材料切除率高達160升/分的高效加工

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發(fā)表于 2016-6-14 19:52:32 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

銑刀切削工件可長達十小時，有時甚至更長些。在加工過程中會有大量的切屑濺落。一個緊密的鋁塊通過銑削而成為民航客機極其精細的整體構件。
這些構件的特點是，其薄壁和底部只有幾毫米厚，并且有大量的槽腔和孔。只有當過程特別可靠和高效的主軸在高動態(tài)的機床上進行加工時，才能以極短的加工時間可靠和經濟地加工這樣的整體構件。
“我們要在高效切削方面占據(jù)領先地位”，Starrag 集團的成員之一，D?rries Scharmann Technologie 公司（簡稱DST 公司）的采購主管Winfried Holthausen 先生強調說。“當然，作為機床制造商我們也需要有實力的合作伙伴。這樣的伙伴同樣也應該是他們所在市場領域中的領頭羊，并且能滿足相當高的要求。在對機床切削效率能起到決定性作用的主軸部件方面，我們找到了最好的合作伙伴——GMN Paul Müller公司”。
緊密的科技合作獲得了掌握HPC 的機會
為了實現(xiàn)在工藝、生產效率、可靠性和質量等方面確定的高目標，DST和GMN兩個企業(yè)長期以來結成了非常緊密的合作伙伴關系。進行各種共同開發(fā)項目，此外還與亞琛工業(yè)大學（RWTH）進行合作。在合作中還共同制訂了大余量切削加工，即高效切削（簡稱HPC）的聯(lián)合開發(fā)。目前，高效切削是唯一能經濟、高效地加工飛機整體構件的可靠工藝途徑。
高效切削時，采用較高切削速度和進給速度的小直徑銑刀，同時還采用著較大的徑向和軸向吃刀量。這自然就需要加工中心具有高動態(tài)的進給軸和大功率的高效銑削主軸。
高動態(tài)機床裝有大功率高頻主軸
機床制造商DST公司和主軸生產商GMN公司合作的成功范例是Ecospeed系列的臥式加工中心。這些機床是為高生產率加工鋁合金整體構件而專門設計的，其不同的機床規(guī)格可以用于小規(guī)格、中規(guī)格、大型和特大型工件的加工。值得一提的是，這些加工中心在所有運動軸上都具有很高的動態(tài)性能。
主軸頭在這種高動態(tài)性能方面起有決定性的作用，主軸頭在3個Z軸滑臺上實現(xiàn)并聯(lián)運動（圖2），孔加工刀具和銑刀在450角的范圍內可以實現(xiàn)所有方向的加工。正如DST公司銷售部主任Michael Schedler先生所言，這已可滿足近90% 整體構件的所有加工任務。
圖2 高動態(tài)和高銑削效率的核心部件：DST 公司并聯(lián)運動的Z3 主軸頭裝有GMN 公司緊湊的電主軸（圖片來源：Hanser 出版公司）
Ecospeed系列的變型是一種采用立柱移動式的機床布局（校注：旨在能夠加工大型整體構件）。待加工的工件是垂直裝夾在高剛性的機床工作臺上。視其結構，這樣的機床可以加工的工件長度最大可達21000毫米。在Ecospeed F型機床上，裝夾的工件在X 軸方向實現(xiàn)進給運動。在其對面是固定的立柱，實現(xiàn)Z軸、A軸及B軸運動的Z3主軸頭可在立柱上沿Y軸方向作垂直運動。
輔助時間也同樣是關注點
就這種運動軸布局的優(yōu)點，Michael Schedler先生解釋道：“Ecospeed F加工中心有諸多優(yōu)點。通過立柱固定，一方面是減小了移動重量，另一方面，這種機床結構可實現(xiàn)工件的自動更換和實現(xiàn)坯件處于水平狀態(tài)進行裝夾。后者意味著大大簡化工件的裝夾和換夾，而且非生產性的輔助時間也會明顯縮短。”
為了實現(xiàn)工件的裝夾和卸載，Ecospeed F加工中心配備了裝有翻轉裝置的托板交換裝置。翻轉裝置將托板置于水平狀態(tài)，以進行工件的上下料，翻轉裝置置于垂直狀態(tài)，使裝夾有工件的托板進入機床的工作區(qū)。也就是說在加工時工件是豎直放置的。這樣的布局與臥式主軸頭相結合，以實現(xiàn)最佳的排屑。這種運動軸的配置，與經過使用考驗的立柱移動式機床相比，在加工中等尺寸的整體構件時可顯著提高生產率。
正如Michael Schedler先生指出的，現(xiàn)今許多加工企業(yè)最看重的是高的生產率。“金屬加工中規(guī)格和大型整體構件有時需要連續(xù)十小時或甚至更長些。如能將這個時間縮短幾個百分點，就能大大節(jié)約生產成本和提高柔性。如今的配件供應商和飛機制造企業(yè)對這些尤為關注。” 但是，這只有通過相應地提高材料切除率才能得以實現(xiàn)。
電主軸結構緊湊，功率達120kW
DST公司專門為此和主軸生產商GMN公司進行合作，針對高效的銑削主軸開發(fā)出了一個創(chuàng)新的結構。“現(xiàn)在電主軸的驅動功率為120kW，這為我們Ecospeed加工中心成為目前全球公認的最高效的鋁合金加工設備作出了重要貢獻。”Schedler先生自豪地說。
根據(jù)加工的工藝過程，加工中心的材料切除率最高能達到160 l/min。目前用于Ecospeed系列加工中心的電主軸HCS 230-30000，其驅動功率為120kW, 電主軸從轉速13,500r/min至30,000r/min，按連續(xù)運行方式（S1）可利用這樣的功率。電機的矢量控制（閉環(huán)控制）有很多優(yōu)點。譬如，銑削主軸在一個較大的轉速范圍內都能保持83Nm 的扭矩。此外C軸能固定在某個特定角度，銑削主軸就能傾斜地實現(xiàn)螺紋銑削。
與以往的主軸相比，目前使用的電主軸的驅動功率提高了50%，扭矩幾乎翻倍。GMN公司銷售經理Dieter Weiss先生解釋道：“過去，GMN面臨的最大挑戰(zhàn)是，要在給定的結構空間里實現(xiàn)這種高的驅動功率。由于DST加工中心上的并聯(lián)運動主軸頭是標準化的。因此，大功率電主軸要相配以前小功率主軸所使用的結構空間。”
Dieter Weiss先生繼續(xù)解釋道，除了功率密度外，重要的還有電主軸帶來的高可靠性和長效使用壽命。“DST公司對它的客戶要確保高效加工機床的利用率達到98%。特別是對于整體構件的大余量切削，而這樣的準則主要是與銑削主軸有關。因為，僅僅對一個構件進行長達十個小時的加工，銑削主軸幾乎是整天不停地在運轉。”
在Michael Schedler看來，GMN公司的專家們出色地實現(xiàn)了這一特殊要求。因為，他們顯著地提高了電主軸的可靠性。Michael Schedler先生說：“以前，高速旋轉的電主軸維修的間隔時間普遍在2,000至5,000小時。而通過我們特殊的結構和自主開發(fā)的高質量的主軸部件，使我們的電主軸在實際使用中運行時間達10,000小時而無需進行維護。”
自主生產的組件，確保質量和可靠性
這些優(yōu)化措施特別成功的原因是，因為，GMN公司在紐倫堡的工廠有很高的零部件自制率。如他們的專家自己設計、加工和裝配混合球軸承。同普通的標準軸承相比，混合球軸承具有十分高的精度，這相當于超精密的質量。
正如Weiss先生說的，軸承要以專門的偏角裝入電主軸。這種軸承要比標準球軸承擁有更高的剛性，對于這類特殊的應用，這樣的軸承能更好承受所出現(xiàn)的加工力。此外，軸承內外座圈的精度也有提高。相對于復合軸承滾道端面跳動（軸向跳動）被控制在2微米的精度之內，電主軸的軸承和殼體都通過不同的設備進行了恒溫處理，保持恒定的溫度。通過傳感器測量軸承座圈的溫度以及主軸的軸向位移。在CNC控制系統(tǒng)中的調節(jié)回路能對主軸的軸向移動進行補償。這也附加提高了工件加工的精度，此外，還延長了球軸承的使用壽命和維護的間隔時間。
DST公司的Michael Schedler先生將上述優(yōu)點作了如下總結：“由于同GMN公司的緊密合作不僅開發(fā)出目前全球整體構件最高效的大余量切削工藝，并且也提高了過程的可靠性（在這個加工領域里對提高經濟性作出了重要貢獻）。因此，配備GMN公司創(chuàng)新電主軸的Ecospeed加工中心，無疑使DST公司的機床成為了行業(yè)中的領先者。”
DST公司的Ecospeed加工中心受到全世界眾多飛機制造企業(yè)的認可。目前，公司收到了對高效切削創(chuàng)新工藝的大量咨詢，這也也令DST公司和GMN公司的訂單情況火爆。令Schedler,Holthausen和Weiss先生高興的是，幾乎每隔一分鐘就有盛滿切屑的集屑箱從Ecospeed臥式加工中心那里運走。