一种高速卧式加工中心的整机结构的构建策略

　0 前言
　　目前高速切削技术被认为是实现高生产率和高精度的关键制造技术之一。而作为提供高速加工中心技术的主体目前运用于汽车工业、航空航天工业、模具制造业、精密加工、薄壁易变形零件、难加工的复合及合金材料等领域已开始广泛应用。
　　1 高速切削与高速加工中心概述
　　高速切削以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征。高速加工技术作为近年来迅速发展的一项高新技术，因其可以大幅度提高机床的加工效率、降低加工成本、提高零件的加工表面质量和加工精度—即提高生产率。
　　实现加工的高速性能最主要是对高速切削机床的研究和开发。实现高速加工中心高速、高效、高精、复合化的发展趋势对机床的设计理论、方法和技术手段等层面都提出了新的要求。
　　从世界上的加工中心目前的发展趋势来看，主要向着高速、精密的方向发展。以德国 DMG 公司生产的高速立式加工中心为例，该加工中心的主轴转速高达42000r/min，快速移动速度可达到 90m/min，体现了国际一流加工中心的水平。与世界上的发达国家的数控加工技术中心技术研究相比，我国还处于较为落后的阶段，有着较大的发展空间。目前国内加工中心机床的主轴转速在6000r/min 到 16000r/min 的范围内，快速移动的速度在 30m/min 到 40m/min 的范围内。综上所述国内与国外相比高速加工中心还存在着技术、产品性能上的落后，有关的结构设计的理论及技术研究还有缺乏之处。
　　2 高速卧式加工中心的结构布局分析
　　对机床的形式进行选择，对机床的机构布置主要是对机床安排在各个的部件所在位置，并合理分配运动。机床机构的好坏对机床的工艺方案实现有着重要影响，零件和部件也是在此基础之上进行设计，在整体机床的设计中影响较大。
　　卧式加工中心的主要运动包括三个移动轴（X、Y、Z）和一个回转轴（B轴），在四个运动轴的分配上，四个相对运动有三种分配方式，一是分配给道具，二是分配给工件，三是道具和工件相互协作工作。从机床的整体结构现状来看，一个回转轴一般都由工作台的回转来完成（B轴），所以做好机床的布局分配重点是在三个移动轴上。
　　3 高速卧式加工中心传动系统设计相关技术研究分析
　　3.1 高速电主轴技术
　　机床主轴工作主要是负责传递并承受动力和切削工作，机床整体的工作性能、工作精密度以及工作效率与机床主轴有着重要的联系。高速卧式加工中心的主轴的转速通常情况下要达到10000r/min以上，铣削的速度要达到40000～50000r/min。目前看来，这些速度仍有上升的趋势。所以要想提升卧式加工中心的速度，高速主轴是设计中重要的一个环节。
　　在国际上通常采用的高速、高效、高性能的数控机床主要是电主轴单元，见下图。电主轴单元在多工件复合加工机床、并联机床、多轴联动多面体加工机床以及柔性加工单元中，有着不可比拟的优势体现。
　　电主轴它是通过内装电机进行直接的驱动工作，由电机组件、测角系统、外壳、轴承等部分组成，与此同时还有冷却系统和润滑系统配备而成。
　　主轴的转速特征值一般可以用来衡量主轴转速特性，它的计算公式为：转速特征值=轴径×转速。
　　目前的滚珠轴承运转速度可以达到1×，磁浮轴承的运转速度可以达到4×。轴径为30mm的最高的运转速度可以达到30000r/min～13000r/min。
　　轴承的零件好坏能够直接影响到主轴的运转速度。在国外对轴承以及抽成的分布预防都已经进行了对应的测试，探寻最高运转速度下的最大轴承选择。在加工结构零件的时候，想要提高效率，就要选择功率大的电机来提升金属去除率，而金属去除率和功率有着直接的关系，想要有大的功率，电机就会大，紧接着电机大会带来大传动轴和刀具系统，轴承越大主轴的转速就会变低。所以在进行高速卧式加工中心的整机结构设计时，要考虑的是轴承与速度相协调的最大速度和效率，从而进一步选择满足高速的结构设计的需求。
　　3.2 高速进给系统设计
　　高速进给系统是高速卧式加工中心整机机构的一个重要组成部分。在高速加工中心的技术不断发展的今天，高速进给系统也再不断地适应加工中心的需求，速度增长到传统的5～10倍。目前，高速加工中心对高速进给系统的要求再不断提高，在进行系统设计时也应针对以下方面进行改进。
　　（1） 高速度。高速机床的主轴运转速度在提高，要想得到高速切削工作效率的提升，并且得到顺利的进行，就必须从高速进给系统抓起。目前高速进给系统的速度要求达到60/min以上，并且要求在此基础上不断地提升。
　　（2） 高加速度。在大部分的高速卧式加工中心中，零件的运行形成会在几十到几百毫米间不等。所以就要求有较好的加减速特性来完成高速运转中的启停工作，否则工作再快的速度是没有意义的。这对高速进给系统的高价速度有了一定的要求，一般要在1g以上，有的会要求在2～10g不等。
　　（3） 高稳定性与高安全性。高速卧式加工中心的运作对部分环节的性能要求较高，因为在数控机床中有强、弱的接口环节，所以它的运作对整体机床的稳定性与安全性会造成一定的影响，所以就要求高速进给系统在进行结构设计上更加注重提高整体机床的稳定性与安全性。
　　（4） 高精密度。机床运作需要达到一项指标就是高精密度，在高速卧式加工中心中需求尤为明显。因为高速卧式加工中心更注重高速运转，所以会对机床工作的精密度造成一定的影响，但在设计上要重新重视起来。具体可以通过两方面来改造，一是通过提高坐标轴自身的闭环位置来进行控制，二是从合成轨迹和闭环的控制来实现高速轨迹控制。
　3.3 滚珠丝杠与直线导轨配合的机床进给驱动设计
　　伺服电机与滚珠丝杠的进给中最大速度为，最大加速度为。
　　转换关系如下：
　　其中
　　为伺服电机的最大转速；
　　P为丝杠导程；
　　伺服电机的最大扭矩；
　　J为传动系统的传动惯量；
　　M为运动质量；
　　通过转换公式可以得出，伺服电机的最大转速与滚珠丝杠的最大直线运动速度和丝杠导程成正比；伺服电机的最大扭矩与加速度成正比，与传统系统的传动惯量成反比。所以要想有较高的加速度和进给速度就需要通过增大丝杠导程、降低传动系统的传动惯量与运动质量，使用较高转速与扭矩的电机。
　　3.4 进给系统伺服电机的选择
　　伺服系统的机电选择对进给驱动系统有着较为重要的影响，它要求能够满足进给系统机电选择的需求，具有较好的位移反馈和精准度，具有较强的反映速度，稳定性强，能够调速范围宽、高速卧式加工中心所采用的通常是大惯量伺服电机，针对伺服电机的选择一般有以下四个原则。
　　（1） 机床的正常负载扭矩，要有所限制，不能超过连续工作的额定输出扭矩。
　　（2） 最大输出扭矩不能低于短期工作的最大负载扭矩。
　　（3） 要能够有高加速的性能。
　　（4） 负载惯量要求系统运作有较强的灵敏度和较高的加速度。如果负载惯量较大，就需要加速度持续的时间更长一些，如果负载惯量出现变化，加速度也应做出反映。
　　4 结语
　　高速加工中心是数控机床中加工精度、生产率和自动化程度最高的综合性机床，也是现代数控机床中最具代表性和技术附加值的产品。随着我国装备制造业产业优化升级和自主创新能力提升，从综合技术性能和发展应用趋势分析，高速加工中心应用范围日益扩大，日后将成为主流制造装备。
　　参考文献：
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　　周建东.HDS系列高速加工中心的结构与关键技术. 组合机床与自动化加工技术. 2010（03）：1-3.
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　　Cahners. Five-axis machining center design. Control Engineering，2005（08）：9-11
　　张伯霖，黄晓明，范梦吾. 高速机床进给系统的发展趋势.组合机床与自动化加工技术，2002（02）：7-11.
　　作者简介：李永强（1985-），男，甘肃武山人，本科，讲师，研究方向 ：机械设计及理论。

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