De strukturella egenskaperna hos högpresterande bearbetningscentra

Skillnaden mellan högpresterande bearbetningscentra och höghastighetsbearbetningscentra ligger i det faktum att de inte bara har en roterande spindel med hög hastighet, utan också designar linjära rörelsestyrningar med hög precision, spindelmotorer med hög effekt, precisionsspindellager, kulskruvar, högeffektiva servodrivmotorer och avancerade CNC-system. Därför kan bearbetningscentret bearbeta högprecisionsdelar med hög effektivitet, vilket kraftigt förbättrar marknadens konkurrenskraft.
1. Styrskena för linjär rörelse
Hastigheten och noggrannheten i bearbetningscentrets axiella rörelse är avgörande för att uppnå höghastighetsskärning. Friktionskoefficienten för en linjär rörelsestyrskena är endast 1/20 av den för en vanlig fyrkantig styrskena. På grund av det faktum att kontaktytan mellan rullarna på den linjära rörelsestyrskenan och styrskenan är mycket mindre än den för den fyrkantiga styrskenan, reduceras strömförbrukningen också till 1/20 av den för den fyrkantiga styrskenan, och det kan upprätthålla minimalt slitage under lång tid, vilket avsevärt förbättrar styrskenans livslängd. Precisionsstyrskenan för linjär rörelse har en härdad hårdhet på HRC58-62, som slipas av en precisionsstyrskenas slipmaskin. Till skillnad från vanliga fyrkantiga styrskenor har den minst en V-formad styrskena. På grund av den enkla strukturen hos de två linjära styrskenorna är det lätt att bearbeta, montera, mäta och välja lämplig rulldiameter. Den linjära rörelsestyrskenan har hög styvhet och det finns inget mellanrum mellan den och arbetsbordet, så den genererar sällan vibrationer och kan bearbeta delar med låg ytjämnhet, vilket förlänger verktygets livslängd.
2. Precisionskulskruv
Diametern och stigningen på verktygsmaskinens kulskruv påverkar direkt noggrannheten hos de bearbetade delarna, särskilt under skärförhållanden med matningshastighet. Högpresterande bearbetningscentra som använder linjära rörelsestyrningar väljer kulskruvar med en enda huvud med liten diameter och fin stigning. Vissa använder också kulskruvar med flera huvuden med grov stigning. I allmänhet antas ett transmissionsschema som använder servomotorer för att driva kulskruvar. Under driften av kulskruven ändras emellertid riktningen för det rullande elementets rotationsaxel när det rör sig i en spiralrörelse, vilket resulterar i gyroskopisk rörelse. När det gyroskopiska momentet i rörelse överstiger friktionskraften mellan kulkroppen och löpbanan kommer den rullande kroppen att glida, vilket orsakar allvarlig friktion och ökar skruvens temperatur. Samtidigt ökar vibrationer och buller, vilket förkortar skruvens livslängd och minskar överföringskvaliteten på kulskruven. En ny typ av högpresterande rullskruv, planetrullskruv, har utvecklats för att effektivt lösa ovanstående tekniska problem. Med den kontinuerliga utvecklingen av ny teknik, under ultrahöga matningsförhållanden, kommer arbetsbänkens acceleration att nå mer än 3g, så tröghetskraften hos de rörliga delarna är också ganska stor. Vid utformning av den mekaniska delen måste ansträngningar göras för att minska massan av rörliga delar och rotationströgheten hos roterande delar, vilket ytterligare förbättrar matningssystemets styvhet, känslighet och noggrannhet.
3. Kraftig verktygsmaskin spindelmotor
Bland de många faktorerna som påverkar valet av verktygsmaskinens spindelmotoreffekt, är de viktigaste spindelns avsmalning, skärmängd (skärhastighet) vald under bearbetning, delstorlek och verktygsstorlek. Att välja en stor konisk spindel kan utföra kapning med hög effekt, men ibland, för att accelerera och bromsa snabbt, kan en högeffektsmotor också användas för att driva en liten konisk spindel. För bearbetning med hög skärhastighet är det nödvändigt att välja en stor konisk spindel och en kraftfull verktygsmaskinsspindelmotor. Materialet i delarna har liten effekt på valet av spindelmotorkraften för verktygsmaskinen. Till exempel, för smide och gjutgods, krävs inte högeffektskärning. Men när man väljer att bearbeta med höga hastigheter på verktygsmaskinens spindel måste en motor med hög effekt väljas. Anledningen till att högeffektsdrivning också är nödvändig för att bearbeta stora delar är för att det kräver användning av skärverktyg med stor diameter.
4. Spindellager
Typen och skalan på spindellager måste uppfylla användningsvillkoren. Stora lager kan ge hög hållfasthet och styvhet. Stora lager har dock två nackdelar:
1) På grund av den stora massan av stora lager och den stora kontaktytan mellan lagren genereras en stor mängd värme vid höga spindelhastigheter. Långvarig exponering för en stor mängd värme kan göra att spindelstorleken ökar, vilket påverkar bearbetningsnoggrannheten.
En spindel av hög kvalitet kräver en motor med hög effekt för att driva den. Även om den inre ringen av lagret kyls med smörjolja, ökar stora lager sin belastningskapacitet och rotationströghet vid höga hastigheter, vilket resulterar i en ökning av erforderlig effekt. Speciellt när spindelhastigheten ökar ökar strömförbrukningen. Men inte all ström förbrukas vid skärning. Till exempel kan en spindel med 40 hästkrafter bara ha 15-20 hästkrafter som verkar på skärhuvudet, medan resten används för att rotera spindeln. För en högeffektsspindel kan den utöva så mycket kraft som möjligt på det skärande arbetsstycket och kan driva spindeln med den högsta hastigheten med mycket liten kraft. Effekten som appliceras på spindeln kan beräknas baserat på den maximala rotationshastigheten för spindeln under tomgångsförhållanden för att bestämma den effekt som förbrukas av verktygsmaskinen. På grund av skärning vid höga hastigheter genererar chucken och verktyget radiell avvikelse och okoncentricitet under inverkan av skärkrafter, vilket resulterar i ökade extra krafter eller obalanserade centrifugalkrafter.
2) Användningen av flera rader av lager med liten diameter påverkar inte spindelns styvhet, och det är också ganska fördelaktigt för förspänningen av spindellagren. Förbelastningen på lagren hänvisar vanligtvis till det tryck som spindeln utövar på lagren under statiska förhållanden. I allmänhet används förspänningsbelastningar för att förbättra spindelns styvhet och öka skärkapaciteten. Men på grund av det ökade trycket som verkar på lagren ökar värmealstringen, vilket också accelererar lagerslitaget. För att förbättra skärverktygets skärprestanda och förlänga dess livslängd, appliceras ett litet tryck på flerradslagren, vilket kan öka styvheten hos verktygsmaskinens spindel och uppnå ovanstående mål.
Ur ett långsiktigt perspektiv kommer marknadens efterfrågan på magnetiska, pneumatiska och hydrostatiska lager att öka kraftigt. Men för närvarande vid höghastighetsskärning är de vanligaste följande två typerna: radiella axiallager och kullager. Under vanliga spindelhastighetsförhållanden för verktygsmaskiner installeras ofta en rad kullager och en rad radiella axiallager vid spindelns främre ände, och två rader kullager är installerade i den bakre änden av spindeln. För att installera en rad kullager vid spindelns främre ände kan avsevärt förbättra spindelns styvhet och öka dess bärförmåga. Detta är avgörande för kraftig skärning. Men eftersom kullager har en större kontaktyta och är tyngre än radiella axiallager, förbrukar de mer kraft och genererar mer värme, vilket lätt kan orsaka en ökning av spindelstorleken och lägre effektutnyttjande. Höghastighetsskärning kan minska den radiella kraften som verkar på spindeln och skärverktygen. På detta sätt ger det radiella axiallagret installerat vid spindelns främre ände tillräcklig styvhet och stabilitet, vilket undviker storleksexpansion orsakad av uppvärmning av verktygsmaskinens spindel.
Rimligt val av lagermaterial är lika viktigt som typen av lager. Även om lager tillverkade av lagerstål fortfarande används i stor utsträckning, har praxis visat att användningen av keramiska lager vid höghastighetsskärning kommer att uppvisa många fördelar. Även om lager gjorda av lagerstål är billiga, är deras vikt mycket tyngre än keramiska lager med samma specifikationer. På grund av dess tunga vikt och höga värmeutveckling under höghastighetsskärning måste ett komplext kyl- och smörjsystem installeras. Samtidigt, när spindelhastigheten ökar, ökar centripetalkraften som verkar på lagret, vilket gör att lagertemperaturen stiger, vilket resulterar i en ökning av spindelstorleken, påverkar dimensionsnoggrannheten hos de bearbetade delarna och ökar den effekt som krävs för verktygsmaskinens spindel. Keramiska lager, på grund av sin lätta vikt, kommer effektivt att lösa detta tekniska problem. Skärtester har visat att hastigheten med vilken keramiska lager ökar spindelstorleken endast är 1/40 av den för lagerstållager. Anledningen är att den endast har en liten centripetalkraft som verkar på lagret vid höghastighetsskärning. Samtidigt, för att förbättra styvheten och skärförmågan hos verktygsmaskinens spindel, kan en stor förspänning också appliceras på de keramiska lagren. På grund av ovanstående egenskaper har keramiska lager en ökad livslängd.
Modern spindelteknik gör det möjligt för verktygsmaskiner att enkelt justera förspänningen som appliceras på spindellagren baserat på spindelhastigheten. När verktygsmaskinens spindelhastighet ökar, ökar också belastningen som verkar på lagret på grund av ökningen av centripetalkraften. Tvärtom minskar belastningen som verkar på lagret. Därför reduceras värmen på lagret och lagrets storleksexpansion minskas. Vid höghastighetsskärning är det naturligtvis också tillåtet att föranbringa en mycket liten belastning på lagret, så att skärkraften som verkar på verktyget är mycket liten, vilket kan minska kravet på verktygsmaskinens styvhet. Det är fortfarande nödvändigt att föranbringa en större belastning på lagren vid låga spindelhastigheter, eftersom ökad skärkraft på verktyget också ökar kraften som verkar på spindeln.
5. Spindelmotor och transmissionssystem
För närvarande finns det två anslutningsmetoder mellan verktygsmaskinens spindel och motorn, den ena är genom en rem eller växel; Den andra är direkt växellåda, vilket innebär att man kopplar spindelmotorn direkt till spindeln, eller installerar spindelmotorn och spindeln samtidigt på en kompositanordning, kallad en kompositspindel.
Fördelen med rem- eller växeltransmission är att spindelmotorn kan uppnå hög spindelhastighet även när den roterar med låg hastighet. Denna överföringsmetod är billig på grund av dess låga motorhastighet och låga ineffekt, men den har följande nackdelar: på grund av dess komplexa struktur är den utsatt för funktionsfel och obekvämt underhåll. Samtidigt kommer vibrationer också att uppstå mellan remmen, kugghjulet och spindeln. I takt med att strukturen förenklas ytterligare minskar antalet rörliga delar ytterligare, vilket också gör det möjligt för spindeln att accelerera och bromsa snabbare. Tvärtom inkluderar en rem- eller kugghjulsdriven spindel en spindel, ett axelsäte, en elmotor, en remskiva eller växel, etc. Varje komponent är sammansatt av material med olika vikt, som genererar värme på grund av friktion under höghastighetsrotation . På grund av materialens olika vikt och kraft är värmen som genereras på olika platser också olika, vilket resulterar i olika storlekar av expansion i olika delar av spindeln. I svåra fall kan det orsaka deformation av spindeln, vilket påverkar dess storlek, geometriska form etc. Den direktdrivna spindeln har å andra sidan likformig termisk deformation och kan även under ultrahöga hastigheter kylas med kylvätska genom spindelns inre hål. Därför påverkar det i princip inte spindelns noggrannhet och kan mer stabilt säkerställa bearbetningskvaliteten.
6. Kylning och smörjning
Vid skärande bearbetning, om kylvätska inte tillsätts, kommer det att göra att spindeln expanderar i storlek. För att säkerställa den höga precisionen hos verktygsmaskinens spindel är det nödvändigt att stabilt kontrollera spindeln och lagren för att ha en fast storlek. För närvarande väljer vanliga verktygsmaskiner extern kylning, intern kylning eller kombinerade interna och externa kylmetoder för att kyla spindeln och lagren enligt de olika spindelstrukturerna. Men generellt sett bör extern kyla användas så mycket som möjligt. Genom kylning leds värmen som överförs från skärhuvudet till spindeln ut i luften.
För att effektivt förbättra utnyttjandegraden av verktygsmaskiner och minska energiförbrukningen, rekommenderas att använda dimkylning eller spraykylning av oljespindelkylsystem för kylning. Speciellt för höghastighetsbearbetningsmaskiner rekommenderas det att välja spindelkylsystemet baserat på den maximala hastighet som uppnås av maskinspindeln och det material som valts för lagren. Bestäm det valda kylsystemet baserat på rotationshastigheten för verktygsmaskinens spindel och lagrens ytterdiameter. Om båda typerna av lager väljer lager av stål, rekommenderas att välja ett sprayoljekylsystem. Naturligtvis, jämfört med de två, kräver den senare en stor mängd kyl- och smörjvätska, vilket ökar verktygsmaskinens energiförbrukning.
7. CNC-system
Modern CNC-teknik tillåter verktygsmaskiner att bearbeta med en matningshastighet på 38,1 m/min. Det främsta skälet är att höga skärhastigheter kan väljas under bearbetning. Samtidigt måste verktygsmaskinen vara utrustad med höghastighets- och högupplösta servomotorer. För att säkerställa hög noggrannhet krävs dessutom att högupplösta servomotorer har förmågan att snabbt bearbeta signaler. Att ha en högupplöst servomotor utan att öka processorns arbetshastighet är förstås värdelöst. Eftersom högupplösta servomotorer har mer data att bearbeta än sina föregångare kräver de en hög hastighet för ordbehandling. Den höga hastigheten för ordgruppsbehandling kan snabbt bearbeta data och skicka pulser till servomotorn. Av denna anledning är det i allmänhet nödvändigt att konfigurera två 32-bitarsprocessorer på servomotorn för att uppfylla användningskraven och att snabbt bearbeta den stora mängd data som samlas in under bearbetningen och behovet av att snabbt utföra komplexa beräkningar på komplexa delformer vid höghastighetsbearbetning.
Vid bearbetning av stora och komplext formade flygplansdelar och plastkompressionsformar, på grund av det otillräckliga minnet i det allmänna NC-systemet, är det i allmänhet nödvändigt att först lagra dem i datorn och sedan mata in dem i NC-systemet (även känt som CNC) systemet). Naturligtvis, för delar med korta program och mindre komplexa former, kan ett typiskt NC-system uppfylla användningskraven eftersom det har en överföringshastighet på 76800 symboler per sekund. För att förbättra den snabba matningskapaciteten och bearbetningsnoggrannheten hos verktygsmaskiner är det nödvändigt att utveckla ny datormjukvara. Enligt faktiska bearbetningsbehov krävs den utvecklade mjukvaran för att uppnå hög precision i bearbetning av delar, oavsett den allmänna matningshastigheten eller höghastighetsmatningsförhållandena.
För att förbättra bearbetningsnoggrannheten för delar vid den valda matningshastigheten kan inte bara antalet verktygspassningar ökas på lämpligt sätt, utan också den nyligen utvecklade mjukvaran för geometrisk formkompensation kan säkerställa utmärkt bearbetningskvalitet med hög produktionseffektivitet. Programvara för kompensation för geometrisk form skiljer sig från programvara med hög matningshastighet. Den senare används för att öka verktygsmaskinens matningshastighet eller minska bearbetningstiden för att förbättra produktionseffektiviteten, medan den förra huvudsakligen används för att förbättra noggrannheten hos bearbetade delar. Dess huvudfunktioner är följande:
1) Interpolera accelerationen eller retardationen i förväg. Vid båginterpolationsbearbetning är det ofta en betydande skillnad mellan det sammansatta programmet och den faktiska bearbetningen, främst på grund av den ledande eller eftersläpning som orsakas av accelerationen eller retardationen av verktyget som rör sig längs axeln. Den kan kompensera för fel orsakade av accelerationen eller retardationen som genereras av verktygsrörelser.
2) Förkontrollera framåtrörelsen. Förutom bearbetningssystemet kan vissa fel i servokontrollsystemet för verktygsmaskiner också minska noggrannheten hos bearbetade delar. Det nyutvecklade styrsystemet för framåtmatning kan beräkna möjliga felvärden baserat på bearbetningsprogram, skärhastigheter, matningshastigheter etc. och kompensera för faktiska bearbetningsfel innan de uppstår.
3) Utför exakt vektorkompensation. När verktygsmaskinen utför höghastighetsbearbetning är det nödvändigt att prioritera val av lämplig matningshastighet. Erhålls vanligtvis genom att justera förstärkningsfaktorn för förstärkningsanordningen i servomotorn. När förstärkningsfaktorn som ges till framåtriktningen justeras till ett högt värde, kan spårningshastigheten för servostyrning för fel förbättras. Naturligtvis kommer en ökning av spårningshastigheten att minska stabiliteten hos servokontrollsystemet. Bristen på stabilitet i servokontrollsystemet kommer att göra att ytjämnheten hos de bearbetade delarna försämras. Ett exakt vektorkompensationssystem används för att kalibrera stora bearbetningsprogram för att selektivt öka mängden delar. Det korrigerade bearbetningsprogrammet kan stabilisera servokontrollsystemet, speciellt det stabila servokontrollsystemet i matningssystemet kan eliminera vibrationerna som gör att delarnas ytjämnhet försämras.
4) Välj lämplig retardation för hörnbearbetning. Vid tillämpning av de tre ovanstående funktionerna krävs det vanligtvis att varje rörelseaxel bromsar in i delarnas hörn för att undvika stötvibrationer som genereras av drivsystemet under snabb verktygsvarvning. Det kräver retardation till en lämplig matningshastighet inom en given tid för bearbetning.
5) För högpresterande bearbetningscentra är det inte bara nödvändigt att designa höghastighetsspindlar, utan också att designa högpresterande CNC-system, linjära styrningar med hög precision, precisionskulskruvar, lager, välja lämpliga kyl- och smörjmetoder, och gränssnitt för verktygsmaskiner/verktyg. Ovanstående teknologier har använts för att producera många högpresterande bearbetningscentra och har uppnått goda ekonomiska och sociala fördelar i praktisk produktion.