论文部分内容阅读
摘 要： 高性能加工中心与高速加工中心的区别在于它除有一个能高速旋转的主轴外，还设计了高精度的直线运动导轨、大功率主轴电机、精密主轴轴承、滚珠丝杠、高效伺服驱动电机和先进的数控系统等。因而使加工中心在高效率下加工出高精度的零件，大大提高市场竞争力。
关键词： 高性能 加工中心 结构特点
Mazak公司的JoeKraemer工学博士曾提出“高性能加工中心”的新概念。他着重强调了加工中心切削速度与加工零件精度的同时提高，它比高速切削机床更合理、更全面地反映了现代制造技术目前的发展方向。
高性能加工中心与高速加工中心的区别在于它除有一个能高速旋转的主轴外，还设计了高精度的直线运动导轨、大功率主轴电机、精密主轴轴承、滚珠丝杠、高效伺服驱动电机和先进的CNC系统等。因而使加工中心在高效率下加工出高精度的零件，大大提高市场竞争力。
1.直线运动导轨
机床的各轴向运动的速度和精度，对实现高速切削至关重要。JoeKraemer博士在为高性能加工中心下定义时指出，在机床主轴转速与刀具系统不变和保证满足加工零件精度的前提下，如果各轴向运动不能达到f＝7.62-11.43m/min的进给速度，就不能称之为高性能加工中心。但是要达到如此高的进给速度，则采用普通机床的方形导轨是远远不能实现的，必须选用直线运动导轨。试验证明，直线运动导轨的摩擦系数仅为普通方形导轨的1/20。由于直线运动导轨的滚柱与导轨间的接触面积远远小于方形导轨，因此使功率消耗也降低为方形导轨的1/20，且能保持长时间的很少磨损，大大提高导轨的使用寿命。精密的直线运动导轨具有一个淬火硬度为HRC58-62的经精密导轨磨床磨削的V型直线形导轨，直线形导轨的结构简单，因此，容易加工、装配、测量，以及能选择合适的滚柱直径等。
直线运动导轨具有高的刚度，与相互运动体之间无间隙存在，因而很少产生振动，能加工出低表面粗糙度的零件表面，延长刀具的使用寿命。THK独自研制开发的LM滚动直线导轨副，由于改进了钢球接触部的形状，采用近似钢球直径的曲率半径的R沟槽形状，使得钢球接触面的容许负荷增加了十几倍，而且能长时间保持高精度状态，运行2000Km后，磨损量仅为0.5Mm。正是由于其高刚性，并能实现高速进给，广泛应用于高速加工机床。
2.精密滚珠丝杠和直线电机
加工中心的滚珠丝杠精度，以及直径和螺距的大小直接影响加工中心的性能，尤其是在采用直线运动导轨的高性能加工中心都选择高精度和大直径大螺距的单头滚珠丝杠。
竞争促进技术发展的典型例子莫过于THK美国公司的驱动速度可达200m/min的高速滚珠丝杠。一般认为滚珠丝杠传动达到90m/min就不容易了，再快只能用直线电机驱动了。THK公司采用多种技术措施来提高滚珠丝杠的驱动速度：用特殊工程塑料做滚珠隔离架，既隔开滚珠，避免珠子间的摩擦，又起润滑作用；为消除热影响，丝杠为中空通冷却液；为消除高速振动，中空丝杠内填阻尼材料，以提高阻尼特性。这是目前见到的驱动速度最快的滚珠丝杠。
大功率直线伺服电机，直接驱动工作台作直线运动，并与由碳素纤维增强塑料制成的轻型结构工作台和直线滚动导轨副匹配，实现高进给速度和高精度加工。
3.主轴轴承
从长远的观点上看，对磁力、气动和静压轴承的市场需求量将会大大增加。但是，目前在高速机床中，最常用的还是组合式的向心推力滚珠轴承。在标准的机床主轴转速条件下，在主轴前端经常安装三排组合式的向心推力滚珠轴承，在主轴后端安装两排滚珠轴承。因为在主轴前端安装三排组合式的向心止推滚珠轴承能极好地提高主轴刚度增加主轴的承载能力，这一点对于重载切削至关重要。
合理地选择轴承材料同轴承种类同样重要。虽然由轴承钢制成的轴承目前仍被广泛使用，但实践证明，高速切削使用陶瓷轴承将表现出许多优点。尽管轴承钢制成的轴承价格便宜，但其重量远比同样规格的陶瓷轴承重得多，由于重量重，高速切削中发热量大，必须配置复杂的冷却润滑系统。同时随着主轴转速的提高，使作用在轴承上的向心力增大，使轴承温度升高，引起主轴尺寸增大，影响加工零件的尺寸精度，使机床主轴所需功率增加。陶瓷轴承由于重量轻，将较好地解决这一技术难题。为了提高机床主轴刚度和切削能力，在陶瓷轴承上还可施加很大的预加载荷。由于陶瓷轴承有以上特点，因而使其使用寿命增长。
4.冷却、润滑及密封技术
高速机床容易产生较高温度，如果不进行冷却，将会引起热变形。如为保证机床主轴的高精度，就必须稳定地控制主轴和轴承的温度。目前，机床根据主轴结构不同，选择外冷方式、内冷方式或内外共同冷却方式对主轴、轴承进行冷却。为达到高速，润滑技术也得到发展，美国SETCO公司采用Kluber-speed BF72-22合成润滑脂对精密主轴组润滑，可达到极高的速度，其速度系数可达到dn值2000000以上。
精密主轴常常由于污物的进入，造成主轴的失效，原因是应为密封不好。美国SETCO公司开发了新型专利“SETCO AisShield”空气隔离密封，集成了摩擦密封和迷宫式密封的优点。压缩空气切向送入固定前轴承座的循环槽，与主轴一起构成一个封闭的迷宫，空气在槽内环绕主轴流动，该密封方式可使轴承寿命提高3倍。
5.数控系统
微电子技术的飞速发展，为数控系统向小型化和高集成化发展提供条件，系统的运算速度和操作界面也有了很大的改进，数控系统向高速、高精度和易操作的方向发展。
主要有以下特点：
（1）纳米插补：为了减少插补的轮廓误差，FANUC开发了纳米级的插补功能，使数控系统在进行插补运算时采用1nm的精度进行运算，并以1nm的当量控制伺服电机的运行，系统的插补精度在1/1000000mm精度下运行，大幅度降低了系统的误差。
（2）加速度控制（JERK）：机床在加速度变化时，会造成机床振动，影响加工精度。采用了加加速度控制功能后，会自动对进给速度处理，使本来为单位脉冲函数的加加速度变成一定时间内加加速度变化的函数，减少机床的振动。
（3）编程导入功能（manual guide I）：该功能改变了传统的使用G代码的形式，而采用图形对话编程的形式，提供大量的辅助编程、计算的对话画面，使系统更容易操作。
综上所述，对高性能加工中心，不仅需设计出高转速的主轴，还需有高性能CNC系统、高精度直线导轨、精密滚珠丝杠、轴承、选择合适的冷却润滑方式、机床/刀具接口等。上述技术目前已用于许多高性能机床的生产实际，并取得了很好的经济与社会效益。
参考文献：
［1］张江华.TK7640数控铣镗床的运动误差分析及其补偿（硕士论文），2007.
［2］畅越星.数控落地铣镗床主轴箱动力学分析与结构设计研究（硕士论文），2007.
［3］李军华.数控机床主传动齿轮综合啮合刚度研究（硕士论文），2007.
［4］张利平主编.液压气动技术速查手册.北京：化学工业出版社，2006.
［5］姜华.高速精密卧式加工中心开发的关键技术研究（博士论文），2007.
［6］王跃宏.对我国高档重型数控铣镗床现状与发展的评述.
［7］段峰.多功能数控铣床原型机设计（硕士论文），2003.
关键词： 高性能 加工中心 结构特点
Mazak公司的JoeKraemer工学博士曾提出“高性能加工中心”的新概念。他着重强调了加工中心切削速度与加工零件精度的同时提高，它比高速切削机床更合理、更全面地反映了现代制造技术目前的发展方向。
高性能加工中心与高速加工中心的区别在于它除有一个能高速旋转的主轴外，还设计了高精度的直线运动导轨、大功率主轴电机、精密主轴轴承、滚珠丝杠、高效伺服驱动电机和先进的CNC系统等。因而使加工中心在高效率下加工出高精度的零件，大大提高市场竞争力。
1.直线运动导轨
机床的各轴向运动的速度和精度，对实现高速切削至关重要。JoeKraemer博士在为高性能加工中心下定义时指出，在机床主轴转速与刀具系统不变和保证满足加工零件精度的前提下，如果各轴向运动不能达到f＝7.62-11.43m/min的进给速度，就不能称之为高性能加工中心。但是要达到如此高的进给速度，则采用普通机床的方形导轨是远远不能实现的，必须选用直线运动导轨。试验证明，直线运动导轨的摩擦系数仅为普通方形导轨的1/20。由于直线运动导轨的滚柱与导轨间的接触面积远远小于方形导轨，因此使功率消耗也降低为方形导轨的1/20，且能保持长时间的很少磨损，大大提高导轨的使用寿命。精密的直线运动导轨具有一个淬火硬度为HRC58-62的经精密导轨磨床磨削的V型直线形导轨，直线形导轨的结构简单，因此，容易加工、装配、测量，以及能选择合适的滚柱直径等。
直线运动导轨具有高的刚度，与相互运动体之间无间隙存在，因而很少产生振动，能加工出低表面粗糙度的零件表面，延长刀具的使用寿命。THK独自研制开发的LM滚动直线导轨副，由于改进了钢球接触部的形状，采用近似钢球直径的曲率半径的R沟槽形状，使得钢球接触面的容许负荷增加了十几倍，而且能长时间保持高精度状态，运行2000Km后，磨损量仅为0.5Mm。正是由于其高刚性，并能实现高速进给，广泛应用于高速加工机床。
2.精密滚珠丝杠和直线电机
加工中心的滚珠丝杠精度，以及直径和螺距的大小直接影响加工中心的性能，尤其是在采用直线运动导轨的高性能加工中心都选择高精度和大直径大螺距的单头滚珠丝杠。
竞争促进技术发展的典型例子莫过于THK美国公司的驱动速度可达200m/min的高速滚珠丝杠。一般认为滚珠丝杠传动达到90m/min就不容易了，再快只能用直线电机驱动了。THK公司采用多种技术措施来提高滚珠丝杠的驱动速度：用特殊工程塑料做滚珠隔离架，既隔开滚珠，避免珠子间的摩擦，又起润滑作用；为消除热影响，丝杠为中空通冷却液；为消除高速振动，中空丝杠内填阻尼材料，以提高阻尼特性。这是目前见到的驱动速度最快的滚珠丝杠。
大功率直线伺服电机，直接驱动工作台作直线运动，并与由碳素纤维增强塑料制成的轻型结构工作台和直线滚动导轨副匹配，实现高进给速度和高精度加工。
3.主轴轴承
从长远的观点上看，对磁力、气动和静压轴承的市场需求量将会大大增加。但是，目前在高速机床中，最常用的还是组合式的向心推力滚珠轴承。在标准的机床主轴转速条件下，在主轴前端经常安装三排组合式的向心推力滚珠轴承，在主轴后端安装两排滚珠轴承。因为在主轴前端安装三排组合式的向心止推滚珠轴承能极好地提高主轴刚度增加主轴的承载能力，这一点对于重载切削至关重要。
合理地选择轴承材料同轴承种类同样重要。虽然由轴承钢制成的轴承目前仍被广泛使用，但实践证明，高速切削使用陶瓷轴承将表现出许多优点。尽管轴承钢制成的轴承价格便宜，但其重量远比同样规格的陶瓷轴承重得多，由于重量重，高速切削中发热量大，必须配置复杂的冷却润滑系统。同时随着主轴转速的提高，使作用在轴承上的向心力增大，使轴承温度升高，引起主轴尺寸增大，影响加工零件的尺寸精度，使机床主轴所需功率增加。陶瓷轴承由于重量轻，将较好地解决这一技术难题。为了提高机床主轴刚度和切削能力，在陶瓷轴承上还可施加很大的预加载荷。由于陶瓷轴承有以上特点，因而使其使用寿命增长。
4.冷却、润滑及密封技术
高速机床容易产生较高温度，如果不进行冷却，将会引起热变形。如为保证机床主轴的高精度，就必须稳定地控制主轴和轴承的温度。目前，机床根据主轴结构不同，选择外冷方式、内冷方式或内外共同冷却方式对主轴、轴承进行冷却。为达到高速，润滑技术也得到发展，美国SETCO公司采用Kluber-speed BF72-22合成润滑脂对精密主轴组润滑，可达到极高的速度，其速度系数可达到dn值2000000以上。
精密主轴常常由于污物的进入，造成主轴的失效，原因是应为密封不好。美国SETCO公司开发了新型专利“SETCO AisShield”空气隔离密封，集成了摩擦密封和迷宫式密封的优点。压缩空气切向送入固定前轴承座的循环槽，与主轴一起构成一个封闭的迷宫，空气在槽内环绕主轴流动，该密封方式可使轴承寿命提高3倍。
5.数控系统
微电子技术的飞速发展，为数控系统向小型化和高集成化发展提供条件，系统的运算速度和操作界面也有了很大的改进，数控系统向高速、高精度和易操作的方向发展。
主要有以下特点：
（1）纳米插补：为了减少插补的轮廓误差，FANUC开发了纳米级的插补功能，使数控系统在进行插补运算时采用1nm的精度进行运算，并以1nm的当量控制伺服电机的运行，系统的插补精度在1/1000000mm精度下运行，大幅度降低了系统的误差。
（2）加速度控制（JERK）：机床在加速度变化时，会造成机床振动，影响加工精度。采用了加加速度控制功能后，会自动对进给速度处理，使本来为单位脉冲函数的加加速度变成一定时间内加加速度变化的函数，减少机床的振动。
（3）编程导入功能（manual guide I）：该功能改变了传统的使用G代码的形式，而采用图形对话编程的形式，提供大量的辅助编程、计算的对话画面，使系统更容易操作。
综上所述，对高性能加工中心，不仅需设计出高转速的主轴，还需有高性能CNC系统、高精度直线导轨、精密滚珠丝杠、轴承、选择合适的冷却润滑方式、机床/刀具接口等。上述技术目前已用于许多高性能机床的生产实际，并取得了很好的经济与社会效益。
参考文献：
［1］张江华.TK7640数控铣镗床的运动误差分析及其补偿（硕士论文），2007.
［2］畅越星.数控落地铣镗床主轴箱动力学分析与结构设计研究（硕士论文），2007.
［3］李军华.数控机床主传动齿轮综合啮合刚度研究（硕士论文），2007.
［4］张利平主编.液压气动技术速查手册.北京：化学工业出版社，2006.
［5］姜华.高速精密卧式加工中心开发的关键技术研究（博士论文），2007.
［6］王跃宏.对我国高档重型数控铣镗床现状与发展的评述.
［7］段峰.多功能数控铣床原型机设计（硕士论文），2003.