单位文秘网 2021-07-04 08:22:00 点击: 次
摘 要:一个国家高速加工的技术水平,很大程度反映在高速机床的设计和制造技术上。高速机床不仅要求具有高的主轴转速,而且要求具有高的进给速度和加速度,这是实现高速加工所必需的。
关键词:高速机床;加工技术;发展
1.高速机床加工技术的发展
高速切削技术的发展经历了高速切削的理论探索、高速切削应用探索、高速切削的初步应用、高速切削的逐步成熟等阶段。高速切削技术是一项先进的制造技术,其速度一般比常规切削高出5~10倍以上。加工时间短,工效高,成本低;高速排出的切屑带走了大量的切削热,且传熟时间短、工件温升低、内应力和热变形小,精度高;切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率,工件的表面粗糙度好;可加工淬硬钢(HRC45-65),取代电加工和磨削加工;可省去切削液,实现干切削加工;可加工刚性较差的零件和薄壁零件。近年来,随着高速切削机床、刀具和相关技术的迅速发展,高速切削技术在模具、航空、航天、高速机车、汽车和机床等行业得到广泛的应用。
图1.1 日本日立精机加工中心
2.高速电主轴发展及研究
高速电主轴在高速下会因热的原因而在瞬间出现故障,甚至连警报信号都来不及发出,因此当前在国际上对高速电主轴热特性的研究己成为热点。但现有的研究大部分上都是对轴承单独建模,再把轴承发热和电机发热等因素考虑进去,不能完整地、动态地考虑轴承发热、电机发热、部件的变形等热.结构之间的相互影响。
由于高速切削机床生产率和精度要求高,其中,高速进给系统通过尽可能高的进给速度和加速度以及足够的持续迸给力或功率,来保证极高的生产率;通过尽可能高的迸给轨迹精度和几何精度来保证高精度,并且要求它不会对机床结构的动力特性和热稳定性产生持续的不利影响。这取决于高速进给系统的结构设计,元件的形式和质量,调节原理和控制系统的效能。
图2.1 高速电主轴示意图
高速主轴部件是高速机床最为关键部件之一。同时,高速主轴单元的设计是实现高速加工的最关键技术之一。早期的主轴单元结构简单,主轴由两套轴向预紧的面对面安装的圆锥滚子轴承来支承,因此具有较大的轴向和径向承载能力。该种主轴单元的速度性能受到一定的限制。高速主轴在离心力作用下产生振动和变形,高速运转时产生的摩擦热和大功率内装电机产生的熟会引起温升和热变形,将直接影响机床的最终的加工性能,因此必须对其进行严格控制。高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴等。不同类型的主轴输出功率相差较大。高速主轴要在极短的时间内完成升降速,并在指定的位置快速准停,这要求主轴具有很高的角加速度。主轴的驱动如果通过皮带等中间环节,不仅会在高速状态打滑、产生振动和噪音,而且增加了转动惯量,机床主轴快速准停非常困难。高速加工机床主轴系统在结构上几乎都是采用交流伺服电机直接驱动的集成结构形式,集成化主轴有两种形式:一种是通过联轴器把电机与主轴直接联接,另一种是把电机转子和主轴做成一体。
目前,多数高速机床主轴采用内装式电机主轴,简称“电主轴”。电主轴采用无外壳电机,将带有冷却套的电机定予装配在主轴单元的壳体内,转子和机床主轴的旋转部件做成一体,主轴的变速完全通过交流变频控制实现,将变频电机和机床主轴合二为一。
电主轴主要具有以下特点:
(1)电主轴系统取消了高精密齿轮等传动件,消除了传动误差:
(2)减小了主轴的振动和噪声,提高了主轴的回转精度。电动机内置于主轴两支承之间,可以较大地提高主轴系统的刚度,也就提高了系统的固有频率,从而提高了其临界转速,电主轴可以确保正常运行转速低于临界转速,保证高速回转时的安全;
(3)电主轴采用交流变频调速和矢量控制,具有输出功率大、调速范围宽和功率一扭矩特性好的特点;
(4)电主轴机械结构简单,转动惯量小,快速响应性好,能实现很高的速度和加速度和定角度的快速准停。高速加工的最终目的是为了提高生产率,因此要求主轴在最短的时间内实现高转速的速度变化,也就是要求主轴回转时具有极大的角加速度,达到这个要求最经济的方法就是采用电主轴。
在高速主轴单元中,由于机床既要完成粗加工,又要完成精加工,因此对主轴单元提出了较高的静刚度和工作精度要求。高速机床主轴单元的动态性能在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命,必须对高速电主轴的各个部分进行精心设计和制造。
轴壳是高速电主轴的主要部件,轴壳的尺寸精度和位置精度直接影响主轴的综合精度。通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电机定予,必须开放一端。大型或特种电主轴,可将轴壳两端均设计成开放型。高速、大功率和高速电主轴,其转子直径往往大于轴承外径,为控制整机装配精度,应将后轴承安装部分设计成无间隙配合。
转轴是高速电主轴的主要回转体,它的制造精度直接影响电主轴的最终精度。成品转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高。转轴高速运转时,由偏心质量引起的振动,将会严重影响其动态性能,必须对转轴进行严格动平衡,安装在转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡测试。
高速电主轴的核心支承部件是高速精密轴承。因电主轴的最高转速取决于轴承的大小、布置和润滑方法,所以轴承必须具有高速性能好、动负荷承载能力高、润滑性能好和发热量小等优点。应用最多的高速主轴轴承是混合陶瓷球轴承,轴承套圈仍为钢圈。混合陶瓷球轴承生产的标准化程度高,使用时对机床结构改动小,便于维护保养,特别适合高速运行场合。
高速电主轴的润滑主要是指主轴轴承的润滑,一般以脂润滑和油雾润滑两种方式為主。在Dn值较低的电主轴中,脂润滑是较常见的轴承润滑方式。采用脂润滑的高速电主轴具有结构简单、使用方便、无污染和通用性强的特点,存在的主要问题有主轴温升较高和工作寿命较短。
高速电主轴在将电能转化为机械能的同时,也有一部分转化为热能。所有这些热能无法完全通过风扇和机壳向外扩散,必须加以控制。电主轴产生的热量大部分由电机的定予产生,因此可以在电机定子外设计一个通入冷却液的套筒,用循环冷却液体吸收和带走电机产生的热量。高速电主轴的冷却系统主要依靠冷却液的循环流动来实现,流动的冷压缩空气也能起到一定的冷却作用。
电主轴的核心部件是无外壳主轴电机,正确设计电机的电磁参数是十分重要的。电机的机械特性和电气特性应满足机床在高调速范围内对功率和扭矩的要求。另外转子在高速旋转时应该有足够的强度。
结论
为了尽快推进我国高速切削加工技术的发展,要通过引进国外先进技术,进行消化吸收,掌握关键技术,生产高速加工设备,以满足国内市场的需求,缩短同国外的差距。
参考文献
[1]张伯霖,杨庆东,陈长年.高速切削技术及应用[M],北京:机械工业出版社,2003,14
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