高速加工中心在汽车零部件生产中的应用

zhang2010

　　汽车工业相对航空、航天、船舶、机床等机械加工工业来说，其突出特点是生产批量大，加工节拍短，为了适应这种单一工件的大批量生产，采用专机或专机自动线进行加工生产是最经济的，因而也最普遍的一种选择。然而，当前汽车用户对汽车的多样化、个性化的要求，迫使汽车企业的产品换型越来越快，产品品种纷繁多样，原来单一工件的大批量生产变成了多种工件各自的较小批量迭加成的大批量生产，因此，多年来在汽车制造行业占统治地位的组合机床(专机)生产线已无法满足汽车行业快速更新的现实需要，专机或专机自动线虽然效率高，但却限制了加工的柔性，使得机床对加工零件品种变化的适应性非常差。
. S+ ^1 Y( p' N2 B9 c　　为了解决这个难题，高速、高效的新一代加工中心——高速加工中心应运而生，很好地解决了加工柔性和产量、投资与更新的矛盾，满足了汽车行业目前多品种，大批量，少投资的要求，同时也满足了汽车零部件生产的这种要求。
  x9 m, g& f$ }0 f9 U0 n5 \, L　　高速加工中心的特点
. R, P) d) X4 w3 I6 H7 B　　高速加工中心是指主轴转速超过10000r/min，进给速度超过40m/min，进给加速度大于0.5G(5m/s2)的一类加工中心。为了实现高速、大切削量下稳定加工，一般，高速加工中心都具有下列结构特点：
: S- ^; S* z% c! Y, r0 z1 G: t3 Z　　1.高转速主轴
　　主轴转速过低无法满足生产效率要求，转速过高则在可靠性方面带来多种不利因素。高速加工中心主轴转速一般定在46—16000转/分之间。为此，最佳的结构方案为内装直驱动式的电主轴，电主轴在使用中不可拆卸，不需保养，不需调正。主轴转子安装在复合陶瓷滚珠轴承上，采用三点支承方式以保证高的动态刚性和精度。在定子和转子轴承四周有专门水冷系统以吸收发热。
" e' `9 J& p7 G- R! j1 N/ U　　2.动平衡与热平衡的结构设计
5 x. j9 f) r! {　　高速加工中心由于其高的主轴转速，高的进给速度及高的进给加速度，必然要求其结构设计具有高的静态刚性和动态刚性。为此，有的将液压装置与主轴分离放置，以减少震动对主轴精度的影响。
0 W) k" @* a# t0 M8 \+ Q/ M4 n　　设备结构完全是热对称的，这样可以避免由于热变形使主轴与工件的位置偏移。为防止作为重要热源的切屑引起热不平衡，有的从结构上设计使切屑不在被加工工件上及托盘上停留，而且通过在Z轴罩两侧的螺旋式排屑输送器将切屑快速排到切削液箱，以使由切屑引起的热的影响减到最小。
　　为保证运动刚性及稳定性，高速加工中心的设计通常遵循以下原则：
! D& s+ U5 }0 b7 v　　(1)对各轴所作的力始终在各个重心的轴线上，以避免加速和减速时设备结构件的摆动。
. v% U2 ]% F9 h8 D# Q+ i　　(2)移动部件的导向装置也处于重心平面上，以稳定设备的结构并避免加速和减速时结构件的摆动。
　　(3)采用部件镶嵌结构，改进部件的加工工艺，以减轻移动部件的重量。
　　(4)各轴测量都在推力中心进行，以便得到最精确的测量结果以及位置重复精度最大的稳定性。
( D! g1 I$ S+ O8 W　　3.高刚性三点支撑床身
' j5 P# `7 q/ B" f" w9 `' `3 q: u　　高速加工中心大都采用坐标镗床式的三点支撑床身，通过有限元分析方法(FEM)进行高刚性的结构设计，保持高刚性及稳定性，以在最大移动速度甚至需要进行强力切削和多次定位移动的加工中，都能达到刚性的最优状态。
, [! u4 J  v. `/ y! H' l　　4.直线滚动导轨将刚性与精度良好地综合在一起
4 j: O) [6 U8 m( j8 s( c　　高速加工中心的各坐标最大进给速度及快移速度一般都在40m/min以上，这些都是在精密的耐摩擦的直线运动滚珠丝杠导轨系统上实现的。滚珠丝杠采用无间隙预应力滚珠，导轨的润滑采用定量润滑，由一个润滑中心完成。这种系统具有优良的稳定性和动态刚性，可以对计算机的指令做出快速响应。有的机床的三个坐标采用新式结构的行量滚珠丝杠，为了最大限度减少滚动惯量，丝杠固定不做回转而由数字马达经齿形皮带驱动滚珠丝杠螺母转动。
　　5.采用HSK钳式刀具
　　HSK钳式刀具夹装方式是专门针对高速加工中心的刀具的，它的静态和动态刚性都非常强并且能够既安全又高效地传送扭矩。
　　6.换刀及交换工作台迅速
　　在加工中心的一个切削循环中，换刀时间及交换工作台时间往往占有较大部分的比重。在传统的非高速加工中心上，换刀时间(切屑到切屑)达14~20s左右，而交换工作台时间则需3min甚至更长时间，无疑这对于大批量、快节奏生产要求的汽车零件加工来说是不相适应的。而高速加工中心则在这两方面设计得与其高主轴转速、高进给速度及进给加速度相匹配，换刀时间(切屑到切屑)可达到3.5s左右，交换工作台时间则可减少到仅为6s。而每个工作台又具有精密鼠压盘分度机构以确保精确的360°等分分度。如果用户需要，也可以得到360000等分分度，提供加工各种表面零件加工的高柔性和工作时的刚性。
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