高速主轴系统和电主轴课件

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,浙江机电职业技术学院落,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,浙江机电职业技术学院落,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,教师：高永祥,2009年9月,浙江机电职业技术学院,数控高速加工与工艺,教师：高永祥浙江机电职业技术学院数控高速加工与工艺,高速切削机床和加工中心,背景,采用枪和炮来做高速切削实验,高速电主轴单元的研制成功,真正实现高速、高加速进给运动的直线电动机在机床上的成功应用,高速机床的应用则是现代机床工业的第二次革命,高速切削机床和加工中心背景,1。,高速加工对机床的特殊要求,高速机床与普通机床的区别,（1）主轴转速高、功率大,转速：一般大于10000,r/min,主电动机功率：1580,KW,（2）,进给量和快速行程速度高,进给量：60100,m/min，,常规10倍左右,（3）主轴和工作台运动都有极高的加速度,主轴从启动到最高转速只用12,S。,工作台加、减速也由常规数控机床的0.10.2提高到18,g。（,没有高的加速度，工作部件的高速度是没有意义的）“速度设计”进行“加速度设计”的时代,（4）机床要有优良的静、动态特性和热态特性,机床各运动部件之间作速度很高的相对运动，运动副接合面之间将发生急剧的摩擦和发热,快速刀具交换、快速工件交换以快速排屑等装置,1。高速加工对机床的特殊要求高速机床与普通机床的区别,2.“,零传动理论”,以往的机床，不论是普通机床还是数控机床，从动力源到执行部件，要经过一系列的带、齿轮、离合器、联轴器、丝杠、螺母等中间环节，,（转动惯量，元件要弹性变形，摩擦磨损和反向间隙）影响对运动指令的快速反应。,解决方法：根本上解决问题，则最好取消从电动机到工作部件之间的一切中间传动环节，使电动机和机床的工作部件合二为一，从而使传动链的长度等于零，实现机床的“零传动”,零传动是现代高速机床的基本特征，它不但大大简化机床的传动与结构，更重要提高机床动态灵敏度、加工精度和工作可靠性。,电主轴是实现高速机床主运动系统“零传动”的典型结构。,直线电动机高速进给单元是高速机床进给系统实现“零传动”的典型代表。,2.“零传动理论”以往的机床，不论是普通机床还是数控机床，从,3.,高速加工中心的基本特征,加工中心和普通数控机床的主要区别有以下四点：,1）有自动换刀装置，能实现工序间的自动换刀，这是加工中心标志性结构。,2）三坐标以上的全数字控制,3）多工序功能，一次装夹中，尽可能完成多工序加工,4）配置自动更换的双工作台，实现机床上、下料的自动化。,辅助工时大大缩短，机床的工艺可能性和加工精度也达到高精度。,3.高速加工中心的基本特征加工中心和普通数控机床的主要区别有,4.,加工中心的高速化,数控机床生产总量中，加工中心占有50%的份额。,加工中心主轴转速达到6000080000,r/min,使用直线电动机的快速进给超过100,m/min,加减速度可达到3,g6g。,高速度、高精度、高刚度就成为对现代高速加工中心的基本要求。,例：欧州国家生产的高速加工中心，标准定位精度为8微米，重复定位精度为4微米。,大批量零件的生产线上，高速加工中心不仅实现了柔性生产。,4.加工中心的高速化数控机床生产总量中，加工中心占有50%的,5.,高速加工中心的技术特征,1.提供高旋转速度的主轴部件，高移动速度的进给系统以及相关的元部件和技术就构成了高速加工中心的基本技术体系。,高速加工中心的技术特征：,一高速切削的技术指标；,二是实现高速切削的机床结构特征。,5.高速加工中心的技术特征1.提供高旋转速度的主轴部件，高移,5.1,高速加工中心的速度指标,国外文献：对高速切削有两种表述方法：一种叫,High Speed Machining(HSM),另一种叫,High Velocity Machining(HVM),高移速加工,一种观点：比传统的切削速度高时，就可以称,HSM，,当切削速度达一定值，才可以称,HVM,高速加工比较合理说法：切削速度达到一个相对高的量级，不仅材料切除率大大提高，切削力下降，工件的温升较低，热变形小，刀具的耐用度高。,5.1高速加工中心的速度指标国外文献：对高速切削有两种表述方,5.2,高速加工中心的结构特点,高速加工中心类机床具有一些共同的结构特点：即装备有高速主轴系统和高速进给系统；同时，为了适应高速加工的需要，机床的其他结构部件也要做一些相应改进。,高速主轴系统：,传统：带和齿轮传动主轴部件虽然有大功率、大切削转矩的特点，但不能满足主轴高速旋转的要求。最大转速只能达10000,r/min,左右,高速：采用电主轴结构。电主轴：将主轴和电动机集成在一起的结构，取消了主传动链中的一切中间传动环节，简化机械结构。,制造：瑞士,Fisher,公司和德国,GMN,公司，90年代的水平是40000,r/min，,功率40,KW。,美国,Cincinnati,公司为宇航工业生产的电主轴转速高达60000，功率为80,KW.,5.2高速加工中心的结构特点高速加工中心类机床具有一些共同的,（2）高速进给系统,目前高速进给系统主要有三种方案：,1）滚珠丝杠,“,旋转电动机+滚珠丝杠”仍是加工中心和其他数控机床进给系统的“一统天下”。,缺点：转动惯量大、扭转刚度低，传动误差大、摩擦磨损和发热严重、弹性变形引起工作台爬行。最大直线速度为3060,m/min，,加速度只有0.21,g.,解决：采用大导程的滚珠丝杠，可提高进给速度，但发热大大增加，造成严重的热变形，可以采用空心丝杠通冷却油的方法来减少热变形误差。,（2）高速进给系统目前高速进给系统主要有三种方案：,（2）高速进给系统,2）直线电动机,1993年德国,Ex-cell_O,公司在汉诺威国际机床博览会展出了世界上第一台直线电动机驱动工作台的,HSC240,型超高速加工中心，主轴转速24000,r/min，,最大进给速度60,m/min,直线电动机的动子和工作台固连，定子则安装在机床床身上，取消滚珠丝杠和其他一切中间机械传动环节，实现了加工中心进给系统“零传动”。,速度高，最大进给速度可达80180,m/min,加速度大，210,g,定位精度高，以光栅尺为位置测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作台定位精度高达0.10.01微米。,行程不受限制。美国,Cincinnati,公司开发的,SuperMach,大型高速加工中心，其,X,轴的行程长达46,m,采用直线电动机.,（2）高速进给系统2）直线电动机,（2）高速进给系统,图中直线电动机与滚珠丝杠加速度性能比较。滚珠丝杠从0至25,m/min，,需时0.5,s；,而直线电动机从0至75,m/min，,只需0.05,s。,电动机优良的加速性能较好。,直线电动机缺点：电动机发热、磁场对切屑和铁屑工具有吸附作用以及成本较高。,（2）高速进给系统图中直线电动机与滚珠丝杠加速度性能比较。滚,3）,并联（虚拟轴）机构,为了实现任何的坐标移动，牵动电主轴的六根实轴都必须运动。,六根杆的伸缩既可用滚珠丝杠，也可用直线电动机。,这种并联机构也有速度高、加速度大和刚度好等优点。,3）并联（虚拟轴）机构为了实现任何的坐标移动，牵动电主轴的六,（3）,自动换刀技术的改进,1）高动作速度，采用机械凸轮式的换刀机构,2）设计和布置刀库与换刀装置,3）采用新的方法进行刀具快速交换。可以考虑不用刀库和机械手方式。,4）采用适合高速加工的,HSK,刀柄,（3）自动换刀技术的改进1）高动作速度，采用机械凸轮式的换刀,高速加工中心的典型结构,1.立式高速加工中心,刀具主轴垂直设置。,运用电主轴,工作台运动变成刀具主轴（立柱）作进给移动，工作台固定不动。,为了减轻运动部件的质量，刀库和换刀装置,ATC,不宜再装在立柱的侧面，而把它固定安装在工作台的一侧，由立柱快速移动至换刀位置进行换刀。,高速加工中心的典型结构1.立式高速加工中心,2.,卧式加工中心,采用工作台固定，主轴运动的进给系统结构。,箱中箱的结构。,2.卧式加工中心采用工作台固定，主轴运动的进给系统结构。,3.,龙门式高速加工中心,传动的运动方式：主轴箱在横梁上横向移动，,Y；,主轴上下运动实现,Z,方向的进给运动，,X,方向的进给则由工作台来完成。,1）改工作台进给为横梁运动,工作台质量大，实现高速、低速运动比较困难。,2）由于采用龙门式结构比较柱更容易实现高速运动具结构简单。,3.龙门式高速加工中心传动的运动方式：主轴箱在横梁上横向移动,4.,五轴和多面加工中心,多轴和多面加工中心是指除,X、Y、Z,三个直线运动坐标外，还具有旋转进给运动的数控机床。,多面加工中心（,Multi-sides Machining Center),工作台或铣头可以回转定位于不同的方向的机床，适用于箱体类零件一次装夹即可完成多个表面的切削加工。,五轴加工中心一般有两种典型的结构：一种是两个旋转轴安装在加工中心工作台上，由工作台带动工件回转进给，完成多轴或多面加工。另一种是两个旋转轴的转动进给都由主轴实现，即主轴头具有,B,轴和,A,轴的回转摆动，实现旋转坐标的切削进给，工作台和工件则固定不动。,4.五轴和多面加工中心多轴和多面加工中心是指除X、Y、Z三,5.,可换头的五轴加工中心,可换头的五轴加工中心除具有多个可交换的满足不同工艺要求的主轴头外，在实现高速加工方面的优越性在于，它可以根据加工需要，选择不同速度的主轴头。可同时兼顾低速转矩切削和高速切削，更大地扩展了机床的使用范围。,5.可换头的五轴加工中心可换头的五轴加工中心除具有多个可交换,高速加工中心的快速换刀装置,1.快速自动换刀技术,刀库的设置、换刀方式、换刀执行机构和适应高速机床结构特点,（1）换刀速度指标,1)刀对刀换刀时间(,tool to tool),换刀装置把要换的刀具从主轴开始拔下到将下一工步需要的刀具完全插入主轴所需要经历的时间。,2),切削对切削换刀时间(,Cut to cut),3）切屑对切屑换刀时间(,chip to chip),刀具主轴从参考位置移向换刀位置，换完刀后再回到参考位置的过程中主轴启动并达到最高转速所需要经历的时间。,高速加工中心的快速换刀装置1.快速自动换刀技术,(2),提高换刀速度的基本原则,1）加工中心刀具自动换刀的基本出发点是多种刀具参与的加工过程中，通过换刀的高速化，减少辅助时间。,2）加工中心的换刀装置通常是由刀库和刀具交换机构组成，常用的有机械手和无机械手两种,3）设置高速加工中心的换刀装置时，时间并不是唯一的考虑因素,(2)提高换刀速度的基本原则1）加工中心刀具自动换刀的基本出,（3）,提高换刀速度的方法,1）在传统的自动换刀装置的基础上提高动作速度，或采用动作速度更快的机构和驱动元件。,2）按高速机床新的结构特点设计刀库和换刀装置的形式和位置,3）用新方法进行刀具快速交换。不用刀库和机械手方式，而改用其他的换刀方法。,4）采用适合高速加工中心的,HSK,刀柄。,HSK,刀柄质量轻，拔刀行程短，可以使自动换刀装置的速度提高。,（3）提高换刀速度的方法1）在传统的自动换刀装置的基础上提高,2.,换刀的新方法,（1）多主轴换刀：采用多个主轴并排固定在主轴架上，一般为318个。每根主轴由各自的电动机直接驱动，并且每个主轴上安装了不同的刀具。,（2）双主轴换刀，加工中心上有两个工作主轴，但不是同时用于