浅谈材料加工中的先进装备

先进制造技术课程大作业2014年10月浅谈材料加工中的先进装备摘要：文章主要介绍了现代加工域活动中两种先进的装备—高速切削机床和并联运动机床，分别阐述了两种机床的发展以及结构原理、关键技术，并进一步说明两种机床在材料加工方面相对于传统机床的优势。关键词：高速切削并联运动先进装备材料加工机床0前言*制造业是国民经济的基础，工艺与装备是制造业的基础[1]。提高加工设备的生产率一直是设备制造厂家追求的目标。由于高速切削具有的优良品质，美国、德国、日本、法国、瑞士、英国等国都在高速切削方面做了很多研究工作，相继推出了自己的产品。目前，高速加工技术已经在航空航天、汽车和摩托车、模具制造、轻工业与电子工业及其他制造业得到了越来越广泛的应用。并联运动机床是近十年才发展起来的一种新型高速机床，其工作原理和结构与传统的以笛卡尔坐标为基础的串联运动机床有很大的不同。由于它易于实现较复杂的空间运动，因而具有十分广阔的应用前景，目前并联运动机床已成为高速、高效、高柔性加工设备的一个新的发展方向[1]。1高速切削机床1.1高速切削理论高速切削理论是1931年4月德国物理学家Carl.J.Salomon提出的。他指出，在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反会降低，且该切削速度值与工件材料的种类有关。对每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，即切削加工不可能进行，称该区为“死谷”。虽然由于实验条件的限制，当时无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示，即如能越过这个“死谷”，在高速区工作，有可能用现有刀具材料进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而可大幅度提高生产效率[2]。如图1所示，即为超高速切削的曲线示意图。1.2高速与超高速切削的特点随着高速与超高速机床设备和刀具等关键技术领域的突破性进展，高速与超高速切削技术的工艺和速度范围也在不断扩展。作为一种非常有发展前景的制造技术，高速切削具有如下特点：（1）可减少工序，提高生产效率采用高速切削技术，可以将原本的粗加工、半精加工、精加工等工序集中在一道工序中完成。提高生产效率是机动时间和辅助时间大幅度减少、加工自动化程度提高的必然结果。（2）切削力小、热变形小加工速度提高，可使切削力减少30%以上，工件的加工变形减小，切削热还来不及传给工件，因而工件基本保持冷态，热变形小，有利于加工精度的提高。（3）能获得较好的表面完整性在保证生产效率的同时，可采用较小的进给量，从而减小了加工表面的粗糙度值；又由于切削力小且变化幅度小，故振动时表面质量的影响很小；切削热传入工件的比率大幅度减少，加工表面可保持良好的物理力学性能。（4）加工能耗低，节省制造资源超高速切削时，单位功率的金属切除率显著增大。由于单位功率的金属切除率高、能耗低、工件2014年10月李清泉：浅谈材料加工中的先进装备2的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率。1.3高速切削机床的关键技术高速机床是实现高速加工的前提和基本条件，高速切削机床技术是高速切削技术中最基本的关键技术，主要包括如下方面：（1）高速主轴单元[1]高速机床具有高速旋转的主轴系统，超高速主轴单元是超高速加工机床最关键的基础部件。高速主轴一般做成电主轴的结构形式，电主轴采用了电动机直接驱动方式，主轴电动机与机床主轴“合二为一”，将其空心转子直接套在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，大大简化了机床主轴系统的传动与结构，提高了主轴运动的灵敏度、运动精度和工作可靠性。如图2所示，为电主轴的外形图。图2电主轴外形图（2）高速直线驱动进给单元高速进给系统的进给速度是评价高速机床性能的重要指标之一。对高速进给系统的要求不仅仅是能够达到高的运动速度，而且要求进给运动能在瞬时达到高速和瞬时准停等。高速进给系统目前通常采用两种进给传动系统：高速滚珠丝杠螺母进给系统和直线电动机进给驱动系统。高速滚珠丝杠螺母进给系统对传统的丝杠螺母传动系统进行了技术创新，形成了具有优良性能能的高精度、高速度的传动系统。直线电动机直接驱动时，把电动机平铺下来，电动机的动子部分直接与机床工作台相连，从而消除了一切中间传动环节，实现了直线驱动。直线电动机可达到80~180m/min的直线进给速度，在部件质量不大的情况下可实现5g以上的加速度。直线电动机外形如图3所示。图3直线电动机（3）高速切削刀具技术[1]高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一。生产实践和高速切削实验证明：阻碍切削素的提高的关键因素是切削刀具是否能承受越来越高的切削温度，高速切削最关键的技术之一就是高速切削所用的刀具。在高速切削刀具研究中包括刀具材料、刀具几何角度的选择和刀具结构设计等方面的内容。高速切削刀具使用的材料要有高硬度、高强度、高韧度、高热硬性，同时材料抗热冲击的能力强，并具有良好的化学稳定性。目前适用于高速切削的刀具材料主要有陶瓷刀具、立方氮化硼刀具（CBN）、聚晶金刚石刀具（PCD）和涂层刀具。高速切削刀具的几何参数对高速切削的效率、表面质量、刀具寿命及切削热量的产生等都有很大的影响。高速切削刀具大量应用镀层和压层刀具技术，镶嵌式刀具使用量很大。对于镶嵌式刀具，嵌入刀体的刀片如果没有足够的连接强度，就会在等大的离心力作用下和刀体分离。高速切削使用的嵌入式刀具和普通刀具不一样，刀片和刀体的连接需要采用高强度连接技术。（4）CNC控制系统[4]高速加工技术是传统数控技术的新发展，从基本原理说，它与传统的数控加工没有本质区别。CNC控制系统的关键技术主要包括快速处理刀具轨迹、预先前馈控制、快速反映的伺服系统等。（5）切屑处理和冷却系统[3]高速切削过程在单位时间内产生大量的切屑，高速切削机床需要高效的切屑处理和清除装置。高压大流量的切削液不但可以冷却机床的加工区，而且也是一种行之有效的清理切屑的方法，但它会对环境造成严重的污染。并不是任何高速切削场合都可以使用切削液，如对抗热冲击性能差的刀具，切削液反而会降低刀具使用的寿命，这时可采2014年10月李清泉：浅谈材料加工中的先进装备3用干切削，并用吹气或吸气的方法进行清理切削的工作。（6）安全装置与实时监控系统机床运动部件的高速运动、大量高速流出的切屑以高压喷洒的切削液等，都要求机床要有一个足够大的密封工作空间。为了便于操作人对零件加工过程直接进行观察、操作和控制，机床本身要对加工情况、刀具磨损状态等进行监控，实时地对加工过程在线监测，这样才能保证产品质量，提高加工效率，延长刀具使用寿命，确保人身和设备的安全。（7）换刀装置随着切削速度的提高，切削时间的不断缩短，换刀时间的缩短对于提高加工中心的生产率就显得更加重要，也成为高水平加工中心的一项重要指标。目前国外机床先进企业生产的高速加工中心为了适应高速加工，大都配备了快速换刀装置。（8）机床床体结构由于切削速度大幅度提高，高速切削产生振动的可能性增加，同时还要避免机床的固有频率在切削速度范围内，因此要求床身和工作台要有很好的动静刚度、抗震性、精度保持性及更好的抗热变形能力。2并联运动机床2.1并联运动机床概论并联运动机床是1994年才出现的新概念机床，是一种在结构上完全不同于传统机床的新型机床。（1）并联运动机床结构1994年，在美国国际制造技术展览会（IMTS94）上,美国Giddings-Lewis公司推出了Variax加工中心，如图4所示。图4Variax加工中心它的基本结构是1个活动平台、1个固定平台和6根长度可变的连杆。活动平台上装有机床主轴和刀具，固定平台上安装工件，6根杆实际上是6个滚珠丝杠副，它通过万向铰链将两个平台连在一起，同时将伺服电动机的旋转运动转换为直线运动。当不断改变6根杆的长度时，可带动活动平台产生6个自由度的中间运动，使刀具在工件上加工出复杂的三维曲面。Variax加工中心实际上是一台以Stewart平台为基础的立式加工中心[6]，它标志着机床设计开始使用并联机构，是机床机构重大改革的里程碑。（2）并联机构概念[5]并联机构（Parallelmechanism）是由2个和2个以上的驱动器（作动器）通过杆系同时作用于运动平台的空间运动机构。它的特点是，所有的分支机构可同时接受驱动器的输入，而最终共同给出输出，并联机构在机构学上是多路闭环机构。在工业中，3杆并联机构（Tripod）和6杆并联机构（Hexapod）应用最为广泛，如Delta机器人和Tricept机器人是典型的3杆并联机构，而Stewart平台是典型的6杆并联机构。如图5所示，即为典型3杆和6杆并联机构。图53杆和6杆并联机构2.2并联运动机床的优点（1）加工精度高。由于其为多轴并联机构组成，六个可伸缩杆杆长都单独对刀具的位置和姿态起作用，因而不存在传统机床（即串联机床）的几何误差累积和放大的现象，甚至还有平均化效果；其拥有热对称性结构设计，因此热变形较小；故它具有高精度的优点。（2）结构简单、价格低。机床机械零部件数目较串联构造平台大幅减少，主要由滚珠丝杠、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组成，这些通用组件可由专门厂家生产，因而本机床的制造和库存成本比相同功能的传统机床低得多，容易组装和搬运。（3）结构刚度高。由于采用了封闭性的结构使其具有高刚性和高2014年10月李清泉：浅谈材料加工中的先进装备4速化的优点，其结构负荷流线短，而负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受，以材料力学的观点来说，在外力一定时，悬臂量的应力与变形都最大，两端插入次之，再来是两端简支撑，其次是受压的二力结构，应力与变形都最小的是受张力的二力结构，故其拥有高刚性。（4）可实现高速加工相对于传统机床，并联运动机床的部件少、质量轻，有利于获得高的进给速度。并联运动机床的进给运动可同时驱动连杆运动来实现，因此可以获得比采用串联结构的传统机床更高的进给速度。2.3并联运动机床的关键技术相对于传统机床，并联运动机床机械结构简单，模块化程度高，并且具有可重构性。（1）主轴部件并联运动机床的主轴大多数采用电主轴，其电动机的转子和主轴是一体的，无须任何机械连接[7]。主轴转速的调节采用变频调速，改变电动机的供电频率，即可实现主轴转速的调节。电主轴的电动机和主轴之间没有机械减速环节，这种结构上的特点大大提高了主轴系统的高速性能，使得并联机床更适合于高速加工。如图6所示为并联运动机床主轴部件。图6并联运动机床主轴部件（2）杆件杆件是并联机构的运动输入构件。杆件的物理结构包括机械构件、电气器件、液压部件及它们的组合，可分为固定杆长的伸缩杆和可变杆长的伸缩杆两大类。对于可变杆长的并联机构，杆件的基点固定，杆件的工作长度可变；对于固定杆长的并联机构，杆件的长度固定不变，杆件的基点位置可以变化。从运动学角度看，杆件是具有一定刚度的刚体，杆件长度的变化或杆件基点的移动决定了动平台（主轴部件）的运动速度、加速度、位置和姿态。（3）驱动方式杆件的驱动按照驱动方式可以分为旋转电动机驱动和线性直接驱动两类：旋转电动机驱动是将通过滚珠丝杠将伺服电动机的旋转运动转换为套管的伸缩位移；线性直接驱动技术是采用沿直线导轨移动的直线电动机直接驱动固定或可变长度的杆件，如图7所示即为两种杆件驱动方式实物图。图7杆件驱动方式线性直接驱动与旋转电动机驱动的根本区别在于：线性直接驱动所产生的力直接作用于移动部件，中间没有滚珠丝杠、螺母、齿形带、联轴器等机械传动环节，因此可以有效减少传动系统的惯性矩，提高系统的运动速度、加速度和精度，避免振动的产生，改善系统的动态性能，获得较高的运动精度。此外，线性直接驱动时运动功率的传递是非接触的，没有机械磨损，效率高，寿命长。3结论通过本文介绍的两种先进加工装备，可以看出随着科学技术的不断发展，装备制造业同样焕发着活力。作为制造业的“母机”，决定着工业制造产品的质量，是否拥有高效率，高精度的机床，成为了衡量一个国家的制造业水平的重要标准之一。高速切削机床以及并联运动机床是现如今机床发展的两个重要方向，大力发展这两种机床的核心技术，具有非常广阔的前景。参考