I S O 标准的区别主要体现 数控铣床各运动部件做高速相对运动，运动 副接合面之间会产生急剧的摩擦和发热，很高的 运动加速度会对机床产生巨大的动荷载，因此数 控铣床的结构除应具有足够的静刚度外，还必须 有很高的动刚度和热刚度。 数控铣床就其结构一般可分为以下几类: ( 1 ) 立式结构特点是刀具主轴垂直设置， 工作台做x . Y 方向 运动。由于目 前机床的高速化 趋势，机床的进给运动方案逐渐由工作台移动发 展为主轴移动，从而减少移动物体的惯量。 ( 2 )卧式结构主轴的 进给方式是水平的。 由于主轴在进给时有框架结构进行支撑，因而减 轻了运动质量，这为高速进给和提高加减速度创 造了条件。另外，卧式机床在切削过程中切屑不 断脱离加工体，有利于刀具的散热，防止 “ 闷刀” 现象的发生。对于大型覆盖件冲压模具加工来 说，该类型的机床适用面最广。 ( 3 )龙门结构对于尺寸较大的工件，往往 采用龙门结构的机床，其传统的进给运动方式 是:主轴在横梁上移动实现Y 方向进给，主轴的 上下移动实现z 方向进给， x 方向进给由工作台 来完成。但为了实现数控铣床的高速化，目 前许 多龙门机床采用动梁式结构或高架式龙门结构， 它们主要是将x 方向进给由横梁或整体龙门架来 承担，这使得机床移动副的质量变化不大，有助 于机床提高加速度以实现高速加工。 1 . 4选择主轴 电主轴是机床选型中最重要的关键单元，在 选型时应特别注意其性能、精度和寿命等要素， 其中性能是最重要的。 模 具 技 术 2 0 0 6 . N o . 3 主轴的性能指标主要有:最高转速、额定功 率、最大转矩及其相互关系。 ( 1 )转速提高机床转速是目 前机床行业的 发展趋势。高转速、小切深、大进给是高速加工 的发展方向，而且提高转速在模具行业具有重要 的现实意义，如可以以铣代磨，提高生产效率。 ( 2 )额定功率体现了机床切削能力，大功 率有益于切削加工，但盲目 求大，可能会导致性 能冗余、资金浪费。图1 所示为一种合理的电主 轴计算选择流程，图中，n为转速、V 。 为切削 线速度、d 为刀具直径、V p 为进给速度、 f l, 为每 齿进给量、之 为齿数、尸 。 为额定功率、Q为材 料切除量、 a 。 为切削宽度、 a p 为切削深度。通 过该流程， . 可以方便地获得合理的转速和额定功 率。 ( 3 )转速一功率一转矩图机床工作时对电 主轴的基本要求是低速大转矩、高速恒功率，同 时还需注意转矩功率与转速的匹配。为确保低速 转矩，在机床选型时往往采用大功率主轴，因此 同规格数控憧铣床的主轴功率往往要比普通机床 大许多。 动部件间不存在传动链，是一种 “ 零传动”进给 驱动，但此种传动方式耗能很大，且价格昂贵， 目前使用尚不十分广泛。 图 1 电主轴的计算选择流程图 1 . 5选择进给系统 现代的N C铣床对进给系统提出了新的要 求，即高速度、高加速度、高精度、高可靠性和 安全性。而传统的 “ 旋转电机+ 滚珠丝杆”结构 由于存在着刚度低、转动惯量大，难以实现闭环 控制、结构复杂、传动误差大等缺陷，无法满足 日 益增长的模具加工要求。目 前先进且实用的进 给方式主要有: ( 1 )采用新设计、新工艺、新材料对传统滚 珠丝杆副进行改造，形成新一代 “ 旋转伺服电机 + 滚珠丝杆”高速进给系统。它主要通过对丝杠 采用中空结构，并进行预拉伸处理提高丝杠刚 度，增加丝杠螺纹导程和头数，强制实施冷却、 减小发热量，采用新材料制造轴承滚珠，通过传 感器对螺母预紧力进行自 适应控制。这种系统目 前使用较为广泛，且价格便宜。 ( 2 )采用直线伺服电 机实现机床直线运动部 件的直接驱动。用新型环伺服电机实现机床旋转 部件的直接驱动。这种驱动方式使电机与机床运 综合考虑加工效率、可靠性与成本等因素， 并根据实际情况，可合理选择上述 2种进给系 统。 1 . 6选择数控系统 数控系统是数控键铣床的 “ 大脑” ，同样的 机器可以配备不同的数控系统。在设备选型中， 应注意数控系统的以下特性: ( 1 )是否为全数字化的伺服驱动; ( 2 )短程序的处理能力; ( 3 )插补能力; ( 4 )多程序段的预读能力; ( S )轮廓优化速度的控制能力; ( 6 )加速度能力; ( 7 )光滑控制能力。 目前控制系统种类繁多，如F AN UC, S I ME N S , H E I D E N H A I N等。在数控系统选型 时，应尽量选择开放式结构的系统，即N C 嵌入 P C的结构，这类结构是利用WI N D O WS 平台和 开放的D N C内核开发而成的。在选择操作系统 D i e a n d Mo u l d T e c h n o l o g y N o .3 2 0 0 6 时还应考虑到设备供应商的专长，以及用户以 往 设备的控制系统，使其尽可能统一，便于使用和 维护。 当然，数控锁铣床选型时，除了要考虑结 构、主轴、进给系统、控制系统外，还应注意供 应商品牌、价格和售后服务。在国内，目 前有不 少中小企业在设备采购时只注重价格，而忽视了 机床的性价比。很多知名度较高的设备供应商， 其本身就是机器可靠性的保证。最后，必须重视 售后服务，由于目 前数控设备在我国使用范围还 不广泛，而设备在使用过程中往往会暴露各种问 题，如果用户不能与供应商形成良好的伙伴关 系，将严重影响机床的充分使用。 将各种类似机器的特征输入知识库中。当有部门 提出采购需要时，系统可以根据相似度算法对于 新旧设备进行相似度计算，并给出合适的参考参 数和购买策略，以便于用户作出初步的判断。 参考文献: 2 结论 实践经验表明，在模具加工用数控锉铣床选 型时如能按照上文提出的六大系统进行仔细研 究，并做大量的资料总结、分类工作，最后所选 定的机床往往能最大限度地满足使用需要。对于 有的用户而言，由于公司规模和实力都比较强， 以前也采购过类似的设备，应在平时建立一套融 合案例推理和规则推理 ( C B R / R B R )的选型系统， 0.0.0.0.0.0.0.0.0.0. ( 上接第3 3 页) 行，由于杠杆原理使滑动凸模5 上行将6 个立边 翻起并校形，压力机滑块上行，上打料装置将零 件打下，气顶还原，一次工作行程结束。 I l l任家平. 精度与精度是不一样的I 7 . 制造技术与机床， 2 0 0 0 , ( 7 ) : 5 -7 . 2 l张伯霖等. 高速切削技术及应用 M . 北京: 机械工业 出版社， 2 0 0 2 . 3 陈宇晓. 数控机床的选型风险控制Ii. 设备管理与维 修， 2 0 0 4 , ( 7 ) : 4 一5 . 4 赵葛霄， 司徒忠， 李扬. 加工中心选型问 题探讨【 J . 机床与液压， 2 0 0 1 , ( 5 ) : 1 0 7 -1 0 8 . I 5 姜开宇， 陈 坤， 高苏琐等. 基于层次分析决策的模具 企业外协系统的研究Ii. 模具技术， 2 0 0 5 , ( 3 ) : 5 9 - 61 .