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| 高性能高效高速數控加工機床最新發展 | |
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| 詳細信息 |
| 高性能高效高速數控加工機床多采用系列化、標準化和模塊化設計制造技術，允許用戶在標準型機床基礎上通過選配包括不同特性主軸銑頭或和電主軸在內的模塊化部件，以使同一機床能適應不同需求的HEM-HSM加工應用和自動化水平，呈現了較好的應用柔性。但對終端制造業用戶而言，這仍然是一種“專用型”的機床，因為一旦選配了某種確定特性的主軸銑頭或電主軸，這時該機床的加工能力也就被確定在某種確定的范圍內，仍然呈現為專用性的特征。 為此，機床制造商開發了可實現主軸銑頭自動交換功能的數控加工機床，以便隨時根據實際需求可自動選擇相應的主軸銑頭裝載到機床主軸上，從而有效擴展了機床的加工能力和適用性，使終端用戶真正可獲得一種“通用型”的，或者說“高性能”的高效高速數控加工機床。實際上，可交換主軸銑頭數控機床應用已有一段歷史了，不同的僅是現代此類數控加工機床的技術水平、自動化程度和可靠性更高而已。意大利JOBS公司多功能大型數控銑鏜加工中心機床JomaX系列即可作為這種三高數控加工中心機床的一典型實例。JomaX系列數控機床可根據用戶具體需求而靈活配置成3/3 2/4/5軸數控銑鏜加工中心，包括龍門固定工作臺移動結構的JomaX261、龍門移動工作臺固定結構的JomaX265和動立柱結構的JomaX269三種型號。 龍門移動立式主軸結構的JomaX265大型數控銑鏜加工中心機床具有高結構剛度，高動態特性和高精度的特點。機床X/Y/Z三直線軸行程達3，500(6，500/8，000/9，500)/3，000(4，000)/1，250(1，500)mm，速度32m/min，加速度2.5m/s2。JomaX系列機床通過基本通用主軸系統(BUSS：BasicUniversalSpindleSystem)實現主軸銑頭自動交換，因而可實現在一臺機床上不用重新裝夾定位零件就能使用不同主軸銑頭進行粗加工、半粗加工、半精加工和精加工切削，并可適應不同工件材料的HEM-HMS加工。其結果提高了零件加工生產率，提升了機床加工應用柔性，并能減少設備投資費用。JomaX系列機床可選配如下幾種基本類型主軸銑頭： (1)直銑頭：高剛性直銑頭，主軸功率30/45kW(S6：38/56kW)，轉矩955/1，430Nm(S6：1，210/1，780Nm)，最高轉速4，000r/min，刀具接口HSK-A100。用于高效率正交三軸銑鏜粗加工/半粗加工。 (2)帶C軸直角銑頭：主軸功率25/42kW(S6：31/53kW)，轉矩796/1，337Nm(S6：987/1，687Nm)，最高轉速3，000r/min，帶連續3，600旋轉軸C，速度5r/min(300/s)，刀具接口HSK-A100。用于多方向工件側面高效切削加工。 (3)雙分度銑頭TMX：帶C/A旋轉分度定位擺叉式主軸銑頭，C旋轉軸360°(±180°)，10分度，A擺動軸120°( 15°/-105°)，10分度，旋轉軸速度5r/min，電主軸功率34kW(S6：41kW)，轉矩260Nm(S6：310Nm)，基速1，250r/min，最高轉速8，000r/min，刀具接口HSK-A100。TMX可用于實現“3 2”軸高效數控加工。 (4)擺叉式主軸銑頭T2K：JOBS公司帶A/C旋轉軸擺叉式主軸銑頭，范圍較廣，包括不同類型的帶旋轉軸的高功率高轉矩機械驅動主軸銑頭，或帶雙旋轉軸的高速電主軸銑頭，諸如T2D-T3D，T2K-T3K，TMXP等等。 JomaX265機床標配為： (1)強力銑頭T2K-2-P：一種高功率高轉矩擺叉式主軸銑頭，用于五軸聯動數控加工，配置有集成化電主軸，功率42kW(S6：53kW)，轉矩1，340Nm(S6：1，687Nm)，基本轉速300r/min，最高轉速4，000r/min，C軸360°連續，A軸220°(±110°)，旋轉軸速度5r/min(30°/s)，刀具接口HSK-A100。 (2)高速銑頭T2K-EP：一種高功率高轉速擺叉式主軸銑頭，C軸3600連續，A軸190°( 100°/-90°)，旋轉軸速度5r/min(30°/s)，主軸功率34kW(S6：41kW)，轉矩260Nm(S6：310Nm)，基速1，250r/min，最高轉速8，000r/min，刀具接口HSK-A100。 而在JomaX245機床上則標配為： (1)強力銑頭T2K-P：功率37.5kW(S6：45kW)，轉矩940Nm(S6：1145Nm)，最高轉速4，000r/min，C軸360°連續，A軸220°(±110°)，旋轉軸速度5r/min，刀具接口ISO50。 (2)高速銑頭T2K-S：C軸360°連續，A軸190°( 100°/-90°)，旋轉軸速度5r/min，主軸功率34kW(S6：40kW)，轉矩169Nm(S6：200Nm)，最高轉速8，000r/min，刀具接口HSK-A100。 (3)高速銑頭T2K-S：C軸3600連續，A軸190°( 100°/-90°)，旋轉軸速度5r/min，主軸功率34kW(S6：40kW)，轉矩51Nm(S6：56Nm)，最高轉速18，000r/min，刀具接口HSK-A63。 據報道，大眾汽車公司在斯克達工廠裝備有由兩臺帶BUSS系統的JOMACH245數控銑鏜加工中心機床組成的托盤化加工單元，每臺數控機床帶有6個可交換主軸銑頭、6個托盤站和容量32把的在機刀庫。通過BUSS系統，就可在該加工單元內高效地完成大型模具的粗加工、半粗加工、半精加工和精加工切削。JOMACH245機床45kW的高剛性直銑頭，允許使用直徑超過100mm刀具進行零件2D高效粗加工與半粗加工，直角銑頭可對模具側面實現加工，用于五軸聯動加工的強力主軸銑頭可使用合適的端銑刀進行模具3D型面的高效粗加工與半粗加工，而用于五軸聯動加工的高速主軸銑頭(18，000r/min)可進行模具高速半精加工與精加工。 實際上，JOBS公司還有許多主軸銑頭產品可供用戶選擇，包括不同類型的帶旋轉軸的高功率高轉矩機械驅動主軸銑頭和帶雙旋轉軸的高速電主軸銑頭，主軸功率高達85kW，轉速達27，000r/min并在該公司其它數控機床上得到了應用。如JOBS公司新近推出的臥式動立柱結構的JomaX269大型高速數控強力銑削加工中心機床，見右圖，配置有兩種主軸銑頭的BUSS，一種為機械驅動的可帶或不帶A/C旋轉軸的強力主軸銑頭，最大功率75kW，轉矩2，500Nm，刀具接口HSK-A100；另一種為帶A/C旋轉軸的高速主軸銑頭，其最高轉速15，000～27，000r/min，刀具接口HSK-A63。同時，用于五軸加工的主軸銑頭，其A/C轉軸的驅動轉矩高達10，500Nm。這兒就不一一列舉了。 據報道，中國武漢重型機床集團有限公司已引進了JOMAX265數控銑鏜加工中心機床，并和意大利JOBS公司合作在中國國內生產JOMAX265機床。 德國著名數控機床制造商DST集團公司旗下Droop Rein推出的FOGSD40/M30高架龍門移動式高速數控MC機床也可配置主軸銑頭自動交換功能而擴展其切削加工能力，成為三高五軸數控MC機床能實現零件一次裝夾后完成全部粗精復合加工。其中，FOGSD40C機床標準配置連續B/C旋轉軸的擺叉式主軸銑頭，是一種完全由控制刀具運動實現五軸聯動數控加工；B擺動軸 110°/-10°，轉速10r/min，轉矩8，000Nm，夾緊力矩12，000Nm，C旋轉軸±2000，轉速10r/min，轉矩8，000Nm，夾緊力矩20，000Nm。而FOGSD40P機床標準配置為分度定位B/C旋轉軸的擺叉式主軸銑頭，可實現“3 2”軸多面體工件數控加工，B/C擺動軸0.001°/0.001°分度，夾緊力矩12，000Nm/25，000Nm。該機床選配的可交換的主軸銑頭選件如下表所示，且最終可由用戶自行定制。當機床配置的可交換主軸銑頭為MFS擺叉式銑頭時，可配多種不同功率/轉矩-轉速特性的集成化筒芯電主軸，則能實現拾取式自動可互換電主軸功能，見下表。有關自動可互換電主軸技術稍后即將介紹與討論。 據報道，日本汽車制造企業本田公司就購置有FOGSD40高速數控MC機床，用于汽車鈑金構件拉伸模具的高效加工。該機床X/Y/Z三線性軸加工范圍達6，800/3，500/1，500mm，配置有40kW，5，000r/min擺叉式主軸銑頭和可自動交換主軸銑頭/電主軸。 美國MAGCincinnati公司通用型五軸高效高速數控MC機床U5每1500也可作為這類三高數控加工機床的另一個典型實例。 U5-1500五軸高效高速數控MC機床可用于大型鋁合金、鋼、鈦合金以及特殊難加工材零件的五面或五軸聯動HEM-HSM切削加工。該機床X/Y/Z工作行程可達4.6/2.5(3.7)/1(1.5)m，且X軸可按需求擴長。機床配有主軸銑頭自動交換功能，可交換的主軸頭存放在靠近工作區的單獨的頭架上，交換時間僅需約2min。因此，用戶通過配置若干確定用途的主軸銑頭，便可覆蓋實際加工需求的范圍，不僅擴展了設備加工應用領域，而且提高了設備產出率。U5-1500機床標準設計為可配置兩種類型的帶C軸(3600連續)和A軸( 100°～-90°)主軸銑頭： (1)主軸連續功率30kW，轉矩850Nm，基速340r/min，最高轉速4，000或6，000r/min，刀具接口ISO50，可用于鈦合金等硬金屬材HEM-HSM加工，或可用于粗加工/半粗加工高效切削。同時，最高轉速6，000r/min的主軸銑頭可以為立式的或為臥式的結構。 (2)主軸連續功率30kW，轉矩57Nm，基速5，000r/min，最高轉速15，000或24，000r/min，刀具接口HSK-A63，可用于鋁合金等輕金屬材HMS切削加工。 如美國ADI(AerospaceDynamicsInternational)公司就購置了2臺五軸加工中心U5-1500用于Boeing777和F-35軍機的鋁合金材、鈦合金材和復合材料結構件的高效高速加工。此外，用戶還可配置更大功率/轉矩的主軸銑頭：功率52kW，轉矩2，400Nm，基速200r/min，最高轉速2，500r/min，專用于鈦合金等硬金屬材粗加工/半粗加工高效切削。 許多數控機床制造商，如意大利Parpas公司XS系列大型高速龍門數控銑削中心機床，德國HTMANN公司的UBZ-NT-G五軸橋式龍門加工中心機床，DMG600U龍門加工中心機床等都能提供主軸銑頭自動交換，本文限于篇幅對此不作進一步的討論。 可互換電主軸的三高數控加工機床 傳統高速電主軸主要在諸如鋁合金等輕合金材的高速切削加工中得到了廣泛應用。近幾年，隨高功率高轉矩電主軸技術的發展與進步，高功率高轉矩高速電主軸不僅在硬合金材切削加工專用設備上得到實際應用，同時也在高性能高效高速數控加工機床上得到越來越多的實際應用。 在高速數控加工機床上，應用兩個或兩個以上不同特性的高速電主軸構成一組特定的電主軸組合，當需要時將自動選擇所需要的電主軸裝載到主軸銑頭上，以適應粗加工、半粗加工、半精加工和精加工的不同應用需求，或者適應不同工件材料加工時之不同應用需求。這即為可互換電主軸的三高數控加工機床。 意大利JOBS公司推出并在其JomaX、Jomach和LinX系列產品中都得到實際應用的可互換電主軸系統JIMS(JOBSInterchangeableMotorspindleSystem)可作為一典型實例。如JOBS公司Jomach156高架龍門移動式五軸數控加工中心機床其主軸標準配置即為JIMS系統，能實現多種筒芯電主軸半自動互換的三高數控加工中心。Jomach156數控機床設計有帶A/C旋轉軸的擺叉式主軸銑頭，A旋轉軸行程 100°～-90°，C旋轉軸行程±200°，A/C軸轉速10r/min，驅動轉矩1，700Nm，配置有集成化電主軸，通過JIMS系統可實現電主軸的半自動更換，擴展了機床粗精多工序或適應多工件材料的切削加工能力，從而可實現“一次裝夾完成加工”的加工工藝策略。 Jomach156機床JIMS系統可配置4種不同特性的電主軸，見下表。JIMS系統通過選用不同的電主軸可覆蓋了800～24，000r/min和50～300Nm加工轉速/轉矩范圍，選用相對低速高轉矩電主軸(如TO824或TV823)可用于諸如鋁合金等輕合金材進行所有3D型面的高效粗/半粗加工(HEM)，而選用相對高功率高速低轉矩電主軸(如TV827或TV826)實現高速半精/精加工(HSM)，從而實現在一臺設備上一次裝夾工件完成粗精工序全部切削加工。同時，前者還可用于諸如鋼/鈦合金等硬合金材進行HEM-HSM切削加工。 如前所述，德國DST集團公司的FOGS系列(包括FOGS、FOGSD40和FOGSM30)高架龍門移動式高速數控MC機床，當其配置MFS擺叉式銑頭時，即可配置電主軸自動互換系統，以實現一次裝夾完成粗精復合加工的工藝策略。 緊湊型三高數控加工機床 如前所述，為實現高性能高效高速切削加工技術，機床制造商開發了具有可交換主軸銑頭/電主軸筒芯技術的三高數控加工機床，較好地滿足了一些用戶對通用型數控加工機床的實際需求。可自動交換主軸銑頭，或可互換電主軸系統的高性能高效高速數控加工機床固然具有許多優勢，但也還存在有如下幾個問題： (1)對確定的機床主軸而言，高功率高轉矩通常就意味著較低轉速，而高功率高轉速則就意味著較低轉矩，前者多應用在粗加工/半粗加工或硬合金材切削加工場合，而后者多應用在半精加工/精加工或輕合金材切削加工場合，為融合集成這兩種不同切削加工應用，擴展機床加工能力，就需要使用多個不同特性的主軸銑頭/電主軸組合應用才有可能，而這意味要增加設備費用。 (2)無論是可交換主軸銑頭或還是可互換電主軸幾乎均需采用“拾取式”交換技術，這就要求機床一般應具有較大的可工作空間，以作為主軸銑頭/電主軸預存放與自動交換，這對許多一般大中型數控加工中心機床應用存在有明顯局限性。 (3)主軸銑頭/電主軸利用率低。典型高性能高效高速數控加工機床所預存放的主軸頭或電主軸，只有被裝上主軸時才被用于切削加工之用，導致主軸頭或電主軸利用率低，制造資源浪費嚴重。 如果存在有一種主軸電機其功率/轉矩-轉速特性曲線若能覆蓋前述多個主軸電機特性范圍，則就可用一個主軸頭來取代多個主軸頭。從金屬切削原理可知，對數控加工機床主軸有： P=T×n/9555 這兒，P：主軸切削功率，kW；T：主軸切削轉矩，Nm；n：主軸轉速，r/min。 從上式可看出，在確定的主軸功率場合下，主軸切削轉矩和轉速互為制約的。這也正是前面所討論的高功率高轉矩通常就意味著較低轉速，而高功率高轉速則就意味著較低轉矩的緣故。但也存在有這樣一種情況：當主軸功率確定且足夠高時，如果能同時獲得較高轉矩與最大轉速，并具有足夠寬的可調速范圍，則就有可能兼顧滿足粗精加工或/和硬輕合金材加工之需求。 這就是說，如果在數控加工機床上使用一種高功率高轉矩高轉速寬調速范圍的單一主軸銑頭則可較好地解決上述所討論的若干問題。隨高轉矩高速電主軸技術的發展與進步，設計制造一種高功率高轉矩高轉速寬調速范圍的電主軸已有可能，一些著名電主軸制造商已推出了高功率高轉矩高轉速電主軸以適應機床制造商的需求。為此，一些數控機床制造商推出了配置有單一高功率高轉矩高轉速電主軸的緊湊型三高數控加工機床。 目前，在緊湊型三高數控加工機床上使用的高功率高轉矩高轉速電主軸，其最高轉速多在10，000～18，000r/min，最大轉矩多為200～500Nm，基速多為1，000～2，000r/min。法國Huron(尤龍)公司新近推出的精密高效高速立式五軸數控龍門銑削中心KX200可作為緊湊型三高數控加工機床的一個典型實例。該機床X/Y/Z軸行程達3，300/2，300/1，000mm，工作臺面為3，500×1，250mm。為提高機床結構剛性，采用固定龍門結構，且僅由工作臺與底座、整體橋式龍門以及主軸銑頭與滑枕三大部件組成。特別設計的大厚度整體橋式龍門結構具有良好吸振性，確保加工過程穩定性、高剛性和高精度。KX200機床主軸銑頭設計為帶B/C軸并集成有電主軸的擺叉式銑頭；B/C軸由力矩電機直接驅動，B軸±95°，C軸±190°；電主軸連續功率達70kW(S6：86kW)，轉矩190Nm(S6：235Nm)，基速3，500r/min，在最高轉速12000r/min時其轉矩仍超過50Nm。XYZ三直線軸全長定位精度7μm，重復定位精度4μm，旋轉軸定位精度7”，重復定位精度4”。X/Y/Z直線軸快速進給速度為25/40/40m?min-1，加速度7m/s2，旋轉軸速度30r/min，加速度6°/s2。 因此，該機床可實現高功率、高速度和高精度的良好集成，可用于HEM-HSM加工鈦和高強度鋼等多種硬金屬材，也可用于加工鋁合金材，在歐洲許多航空飛機制造廠中得到了廣泛實際應用。 基于該機床電主軸功率/轉矩每轉速特性曲線，根據工件材料與刀具實際直徑作為粗/半粗加工的HEM加工時可選擇使用主軸轉速2，000～5，000r/min，而作為半精/精加工的HSM加工可選擇使用主軸轉速6，000～11，500r/min范圍。 上圖為意大利大型數控機床制造商Parpas公司為航宇和模具制造業推出的高性能大型高架龍門移動式五軸數控銑削中心機床XS，其XYZ軸行程可達3，000～20，000mm、2，500/3，000/3，500mm和1，250/1，500mm。該機床設計有帶A/C兩旋轉軸集成化電主軸銑頭，主軸連續功率50kW，轉矩265Nm，基速1，800r/min，最高轉速15，000r/min。和法國Huron公司KX200機床電主軸相比，具有更大的轉矩和更高的轉速。該機床是為完全通過刀具運動數字控制實現五軸聯動，X/Y/Z軸進給速度高達60/40/40m?min-1，A/C軸達40r/min，且在最高轉速15，000r/min時其轉矩仍超過30Nm。 同樣，該機床可用于加工鋁合金等輕合金材，也可用于加工鈦合金等硬合金材。同時，基于該機床電主軸功率/轉矩每轉速特性曲線，根據工件材料與刀具實際直徑當作為粗/半粗加工的HEM加工時可選擇使用主軸轉速800～4，500r/min，而作為半精/精加工的HSM加工可選擇使用主軸轉速5，000～14，000r/min范圍。 (來源：中國機械與金屬) |
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