引言
鉆攻中心是一種對手機(jī)產(chǎn)品印刷電路板、機(jī)殼、面板、玻璃等零件鉆攻、攻牙工序最理想的金屬切削加工設(shè)備, 可以實(shí)現(xiàn)鏜削、銑削,由于主電機(jī)功率有限,不能進(jìn)行黑色金屬的重切削, 但是其鉆攻效率和質(zhì)量比普通加工中心優(yōu)越很多。鉆攻中心就是為了滿足客戶尋找對手機(jī)產(chǎn)品更快、更高精度以及更環(huán)保的加工設(shè)備的要求孕育而生的。
1 鉆攻中心的顯著優(yōu)勢特征
鉆攻中心 (如圖 1 所示) 產(chǎn)品從外觀到內(nèi)在功能、性能都有了很大提升,主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到 12000r/min ,快速移動速度 60m/min ,坐標(biāo)的直線度、垂直度可以控制在0 . 005mm 以內(nèi),完全優(yōu)于國家同類精度標(biāo)準(zhǔn)。其顯著優(yōu)勢特征如下:
(1)體積規(guī)模小。鉆攻中心樣式和功能同加工中心基本相似,但是外形尺寸要比加工中心普遍較小,機(jī)床最大行程 X 軸一般不超過 700mm ,Y 軸不超過 400mm。非常適合加工如手機(jī)產(chǎn)業(yè)、電子產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療器械等小型零件。
(2)運(yùn)行速度快。機(jī)床移動速度至少在 48m/min,通常為 60m/min; 主 軸 轉(zhuǎn) 速 至少 在 10000rpm 以 上 , 通常 為12000rpm ; 特別是在攻螺紋的速度上, 鉆攻中心可達(dá)到3000rpm 以上,最高可達(dá)到 6000rpm ,比普通立式加工中心快很多;刀具換刀速度通常在 1.2 秒以內(nèi),最快的可達(dá)到0 .6 秒,比立式加工中心節(jié)約一半的換刀時間。
(3)高效環(huán)保。鉆攻中心在加工效率上比立式加工中心要高 2 倍, 外形尺寸占地空間較立式 加工中心減少21%,能耗消耗較立式加工中心減少 70%。
2 鉆攻中心的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)
2 .1 高速
高速是實(shí)現(xiàn)高效率切削加工的前提和關(guān)鍵[ 1] 。機(jī)床由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因,一般直線運(yùn)動行程較短,因此高速鉆攻中心必須實(shí)現(xiàn)較高的進(jìn)給加減速才能達(dá)到其真正的高速鉆攻意義[ 2-3] 。為了適應(yīng)進(jìn)給運(yùn)動高速化的要求,高速鉆攻中心主要采用能實(shí)現(xiàn)高速度的線性導(dǎo)軌和換刀快的飛碟式刀庫結(jié)構(gòu),這是高速鉆攻中心機(jī)床的關(guān)鍵所在。
(1)機(jī)床導(dǎo)軌選用新型直線滾動導(dǎo)軌[ 4] 。國內(nèi)目前大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床行業(yè)的機(jī)床導(dǎo)軌多采用硬軌, 運(yùn)行速度較低,一般在 15m/min 以下。研究表明:硬軌勝在剛性上,線軌勝在速度上,是數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要方向之一。高速鉆攻加工中心就是采用新型的直線滾動導(dǎo)軌, 滾動體安裝在直線滾動導(dǎo)軌的工作面之間, 滾動導(dǎo)軌中球軸承與與導(dǎo)軌之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)或者線接觸,接觸面積很小,所以摩擦系數(shù)小,其摩擦系數(shù)僅為槽式導(dǎo)軌的 1/20 左右,其運(yùn)行速度達(dá)到 60m/min ,且“ 爬行”現(xiàn)象可大大減少,潤滑也方便。長時間使用后,磨損小,精度損失較小,穩(wěn)定性好。在導(dǎo)軌磨損后,硬軌的話就要調(diào)間隙修正,具體操作很麻煩,而線軌經(jīng)過預(yù)緊處理可達(dá)到軌道間零間隙以及可實(shí)現(xiàn)各方向上的滿承載能力,遠(yuǎn)比硬軌方便更換。
(2)高速進(jìn)給伺服系統(tǒng)。高速進(jìn)給伺服系統(tǒng)已逐漸的發(fā)展成為智能化、數(shù)字化和軟件化,本鉆攻加工中心采用交流伺服電機(jī)和全數(shù)字控制技術(shù)作為核心, 高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)則采用高質(zhì)量、大尺寸、小螺距滾珠絲杠,其目的在于在獲得較高的進(jìn)給速度和進(jìn)給加減速度的同時又不降低加工精度。
(3)換刀機(jī)構(gòu)采用最新的飛碟式結(jié)構(gòu)。換刀機(jī)構(gòu)采用最新的飛碟式結(jié)構(gòu)并采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動, 取代通常的交流異步電機(jī), 可在 1 .4 秒內(nèi)完成刀對刀的換刀過程;
特別在換取對向刀時,伺服控制刀庫可在 0 .8 秒內(nèi)完成刀盤轉(zhuǎn)動到位, 相比凸輪機(jī)構(gòu)的夾臂式刀庫 6 秒換刀速度有 提高 了 數(shù) 倍 , 飛 碟 式 換 刀 結(jié)構(gòu) 換 刀 可靠 性 提高 到99 . 9% 。刀庫本體及刀盤采用鋁合金輕量化的設(shè)計(jì),可以減輕主軸馬達(dá)負(fù)載完成高速換刀動作的要求。刀庫傳動分度采用快速準(zhǔn)確的筒型凸輪作傳動分度結(jié)構(gòu), 搭載高功率變頻馬達(dá)配合變頻器使用, 可以擁有更穩(wěn)定及更佳的刀盤選刀速度, 更進(jìn)一步可以配合控制器來設(shè)定刀庫重刀時的轉(zhuǎn)速以及一般換刀轉(zhuǎn)速。
2.2 2 精度
精度是機(jī)床的重要指標(biāo), 鉆攻中心機(jī)床關(guān)鍵部件皆采用高剛性設(shè)計(jì),以保證加工精度。
(1)鉆攻中心立柱采用大人字型立柱與超寬底座配合的設(shè)計(jì)。 鉆攻中心采用了大人字型立柱與超寬底座配合的設(shè)計(jì)(如圖 2 所示),相比傳統(tǒng)鉆攻中心為追求速度而將機(jī)床設(shè)計(jì)地過于輕巧等方面有了很大的改變, 比傳統(tǒng)直立型立柱的剛性提升超過 30% 。框架式立柱結(jié)構(gòu)固定在床身一側(cè), 立柱兩側(cè)的外側(cè)面中下部向外傾斜形成人字形,底座設(shè)計(jì)比常規(guī)設(shè)計(jì)各寬厚 30% ,從而使框架式立柱跨距大,與床身接觸面積寬,與床身結(jié)合穩(wěn)定牢固,機(jī)床整體剛性能夠滿足大扭矩銑削加工的要求。
(2)鉆攻中心立柱導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)。鉆攻中心的立柱導(dǎo)軌根據(jù)立式加工中心進(jìn)行設(shè)計(jì), 其中配置了增強(qiáng)型滾柱直線導(dǎo)軌, 加長了 1/3 的滑動塊,在滿足快移速度 45m/min 的同時,可以提升加工精度和正極剛性;內(nèi)部采用全封閉式加強(qiáng)筋設(shè)計(jì),具備合理的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及加強(qiáng)肋的搭配,最大程度保證機(jī)床各結(jié)構(gòu)件的抗彎和抗扭強(qiáng)度, 提升機(jī)械的高剛性。
(3)精密高速獨(dú)立主軸的設(shè)計(jì)。對于鉆攻中心來說提高生產(chǎn)效率是最重要的, 高速主軸無疑是最重要的關(guān)鍵部件之一。 鉆攻中心采用隔絕熱源的主軸直結(jié)設(shè)計(jì),降低熱變位的同時,還提高了主軸的精度與壽命[ 5] 。主軸電機(jī)通過特殊的聯(lián)軸器與主軸直接聯(lián)接, 效率高且無皮帶傳動的動力損耗, 同時不會出現(xiàn)皮帶和齒輪傳動所帶來的噪音、震動等問題。
采用精密高速獨(dú)立主軸長時間運(yùn)轉(zhuǎn),主軸溫升小,保證了加工的精度穩(wěn)定, 強(qiáng)力切削和微量進(jìn)給切削都有優(yōu)異的表現(xiàn), 這都與其主軸軸承的設(shè)計(jì)密不可分。 鉆攻中心主軸軸承是專門為其獨(dú)立主軸設(shè)計(jì)的特殊角接觸球軸承,其主要特點(diǎn)是軸承精度高、轉(zhuǎn)速高、振動低、溫升低, 能提供良好的軸系剛性, 滿足機(jī)床精密加工的需要。
由于單列角接觸球軸承只能承受一個方向的軸向載荷,在承受徑向載荷時,會引起附加軸向力,必須施加相應(yīng)的反向載荷,因此, 鉆攻中心主軸軸承采用軸承的外圈貼合,內(nèi)圈有間隙,使兩軸承的寬端面相對成對配置的背靠背安裝方式(如圖 3 所示)。背靠背安裝使得軸承的接觸角線沿回轉(zhuǎn)軸線方向擴(kuò)散, 可增加其軸向和徑向的支承角度剛性,承受傾覆力矩的性能好,軸承可以承受雙向軸向載荷,抗變形能力最大。
2.3 油水分離結(jié)構(gòu)的綠色環(huán)保設(shè)計(jì)
在機(jī)床設(shè)計(jì)過程中開展綠色設(shè)計(jì),把環(huán)境影響、制造問題、資源優(yōu)化統(tǒng)一起來考慮,有針對性地解決對可持續(xù)發(fā)展有不利影響的傳統(tǒng)工藝。綠色環(huán)保設(shè)計(jì)如低溫冷卻切削、氣體冷卻切削等設(shè)計(jì)方式,可以很好地代替、改善容易造成環(huán)境污染的乳化冷卻等切削,并在降低成本,提高零件加工質(zhì)量等方面取得良好效果。 鉆攻中心在鑄件機(jī)體上設(shè)計(jì)有專用獨(dú)立回收油路,并收集匯總,避免與冷卻液的混合,從而實(shí)現(xiàn)真正的綠色環(huán)保。
2.4 安全因素的考慮
加工區(qū)域采用全密閉式防護(hù)裝置,防止高溫切屑及切削液濺出。不僅可使操作人員安全可靠的操作機(jī)床,同時還能保護(hù)車間環(huán)境。三軸導(dǎo)軌防護(hù)均采用高速防護(hù)罩,保證經(jīng)久耐用。其中獨(dú)特的 Z 軸伸縮式防護(hù)板設(shè)計(jì),可以有效防護(hù) Z 軸傳動系統(tǒng), 使 Z 軸在快速位移下平穩(wěn)順暢;X/Y 軸采用全復(fù)式, 防止鐵屑等外部雜物進(jìn)入傳動系統(tǒng),并采用上口安裝式,方便拆卸。
2.5 5 工藝流程設(shè)計(jì)
鉆攻中心加工和裝配方面嚴(yán)格按照工藝規(guī)程操作, 關(guān)鍵零部件的加工由高精度的加工中心和導(dǎo)軌磨床來保證,機(jī)床裝配在高清潔度安裝車間進(jìn)行,所有安裝環(huán)節(jié)均要保證安裝部件的潔凈, 嚴(yán)格按照裝配工藝進(jìn)行安裝, 整機(jī)安裝完畢并進(jìn)行 72 小時的拷機(jī)試驗(yàn)保證機(jī)床的可靠性。
機(jī)床安裝完成后要進(jìn)行一系列的試驗(yàn)保證機(jī)床的精度:整機(jī)安裝完畢后先使用用激光干涉儀對 X 、Y 、Z 軸的定位、重復(fù)定位精度進(jìn)行檢驗(yàn),保證機(jī)床的聯(lián)動精度,然后用三坐標(biāo)測量儀檢測機(jī)床切削試件,保證整機(jī)的精度; 實(shí)驗(yàn)后對數(shù)控系統(tǒng)等機(jī)電部分做一次優(yōu)化整理, 保證機(jī)床的各項(xiàng)性能均達(dá)標(biāo)。
3 結(jié)束語
高速加工的研究目標(biāo)是既實(shí)現(xiàn)高速加工,又能保證加工精度。今后金屬切削加工設(shè)備將向?qū)I(yè)化、專用性發(fā)展;進(jìn)一步提高主軸轉(zhuǎn)速、行程速度和高精度動態(tài)性能仍是高速鉆攻中心的發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)。在驅(qū)動技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及機(jī)床構(gòu)件輕量化和并聯(lián)機(jī)床的開發(fā)推動下鉆攻中心必將有更大的發(fā)展。
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