高速加工中心結構設計的發展

一、采用高速加工中心的必要性 

　　高速加工中心在機床領域中已經確立了不可動搖的地位，現在沒有人懷疑高速加工中心的發展前景。許多機床廠都把高速加工中心作為了自己的主導產品，說明高速加工中心的巿場之廣闊。高速加工中心的制造技術也已進入成熟期。用于高速加工中心的新部件和新的機床配套件不斷推出，進一步提高了高速加工中心的水平。


    高速加工中心相比傳統加工中心的優勢在哪里？或者說我們為什么要發展高速加工中心？可以從下面表1、表2、表3中看出。由于加工中心的速度和加速度不同，移動同樣的距離所耗用的時間是不同的。


    現以下述4種具有不同速度和加速度的加工中心為例，將其在移動25mm、50mm、100mm、200mm、500mm時所需時間列于表1，以說明其各自的加工效率。

表1 不同速度和加速度的加工中心之移動距離與時間的關系

    高速加工中心一般采用電主軸，在使用過程中電主軸從啟動達到某一轉速，或從某一轉速到停止所耗用的時間相對較少，也同樣節省了時間。表2是某兩種電主軸啟動和停止所需時間。

表2 電主軸啟動及停止時間

    從表2和圖1可以看出由于提高了速度和加速度節省了時間，至于選用高速加工中心可以提高多少效率，我們看表3中四種不同加工中心的對比。

圖1 以不同速度和加速度移動的幾種加工中心所用時間與距離曲線

    從表3顯示的數據可以看出用一臺高速加工中心完成的工作量，用速度慢一些的加工中心完成同樣的工作分別需要1.5臺、2臺、2.5臺。可以看出用高速加工中心組成生產線可以有效地減少機床的臺數，可以減少投資，減少占地面積，節約能源，減少了使用成本。這就是高速加工中心的優勢和采用高速加工中心的必要性。

表3 以加工某種零件為例，速度和加速度不同的加工中心所需節拍時間對比

注：上表中切削時間不同是由于高速機床相應使用較高切削速度等切削用量

第一種：V=75m/min，a=10m/s2 (1g)；

第二種：V=60m/min，a=10m/s2 (1g)；

第三種：V=36m/min，a=3m/s2 (0.3g)；

第四種：V=15m/min，a=1m/s2 (0.1g)。


    二、高速加工中心的結構特點 


對高速加工中心機床性能的要求：


    1.高的主軸轉速，一般在每分8000轉以上；（按機床規格的大小而不同）
    2.高的進給速度，一般在每分15米以上；

    3.快的移動速度，一般在每分55米以上（按機床規格的大小而不同）；

    4.高的加（減）速度，一般在0.5g-1.5g以上（按機床規格的大小而不同）；

    5.微米級的加工精度；

    6.高的靜、動態剛度和輕量化的移動部件。


按照上述要求，臥式高速加工中心在結構上有以下特點：

    ·主軸一般采用電主軸，電主軸具有結構緊湊、精密、轉速高的特點。

    ·三座標的結構有少數機床采用動柱式結構，其余大多數則采用“箱中箱”式結構。“箱中箱”式結構是幾種形式中速度和加速度水平最高的。


    一般移動速度在50m/min以下的加工中心大都采用新設計的立柱移動式結構，配上外置Z軸或者外置X軸，則機床制造上非常簡單，工藝性好，因而成本低，是一種比較經濟的高速加工中心。


    由于動柱式加工中心立柱本身是一種懸臂梁結構，切削力產生的顛覆力矩將使立柱產生變形和位移，影響機床的精度，所以立柱一般設計得較重，當驅動立柱移動時較高的立柱將因頭重腳輕而不適合較高的速度和加速度，因此高速移動的立柱一般不宜太高因而影響上下移動的行程。

圖2 臥式高速加工中心的“箱中箱”式結構

    為了減小切削力產生的顛覆力矩，機床設計時常把立柱后導軌加高，與前導軌不在一個平面上，但是后導軌因空間限制不能提得太高，太高將與主軸電機相干涉。當把后導軌提到立柱上端問題得到解決，這樣就產生了框架式結構，原來的立柱變成了有著上下導軌的滑架。加上前面支撐主軸滑枕的框架合在一起形成了今天流行的“箱中箱”結構。所以它上下兩個導軌支撐的滑架就相當于動柱式機床的立柱，這樣這個立柱就由懸臂梁結構變成具有兩端支撐的簡支梁結構。簡支梁的最大變形點在中間，同等條件下它的最大變形僅有懸臂梁的十六分之一。這樣這個滑架就可以在不影響剛性的情況下做得比較輕，為高速度和高加速度提供了條件，這就是“箱中箱”結構得以流行的主要原因。


    線性伺服進給驅動采用直線電機已很普遍，但更多的還是采用旋轉伺服電機加滾珠絲杠驅動。伺服電機加滾珠絲杠驅動雖然在速度和加速度等方面不如直線電機，但經濟節能，也非常可靠，因此被廣泛采用。

圖3 立柱移動式結構向箱中箱式結構轉變示意

    一些公司也在采用直線電動機驅動，如SPECHT500L移動速度達到100米和120米/分。直線電動機驅動具有更好的動態特性，結構也更簡單，具有高的直線速度、高加速度、行程長度不受限制、機械零件少、無磨損、高剛度等優點。


它的缺點是： 


    ·巨大的強磁吸力作用于導軌上，采用雙直線電動機驅動雖然可以抵消作用力但將增加成本；

    ·不可能放大拖動力；

    ·高功率損失及高發熱；

    ·產生干擾磁場；

    ·防鐵屑困難；

    ·造價較高。


    隨著技術的不斷進步，直線電動機驅動的這些缺點將被逐步克服，使用直線電機是將來高速移動裝置的發展方向。


    三、 敏捷制造系統

    由高速加工中心組成柔性生產線，配上由桁架機械手組成的智能的工件輸送裝置（也可由導軌機器人作工件輸送），并且高速加工中心在工序布置上盡可能采用并聯的布局形式，這種柔性生產線我們稱之為敏捷制造系統。當然有時為了節省投資也可由簡單的物料系統即由人工或由助力機械手來上下料，構成了簡易型的敏捷制造系統。

圖4 敏捷制造系統典型布局示意

    敏捷制造系統的特點是：在布局上盡可能采用并聯形式的高速柔性制造單元加上智能的物流系統。 


由桁架機械手與高速加工中心組成的敏捷制造系統具有以下優勢：


    ·在項目初期，可以按資金和巿場情況分批投入、滾動發展。所謂分批投入是指并聯布局形式的加工中心由于幾臺工序內容相同，可以按資金和巿場情況先投入一臺或兩臺，其余的幾臺可以留出安裝位置，在條件具備的時候再投入；

    ·具有很強的柔性，產品改型非常方便；

    ·設備的故障不會造成全線停產；

    ·機床品種單一，維修和備件都方便；

    ·設備臺數少，占地面積小；

    ·在產品批量不是特別大時，采用敏捷制造系統可以節省投資；

    ·由于采用標準的高速加工中心和可以采購到的桁架機械手，交貨期因此縮短。


    由于采用了桁架機械手進行工件輸送，可以大大簡化作為柔性線的基本單元——高速加工中心的結構，這樣每臺高速加工中心單元的制造成本會下降，而且可以形成批量生產，縮短了機床的制造周期，使敏捷制造系統的供貨周期要比剛性自動線更短。在國外由于專機的價格較高，組成自動線的機床臺數也較多，所以剛性自動線的價格往往高于敏捷制造系統的價格。國內的專機價格比國外低得多，而國內高速加工中心由于大量采用國外進口的配套件因此價格與國外差距較小。這樣在國內敏捷制造系統的價格與剛性自動線的價格是各有優勢的，一般批量較小時敏捷制造系統的價格較低，批量大時剛性自動線的價格較低，交叉點一般在年產3-8萬件之間。在國外這個交叉點要在年產20萬件的批量上。當然這與剛性自動線的配置水平有直接的關系。


    柔性制造系統同樣是采用高速加工中心和桁架機械手，而在布局和工序安排上采用串聯的布局方法，這樣就組成了柔性制造系統。兩者相比有以下不同。


    串聯布局的柔性制造系統由于每一加工單元負擔的加工內容少因而減少了刀具的總體數量而減少前期投入（但不減少使用成本），由于負擔的加工內容少因而減少了回轉工作臺的使用，但是增加了機床和夾具的種類，工件加工過程中裝夾次數增多。兩種系統總體投資基本相當，但是由于柔性制造系統所有機床加工內容不同，只有全線全部完成才可以生產出合格的零件。因此柔性制造系統不可能分批投入資金，前期投入較大。


    從表4可以看出采用敏捷制造系統可以分期投入資金，生產線可以對各種變化快速適應，反應敏捷，是一種很好的生產線方案。

表4 敏捷制造系統與柔性制造系統的比較

    在敏捷制造系統方案的機床選擇上，也可以采用高速加工中心、數控機床、專機相結合的方案，像汽車發動機的缸體、缸蓋特別適合采用敏捷制造系統，它們在生產線的前部分工序主要是面的銑削加工，像頂底面、左右面、前后面、瓦檔面，由于工序單一，單工序時間較長，采用數控的專用銑床或自動線往往可以進一步減少投資，也能適應產品的變型，具有一定的柔性。主油道孔、缸孔的粗鏜也同樣可以采用槍鉆和專機解決。生產線后部分的精加工工序，象缸體加工的曲軸孔、凸輪軸孔的精加工、缸孔及止口的精加工、缸蓋導管孔的精加工可以根據被加工零件的具體情況采用高速加工中心或者采用精密專機來完成。

圖5 加工四、六缸體的敏捷制造系統

    圖5就是一條采用數控專機、高速加工中心、精密專機組成的敏捷制造系統。年產四、六缸缸體五萬五千件，17臺專機，23臺高速加工中心，5條桁架機械手，2臺液壓助力機械手，12臺輔機以及機動滾道和工件回轉裝置

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