高效主轴提高HSC效率

高效主轴提高HSC效率

高效主轴提高HSC效率 2011： 成功的高效铣削应以适应任务需要、工艺可靠的电主轴、灵活的机床制造和所有元件的可靠协作为前提条件。是作为核心部件的电主轴，还是机床本身，还是其外围设备在HSC铣削时还能提供额外的能力？自动化和电子监控可以提供答案。高效铣削加工具有两个特征：采用高切削速度的加工（HSC铣削，亦称HSM）和以大扭矩与大切削功率为特征的高效加工（HPM）。其间，也有一些切削加工任务需要达到很高的切削效率和表面精整效果。一方面极高的转速是为航空工业所需，它主要用以加工铝材的组合件；另一方面，高转速也被用于模具加工中。由于诸如照相机或手机等产品越来越趋于小型化，加工的模具也变得越来越精细，对此必须采用0.5mm或以下直径的铣刀进行加工，并且对于加工较窄的精致模具也是如此。切削速度越高，切削的压力也就越小——这一点对电火花加工中的电极铣削作业极为重要。在加工薄壁的石墨电极时，可以采用直径为0.2mm的金刚石镀层铣刀进行加工，其刀片长度为2~4mm（角度比为10~20）。由此，加工主轴在机床的研发中始终占据着关键性的地位。鉴于技术的小型化发展趋势，主轴的转速接近60 000r/min才有意义。Step-Tec公司自1995年以来研发、生产和销售电主轴。该公司以大约50%的股份加入瑞士GF阿奇夏米尔集团（Mikron加工中心制造商），另以50%的份额加入到另一家著名的机床制造商。共制造出大约60种不同型号的主轴。由于模具制造、机器制造和航空工业的要求不同，因此各电机的特性曲线也不尽相同。转速范围高达54 000r/min，功率可达70kW。Step-Tec生产的目标是要把可接受的主轴尺寸、高精度、可控的温度等级和较长的使用寿命等因素结合起来。对此，制造厂家需要依靠有意义的规划、可靠的计算和设计以及最先进的生产方法和良好的组装技术。最后在每个部件离开工厂之前，还需对它进行检验（图1）。

图1 主轴是机床研发中的关键部位。转速提高是诸如瑞士Step-Tec公司等主轴制造厂商面临的挑战

有能力的员工会起到关键的作用，就如同钟表行业或工具修磨作业，这些员工拥有所需的手工技巧。Step-Tec公司大约有25%为自己加工。凡与电主轴轴承相接触的所有部件均属于此，尤其是主轴和前后的轴承法兰。所使用的是高品质的复合轴承，其滚动体（滚珠和圆柱辊）采用陶瓷，密封环则采用优质钢材。复合轴承是一项开创性的技术创新，企业从一开始就把它归为己有。目前采用的电主轴可以使表面精度达到最高，但若采用寿命超过20 000h的钢珠滚动轴承，则无法达到这种表面质量。从摩擦特性（离心力小）、热膨胀和润滑（通常为油气润滑）角度上看，复合轴承具有很大的优势。维持较长使用寿命的一个成功方法是要看究竟如何隔离轴承。在尺寸和圆度上都只是1μm的问题。近12年来电动主轴经历了大的功率飞跃，不仅仅只针对54 000r/min的HSC设备。HPM则从12 000r/min（160Nm）的最高转速跳跃到20 000r/min（160Nm）水平，并从20kW提高到66kW。这两种都对相应于这种速度和动力的设备制造带来影响。HPM主轴既适用于难度较大的粗加工，也适用于精加工。轴承是主轴高效的关键主轴制造厂家成功的途径之一便是通过员工间持续、透明的信息传递，使工作人员之间达到紧密配合，同时采用实时观察图片，改进加工工艺（KVP）。电主轴上设有一个类似车程记录仪的诊断模块，所示的数据可以有助于确保工艺的稳定。振动和轴承位置等单个信息均可通过铣削流程控制的Smart Machine模块传送给Mikron加工中心的操作人员。操作者可以识别出主轴工作是否正常，避免在作业中出现过载损伤。

图2 Mikron公司HSM 400U型5轴HSC加工中心是高效心轴的应用场合。这种用于较精细的模具制造的加工设备支持铣削/沉入式蚀刻的工艺组合

针对瑞士GF 阿奇夏米尔集团生产的加工中心可以首选采用主轴，其加工的产品范围涵盖42种设备类型。其中Mikron公司HSM 400U型加工中心属于顶级型号（图2），它可配备一个最大转速为54 000r/min的主轴。这样，这种设备就不仅可以用于对钢件和铝件的HSC铣削，同时也可以用于对陶瓷材料的铣削或磨削加工，以及对石墨的铣削。针对在医疗行业上的应用，该设备还有另一种名称即Prod Med 或Prod Med Dental。与基本配置有所不同的是，用在医疗行业上的设备采用油冷却。在制作移植牙、骨板或胯板（图3）时，Step-Tec主轴的工作范围是20 000~30 000r/min。刀具的直径为1~16mm。调质的注塑模具的加工作业也很节省时间。

图3 医疗行业上的运用实例：钛Ti-6Al-4V移植牙（上）和骨板（中）及跨板（下）。后一种为高合金奥氏体钢

在购置机床时须明确，带有托盘系统的自动化趋势越来越强。设备的用户并非生产百万工件，而是中小批量，有时甚至为单件。德国的生产基地可以充分利用自动化的潜力，即工作制实现无人或很少人的作业。这种潜力得到了认知和利用，特别是在接到快速供货订单并对小批量工件进行重复性生产时。实际情况显示，所购置的大约有70%的Mikron加工中心首次装配托盘更换装置。Smart Machine模块从人机对话方面对铣削流程作了优化，提高了无人操作的可靠性，降低了生产成本，对实现良好的经济性运行发挥了作用。这里举两例子加以说明：APS模块（高级流程系统）利用主轴的信号做出反应。通过OSS模块（操作者支持系统）可以为加工过程设置速度、精度和表面质量方面的优先级，以保证满足设计和工作规划要求，即便是单个工件。同步HSC 5轴加工的应用是否还会增强？这主要取决于CAD/CAM系统在可操作性方面的研发程度。在机床和模具制造业上，经常会遇到加工单件产品的情况。在这种情况下，编程耗时的不利因素相对于加工时间是非常显著的。

图4 在小批量和单件加工上，也越来越多地运用到自动化部件。通过对工件托盘的运用，可以开发无人作业或几乎无人作业的潜力

铣削与电蚀相结合未来，高速铣削和沉入式电蚀这种节省费用的组合还会引导出很多的应用机会，这些应用可能性一方面可以提高企业在工具和模具制造上的竞争能力，另一方面也可为精密机加工件的加工注入新的活力。另一个发展潜力将会是在中期，通过所有轴带有的线性驱动5轴机床设备显现出来。如果设备制造厂商和电动主轴厂家保持联系的话，则将有利于用户在HSC和HPM方面的加工作业。这种潜力也有助于实现在复杂的同步HSC 5轴加工系统上，各个部件需要达到相互协调、相互配合的前提条件。(end)

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