机床技术发展的新动向ppt课件

1、高速加工进一步向纵深开展高速数控加工来源于90年代初，它以电主轴实现主轴高速和以直线电机实现高直线挪动速度为主要特征，主要运用于大批量消费的轿车工业等领域。目的是力图用高主轴转速和高速直线进给运动的单主轴加工中心来替代多主轴但难以实现高主轴转速和高速进给的组合机床，从而在大批量消费中，既得到高度的柔性利于产品快速地更新换代，而又不降低消费效率。在实践消费中，一些著名的汽车厂如我国的上海通用汽车公司，曾经采用以高速加工中心组成的消费线部分替代组合机床。当前最新趋势是：继续扩展其运用范围。有的公司为.了降低本钱，不用直线电机，而采用中空通冷却液、加大直径和加大导程的滚珠丝杠；日本东芝机械那么采用中

2、空通冷却液的双滚珠丝杠来加强传动刚度。但不论采用何种方式的滚珠丝杠，其最大挪动速度普通不大于50m/min，加速度最高为0.5g1g，但是，HLLER HILLE公司的nbh110高速加工中心，由于采用了“框中框构造，使得挪动部件质量较小。因此虽然用了滚珠丝杠，其X、Y、Z轴直线速度仍可高达75m/min，加速度达1g。?高速加工运用的另一个领域是用立方氮化硼刀具进展淬硬钢的高速铣削或车削，这对.模具工业非常有利。为了追求最终的高精度，普通希望在模具淬硬以后进展精加工。在以前，对付淬硬模具独一可用的加工手段是电加工。电加工的放电烧蚀是微切屑加工，效率极低。而高速铣削淬硬钢的效率却可以高出几十倍

3、，从而成为电加工的理想替代工艺。虽然，对那些大型模具上的深而窄的槽、小曲率半径圆弧曲面和清角等高速铣削无能为力，但可以用高速铣削进展粗、半精加工，而用电加任务最后加工，这样可大大缩短模具加工周期。对那些为数众多的异形且窄而深的槽类模具，仍只能采用电加工方法。为此，电加工永远不会被完全取代。?高速铣削.淬硬钢对电加工的挑战，促使电加工机床也走向“高速化。日本Sodick公司于1999年(1996年着手研制)在世界上率先推出了直线电机取代滚珠丝杠的电火花成形机床。在IMTS2000上Sodick的电火花线切割机床和打孔机床也全部用上了直线电机。以直线运动速度为36m/min左右、分辨率为1m的直线

4、电机传动取代直线速度只需1.3m/min左右，分辨率为1m的滚珠丝杠，其传动的优越性不能直接表达在高速度上。这是由电火花机床为不断维持放电间隙的前移而又不致于短路的伺服性质所决议的。它表现为瞬时进.、瞬时停、甚至瞬时后退。由于直线电机大幅度提高了传动刚进，且有高达3000N的直线推力，因此有能够产生瞬时高加(减)速度，构成高频率瞬时的断续冲击，冲走由电蚀产生的铁屑。这样既可免除一切“冲刷(Flushing)安装，又可不断坚持最小且一致的火花间隙而到达快速的进给。从而不仅可大幅度提高效率(普通可提高40%)、精度，改善外表粗糙度，还可以处理以往由于无法处理“冲刷问题(如很难在微小且密集的电极上钻

5、“冲刷用小孔等)而不能进展电加工的问题。? 航空和宇航工业是高速加工的传统运用领域。其.缘由一是其主导资料为铝和铝合金；二是其零件常具有厚度极薄的壁和筋，刚度很差。只需高速切削时切削力很小才干对这些筋、壁进展加工。最新趋势是：近来这些行业流行采用大型整体铝合金坯料制造大型部件，如机翼、机身等，来替代多个零件，以防止众多的铆钉、螺钉和其它结合方式。这样不仅可省去昂贵的装配工时和工装，还可使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。因此，在这届IMTS2000上，美国CINCINNATI和意大利Jobs公司均展出了专门用于飞机工业的大型高速铣床(其型号分别为HyperMach和JoMach15.9)。这类

6、机床有以下特点：?(1)进一步提高主轴转速和功率：由于飞机工业采用整体坯料“掏空的方法加工零件，切削量极大。因此，主轴转速和功率可添加的空间也很大。据CINCINNATI公司称，以往在飞机工业中，主轴转速达15000r/min和22kW就是高速了。随着技术提高，先进机床已提高到40000r/min和40kW。而他们的HyperMach已提高到60000r/min和80kW，也即到达了新的高度。?(2)超长的X行程和龙门挪动：由于“机翼类为细长型零件，JoMach机床的X轴行程长达3.0m，而Y轴只需2m。据称它将被用于加工欧洲下一代战斗机“台风的机翼。HyperMach机床的X行程最长为46m

7、，Y轴也只需2m。英国Marwin公司Alumax系列机床的双面总长度达100m。如此长的X行程，只能是龙门(往往是多个龙门)挪动而不能够是任务台挪动。?(3)采用直线电机作高速直线传动：和以往航空工业大型机床用斜齿轮齿条或蜗杆条传动不同，这类高速铣床也用上了直线电机。这是为了顺应主轴超高速、特大功率和超长X行程的需求。HyperMach机床采用直线电机以后，进给速度最大达60m/m.in，快速为100m/min，加速度达2g。据CICINNATI公司称，他们在HyperMach上曾试切一件薄壁飞机零件，只花了30分钟。同样的零件在普通高速铣床上加工费时3小时，而在普通数控床需8小时。这充分显

8、示了超高速机床的威力。?Jobs公司2000年推出的另一台用于航空和模具工业的高速大型铣床LinX，为桥式规划，也运用了直线电机，最高进给速度达60m/min，加速度0.6g，主轴转速24000r/min，功率为44kW。据称，由于高速主轴和高速进给，加工时间可减少50%，机床构造还得到.简化，减少了25%的零件，从而易于维护。?以上阐明直线电机运用已从最初的汽车工业，扩展到电加工机床，航空工业和大型模具的加工。?不仅如此，这次IMTS2000展品中，板材冲压机和激光板材切割机床也运用了直线电机，如Alabama公司的激光切割机，采用直线电机后，速度为150m/min，加速度为1.3g。另外，

9、直线电机还被运用于三坐标丈量机，如Helmel公司的Mierostar HS产品，直线挪动速度达30m/min，这样，测头每分钟可作120次以上的接触丈量。 高速化另一个关键功能部件.电主轴最近有以下新进展：?(1)瑞士Fischer公司推出在电主轴部件上装有在线自动动平衡安装的产品。运用在加工中心上，每换一次刀进展一次包括刀具质量在内的自动动平衡。据称可在一秒钟内消除8090%由动不平衡所引起的振动。?(2)瑞士IBAG公司推出了静压轴承的电主轴，据称运用寿命大于2万小时。?(3)美国Ingersoll公司推出了动静压轴承的电主轴，作为一个独立部件出卖。?(4)瑞士IBAG公司推出了磁浮轴承

10、的电主轴。?(5)瑞士IBAG公司在其电主轴部件上配备轴向尺寸监测传感器，可与机.床数控系统结合进展轴向尺寸的补偿。?(6)永磁同步电机的电主轴也已出现。此前电主轴的电机均为异步感应电机。其定子发热可以冷却，而转子发热无法冷却。但永磁同步电机的转子为永久磁铁不发热。此外，同功率的同步电机外形尺寸比异步电机小，有利于实现小尺寸、大功率，也即可提高功率密度(Power Density)。但目前仅有少数机床公司(如Mazak)在研制。专业的电主轴公司尚未见有产品供应。?欧洲至少有三家著名的电主轴公司(瑞士Fischer、IBAG，德国GMN)正在抢滩美国市场，纷纷在美国建立分公司进.行销售、维修和翻

11、新等业务。缘由是电主轴的中心技术是精细加工和精细装配，对工人的技艺程度要求很高，这些正是瑞士、德国的强项；在高速运转情况下，滚动轴承的寿命均是较低的。主要失效方式为由于资料疲劳而丧失精度(电主轴精度普通为径向2m，轴向1m)。因此不具备本地维修、翻新的才干是不能够翻开市场的。一些电主轴公司建议用户购置一个备品，由于普通的维修、翻新时间为两周。这样，可把停机时间减至最小。?此外，美国Kennametal公司推出了带自动动平衡的刀柄来顺应高速化。五轴联动加工得到时兴；五轴联动和五.面加工合二为一在IMTS2000展览会上，给人们一个突出的印象是五轴联动机床比以往多，据不完全统计，约有50余台。这个

12、景象的出现，不是偶尔的，有以下深化的背景。?(1)从本质上说，对三维曲面的加工，三轴联动普通不是最正确的选择，由于在三轴联动时，普通难以用刀具的最正确几何外形进展切削，不仅效率低而且外表粗糙度极差，往往需求后续繁重的手工抛光。手工抛光可以改善外表粗糙度却往往丧失了曲面的几何准确度。为此，有的公司采用后续电火花加工，这不仅耗费较长的时间而且还要制造外形复杂的电极。?采用五轴联动，可以使.用刀具最正确几何外形来进展切削，包括可运用球头铣刀的圆弧部分(非顶端部分)进展切削。这样，不仅外表粗糙度好而且效率也大幅度提高。美国CINCINNATI公司曾经声称，一台五轴联动机床的效率等于两台三轴联动机床。特

13、别是在当前流行的立方氮化硼铣刀高速铣削淬硬钢工艺中，五轴联动比三轴联动能发扬更大的威力。所以，普通说来，五轴联动才是三维曲面加工的最正确选择。? (2)由于以下一些缘由妨碍了五轴联动的广泛运用:过去五轴联动数控系统的价钱极高，比三轴联动系统高出几倍。如今，这两种联动系统的价钱相差很小.。?过去，五轴联动的编程软件(包括编程后的检验软件)由于技术难度较大，价钱极高，普通为三轴联动编程软件的几倍。如今价钱虽仍较高，但已大幅度下降。?五轴联动除X、Y、Z以外的两个回转轴的运动有两种实现方法，一是在任务台上用复合A、C(B)轴回转任务台(以下简称复合转台)；二是采用复合A(B)、C轴的主轴头(以下简称

14、复合主轴头)。?当前，由于电主轴的出现，使得复合主轴的构造大为简化，不再需求任何弧齿锥齿轮副、齿形皮带或轮传动链等，因此制造难度大幅降低。这次IMTS2000展出的五轴联动机床大多为.复合主轴头类型。?超低速、大扭矩而又平稳地回转，历来是电机传动技术的大难题。因此，多种构造的机械减速器是必要的。但随着功率电子和微电子，特别是DSPO(数字信号处置器)芯片以及永磁资料等技术的飞跃开展，这个大难题已有所突破。最近，瑞士ETEL公司和美国KOLLMORGEN公司均推出了“无刷环形扭矩电机(Brushless Ring Torque Motor)。ETEL公司曾为一台大型天文望远镜提供一台直径达2.5

15、m，而厚度仅为40mm，扭矩达10000Nm的环形扭矩伺服电机。在回转速度小于1转./56天的条件下，仍能极为平稳均匀地回转，令人感到不可思议。该公司还在宇航工业用的多轴联动铣床上运用了直径分别为0.5m和1m的环形扭矩伺服电机来替代蜗轮蜗杆副，加工精度和外表粗糙度均大有改善。当前，这两家公司均可提供一系列尺寸和规格的环形扭矩伺服电机。以ETEL公司为例，可提供的电机外径尺寸范围由120mm至1260mm，扭矩从1Nm至18000Nm，定位精度可达0.5，反复精度可达0.01，最低转速可达0.001r/min。可以预见，在不久的未来，在复合转台和复合主轴头的A、C(B)轴伺.服传动中的蜗轮蜗杆

16、副将被这些环形伺服扭矩电机所取代。蜗轮蜗杆副、弧齿锥齿轮副将继正齿轮副之后从数控机床领域中逐渐退出。这将是又一个具有突破意义的变化。?为了顺应五轴联动加工日益普及的要求，美国TRI-TECH公司现出卖复合主轴头(型号为5411)的功能部件。从而可将现有的任何三轴联动机床变为五轴联动机床(利用7 24的锥柄和该公司提供的衔接器，可将复合主轴头与现有机床的主轴结合)，其C轴范围为360；A(B)轴为90，角度精度为0.01和反复精度为0.005。自然，现有机床必需具备五轴.联动功能的数控系统以及五轴联动编程软件。另外，该公司还可提供五轴后置处置软件。 在IMTS2000的CINCINNATI展台上

17、，展出了由德国DST公司设计制造的Z3型复合主轴头。该头采用了并联加串联的三杆机构。由于受并联机构的限制，Z3主轴头最大倾角只需40，故只能用于五轴联动，而不能用于五面加工。?以往在对大件进展五面加工时，采用双柱(龙门)式机床和可改换的垂直和程度主轴头(附件头)来实现。为此，这类机床除有刀库外，还需有一个主轴头库。横梁普通要向左侧外延一段，作为主轴滑枕交换主轴头.用。日本新日本工机在上一届IMTS展出的五面加工机床就是这样的构造。而这一届展出的不再运用交换主轴头的方式，而采用前述的复合主轴头。当A(B)轴锁在0位置时，就可进展工件程度平面的加工；C轴锁在4个90位置和A(B)轴锁在90位置时，

18、就可实现四个相互垂直平面的加工。也即用一个这样的复合主轴头，就可实现5面加工。由于C轴可锁在恣意的角度，实践上可实现不只4个而是多于或少于4个垂直平面的加工。此外，前面已提到复合主轴头还可实现轴联动加工，这使得五面和五轴加工可在同一台机床上实现，因此是另一种形.式的复合加工。这对大型模具的加工很有利。这类机床还可实现倾斜面和倒锥孔(即大头在下)的加工。无独有偶，这届IMTS上，除新日本工机外，还有多家公司展出类似的机床，称号都叫“五轴和多面加工(5-axis and multi machining)机床，即不再叫“五面加工机床了。?数控加工走向提高机床消费率的网络化将数控系统上网不是新颖事。但

19、是，以往了解上网是为了向数控系统传输加工程序，特别是大容量程序，实现远程诊断和远程维修效力等。而在IMTS2000上，日本大隈(Okuma)机床公司展出的“I.T plaza(信息技术广场，以下称“IT广场)，日本Mazak(山崎)公司展出的“Cyber Production Center(智能消费控制中心，以下简称“CPC)，日本日立精机公司展出的SEIKI Flex Link(精机柔性联接)，美国Hardinge机床公司与GE Fanuc两家展台相配合展出的“Open Factory CNC(开放工厂CNC)以及Simens公司倡导的“Open Manufacturing Environm

20、ert(开放制造环境)等都强调联网是为了进一步提.高机床消费率。大隈说，仅有好的机床和好的数控系统，还缺乏以顺该当前猛烈的市场竞争，只需“进入他们的“IT广场才干在竞争中取胜。Mazak说，在多种类小批量的条件下，一台数控机床实践上只需25%的时间在切削，在发明价值，而余下的75%时间不发明价值。他们以为只需将机床联网，且与他们的CPC联接，才有能够将切削时间由25%提升至65%。Simens公司说，要使机床得到最大的利用率，需求在其数控系统的HMI(人机接口)中装上以太网通讯卡与工厂智能网络衔接。? Mazak以为，由于以下五方面的.要素，使得机床利用率只需25%。?编程、程序编辑和试切。?

21、丈量、输入和管理刀具数据。?由于消费方案改动，机床的重新调整。?对机床消费的数量和运转情况向上级报告和监控。?对工件安装方法作出决策和寻觅夹具。?针对以上5个要素，其CPC中将以下4个软件模块无缝地集成在一同。?方案调度模块(Scheduler)?经过仿真提出最正确的多种类零件加工方案。急件插入时，进展更改方案的再次仿真，找出最正确方案进展调度。既可作出快速反响又不呵斥消费混乱，从而使资源得到优化运用。此外，该模块还可对车间数据进.行采集和分析。?工夹具管理模块(Tool Managerment)?使得刀具、夹具得到最优的运用和本钱最低。对每一种工件列出刀具、夹具清单。?机床监控模块(Machine Monitor)