淺析高性能加工中心的結構特點

　　摘 要： 高性能加工中心與高速加工中心的區別在于它除有一個能高速旋轉的主軸外，還設計了高精度的直線運動導軌、大功率主軸電機、精密主軸軸承、滾珠絲杠、高效伺服驅動電機和先進的數控系統等。因而使加工中心在高效率下加工出高精度的零件，大大提高市場競爭力。
　　關鍵詞： 高性能 加工中心 結構特點
　　
　　Mazak公司的JoeKraemer工學博士曾提出“高性能加工中心”的新概念。他著重強調了加工中心切削速度與加工零件精度的同時提高，它比高速切削機床更合理、更全面地反映了現代制造技術目前的發展方向。
　　高性能加工中心與高速加工中心的區別在于它除有一個能高速旋轉的主軸外，還設計了高精度的直線運動導軌、大功率主軸電機、精密主軸軸承、滾珠絲杠、高效伺服驅動電機和先進的CNC系統等。因而使加工中心在高效率下加工出高精度的零件，大大提高市場競爭力。
　　1.直線運動導軌
　　機床的各軸向運動的速度和精度，對實現高速切削至關重要。JoeKraemer博士在為高性能加工中心下定義時指出，在機床主軸轉速與刀具系統不變和保證滿足加工零件精度的前提下，如果各軸向運動不能達到f＝7.62-11.43m/min的進給速度，就不能稱之為高性能加工中心。但是要達到如此高的進給速度，則采用普通機床的方形導軌是遠遠不能實現的，必須選用直線運動導軌。試驗證明，直線運動導軌的摩擦系數僅為普通方形導軌的1/20。由于直線運動導軌的滾柱與導軌間的接觸面積遠遠小于方形導軌，因此使功率消耗也降低為方形導軌的1/20，且能保持長時間的很少磨損，大大提高導軌的使用壽命。精密的直線運動導軌具有一個淬火硬度為HRC58-62的經精密導軌磨床磨削的V型直線形導軌，直線形導軌的結構簡單，因此，容易加工、裝配、測量，以及能選擇合適的滾柱直徑等。
　　直線運動導軌具有高的剛度，與相互運動體之間無間隙存在，因而很少產生振動，能加工出低表面粗糙度的零件表面，延長刀具的使用壽命。THK獨自研制開發的LM滾動直線導軌副，由于改進了鋼球接觸部的形狀，采用近似鋼球直徑的曲率半徑的R溝槽形狀，使得鋼球接觸面的容許負荷增加了十幾倍，而且能長時間保持高精度狀態，運行2000Km后，磨損量僅為0.5Mm。正是由于其高剛性，并能實現高速進給，廣泛應用于高速加工機床。
　　2.精密滾珠絲杠和直線電機
　　加工中心的滾珠絲杠精度，以及直徑和螺距的大小直接影響加工中心的性能，尤其是在采用直線運動導軌的高性能加工中心都選擇高精度和大直徑大螺距的單頭滾珠絲杠。
　　競爭促進技術發展的典型例子莫過于THK美國公司的驅動速度可達200m/min的高速滾珠絲杠。一般認為滾珠絲杠傳動達到90m/min就不容易了，再快只能用直線電機驅動了。THK公司采用多種技術措施來提高滾珠絲杠的驅動速度：用特殊工程塑料做滾珠隔離架，既隔開滾珠，避免珠子間的摩擦，又起潤滑作用；為消除熱影響，絲杠為中空通冷卻液；為消除高速振動，中空絲杠內填阻尼材料，以提高阻尼特性。這是目前見到的驅動速度最快的滾珠絲杠。
　　大功率直線伺服電機，直接驅動工作臺作直線運動，并與由碳素纖維增強塑料制成的輕型結構工作臺和直線滾動導軌副匹配，實現高進給速度和高精度加工。
　　3.主軸軸承
　　從長遠的觀點上看，對磁力、氣動和靜壓軸承的市場需求量將會大大增加。但是，目前在高速機床中，最常用的還是組合式的向心推力滾珠軸承。在標準的機床主軸轉速條件下，在主軸前端經常安裝三排組合式的向心推力滾珠軸承，在主軸后端安裝兩排滾珠軸承。因為在主軸前端安裝三排組合式的向心止推滾珠軸承能極好地提高主軸剛度增加主軸的承載能力，這一點對于重載切削至關重要。
　　合理地選擇軸承材料同軸承種類同樣重要。雖然由軸承鋼制成的軸承目前仍被廣泛使用，但實踐證明，高速切削使用陶瓷軸承將表現出許多優點。盡管軸承鋼制成的軸承價格便宜，但其重量遠比同樣規格的陶瓷軸承重得多，由于重量重，高速切削中發熱量大，必須配置復雜的冷卻潤滑系統。同時隨著主軸轉速的提高，使作用在軸承上的向心力增大，使軸承溫度升高，引起主軸尺寸增大，影響加工零件的尺寸精度，使機床主軸所需功率增加。陶瓷軸承由于重量輕，將較好地解決這一技術難題。為了提高機床主軸剛度和切削能力，在陶瓷軸承上還可施加很大的預加載荷。由于陶瓷軸承有以上特點，因而使其使用壽命增長。
　　4.冷卻、潤滑及密封技術
　　高速機床容易產生較高溫度，如果不進行冷卻，將會引起熱變形。如為保證機床主軸的高精度，就必須穩定地控制主軸和軸承的溫度。目前，機床根據主軸結構不同，選擇外冷方式、內冷方式或內外共同冷卻方式對主軸、軸承進行冷卻。為達到高速，潤滑技術也得到發展，美國SETCO公司采用Kluber-speed BF72-22合成潤滑脂對精密主軸組潤滑，可達到極高的速度，其速度系數可達到dn值2000000以上。
　　精密主軸常常由于污物的進入，造成主軸的失效，原因是應為密封不好。美國SETCO公司開發了新型專利“SETCO AisShield”空氣隔離密封，集成了摩擦密封和迷宮式密封的優點。壓縮空氣切向送入固定前軸承座的循環槽，與主軸一起構成一個封閉的迷宮，空氣在槽內環繞主軸流動，該密封方式可使軸承壽命提高3倍。
　　5.數控系統
　　微電子技術的飛速發展，為數控系統向小型化和高集成化發展提供條件，系統的運算速度和操作界面也有了很大的改進，數控系統向高速、高精度和易操作的方向發展。
　　主要有以下特點：
　　（1）納米插補：為了減少插補的輪廓誤差，FANUC開發了納米級的插補功能，使數控系統在進行插補運算時采用1nm的精度進行運算，并以1nm的當量控制伺服電機的運行，系統的插補精度在1/1000000mm精度下運行，大幅度降低了系統的誤差。
　　（2）加速度控制（JERK）：機床在加速度變化時，會造成機床振動，影響加工精度。采用了加加速度控制功能后，會自動對進給速度處理，使本來為單位脈沖函數的加加速度變成一定時間內加加速度變化的函數，減少機床的振動。
　　（3）編程導入功能（manual guide I）：該功能改變了傳統的使用G代碼的形式，而采用圖形對話編程的形式，提供大量的輔助編程、計算的對話畫面，使系統更容易操作。
　　綜上所述，對高性能加工中心，不僅需設計出高轉速的主軸，還需有高性能CNC系統、高精度直線導軌、精密滾珠絲杠、軸承、選擇合適的冷卻潤滑方式、機床/刀具接口等。上述技術目前已用于許多高性能機床的生產實際，并取得了很好的經濟與社會效益。
　　
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