HDS系列高速加工中心的结构与关键技术

周建东

(大连机床集团有限责任公司重型机床研究所,辽宁大连 116020)

0 引言

高速加工中心是高速切削技术在加工中心上的应用,高速加工中心除了具有其它加工中心一样的多品种适应能力之外,又具有很高的生产率,所以特别适合象汽车这类品种更换频繁的大批量产品的制造。1985年美国 Ingersoll机床公司和美国 Ford汽车公司合作开发了单轴高速加工中心 HVM600、HVM 800。对传统的加工中心技术进行了最大的改进,在性能指标上实现了重大的突破,主轴转速达到20000rpm,主轴轴承采用动静压技术,采用内装主轴电机,快速移动速度达到76m/min,三个座标均采用直线电机驱动。加速度 X、Y轴达到 1g,Z轴达到 1.5 g。

随着第一台高速加工中心的问世,世界上很多机床厂商都相继开发出了具有自己风格的结构各异的高速加工中心。

大连机床集团从 1999年开始研制 HDS系列高速加工中心,并在 2001年制造出一台样机,随着数控技术和驱动技术的进一步发展,机床的结构也不断创新,性能指标得到了相应提高,并形成了 HDS高速加工中心系列。

1 HDS系列高速加工中心的主要参数

HDS630机床主要规格参数

机床的轮廓尺寸：7200×3600×3628

机床的总重量：20000kg

机床总功率：50kW

机床的主要技术参数：

X、Y、Z行程 1000mm、750mm、630mm。

X、Y、Z移动速度 60m/m in;

加速度 ：1.0g、1.0g、1.2g。

夹具在加工区内的回转范围：φ1000;

高度 1000mm。

主轴转速：0～12000r/min;

最大扭矩：306Nm;

主轴电机功率：30kW。

主轴前轴承直径：φ110mm

主轴最大轴向进给力：7000N

刀库：2个,每个刀库最大负载 100kg。

刀具数量：30把,每个刀库 15把刀。

刀具最大长度 310mm。

刀具最大直径 φ125/φ200(相邻不装刀)。

刀具最大质量 15kg。

换刀时间：5s(刀对刀)。

2 高速加工中心的结构

HDS系列高速加工中心是卧式镗铣类加工中心,其结构如图 1所示。加工中心采用工件固定,x、y、z轴移动单元均布置在立柱一侧的总体布局方案,做上下垂直运动的 y向移动滑台为框架式结构,框架的中空部分用以安装滑枕,z轴移动单元采用滑枕式结构,滑枕中心装有主轴部件。主轴采用内装主轴电机组成的电主轴,带有高压内冷,y轴滑座固定在 x轴滑台上,由x轴滑台带动主轴做径向移动,x轴滑台也采用框架式结构,沿框状立柱的上下导轨做左右方向的水平运动,这种所谓箱中箱式的结构设计,可以保证切削力作用在两导轨之间并消除了颠覆力矩,从而提高了机床的刚性。各坐标轴均采用滚珠丝杠驱动,滚柱式直线滚动导轨,具有了良好的刚性;各座标都采用了具有绝对位置功能的光栅尺,实现闭环控制。

图 1 机床外形图

3 部件结构

(1)主轴部件

选用德国 GMN电主轴,陶瓷轴承,主轴前轴承直径为 110mm,油加气润滑,自动拉刀锁紧机构,静态刀具拉紧力是 45KN,刀具与主轴的接口是空心锥柄结构HSK-A 100,该电主轴最高转速为 12000r/min,最大扭矩为 306N◦m,最大功率为 32kW。转速高,精度好,振动小,热稳定性好。高刚性：径向刚度为 1030N/μ,轴向刚度为 600N/μ,主轴实物如图 2所示。

电主轴性能曲线见图 3、图 4所示。

(2)刀具

采用能适应高转速、高精度的 HSK-A100刀柄,刀具采用金刚石及立方氮化硼等材质适应高速切削的刀具材料,并且采用了大量带有高压内冷等功能的刀具。本机床还配备了国际上最先进的激光刀具折断检测系统,可对加工过程中刀具的破损进行实时监控。

(3)滑枕

滑枕是本机床的关键部件,要求质量轻,刚性好,因此采用了蜂窝状的结构设计(见图 5),是提高本机床刚性并减轻重量的一个创造性的设计。滑枕照片图如图 6所示。

图 5 滑枕的三维结构

图 6 滑枕的外观

(4)三坐标单元

HDS系列高速加工中心三坐标单元采用了先进的“箱中箱”结构,是一种先进的高速加工中心典型结构,具有重量轻、刚性好、抗振性好的优点。通过德国Aachen大学机床实验室对该机床的结构原理、机床的刚性、动态特性进行审查分析;机床刚度可达18N/um,国外同规格的高速加工中心一般为 10N/um。

HDS系列高速加工中心三个坐标都采用了高速伺服电机驱动、圆弧同步齿型皮带及精密滚珠丝杠驱动,组合式专用丝杠支撑轴承;X轴采用双伺服电机同步驱动技术,使 X轴驱动的动态特性达到国际先进水平。三个坐标的导轨是滚柱式精密直线导轨,承载能力大,刚性好。因此本机床三个坐标移动的动态特性相当好,移动速度最高达 60m/min,加速度最高达到 1.2g。三个坐标都采用了绝对值式光栅尺,即使断电后重新启动亦能立刻识别自己的坐标位置,x、y轴移动单元如图 7所示,HDS 630三维结构见图 8。

(5)托板交换装置

本机床采用的是双托板工件交换装置,由液压油缸驱动,采用曲柄连杆正弦机构,托板实现 180°交换仅需 5.5s,速度快并且平稳。转台工作台台面630×630,由伺服电机驱动,转台可以连续回转,并配有绝对值式的光栅尺,采用闭环控制,能与 X、Y、Z三轴联动。转台定位精度达 ±5″,其优点是寿命长,刚性好,精度保持性好。

(6)其它部件结构

Z轴导轨采用刮板式防护和皮腔式导轨防护,X、Y导轨均采用铝制卷帘防护,高速特性好,外形美观。

机床设有完善的自动排屑功能,设有刀具外冷和高压内冷。

电主轴采用先进的油雾润滑,其余运动部件采用德国福鸟润滑装置润滑。

数控系统采用德国 Ind ramat的 MTC200数控系统和伺服电机。液压元件及气动元件均采用进口件。

4 结束语

本高速加工中心已成系列产品,各项技术指标都达到了世界先进水平,经过单台样机的试制、产品的完善、已批量生产,经用户使用,运行状况良好,具有广阔市场前景。

[1]周正干.高速加工中心的核心部件及其关键技术[J].机床与液压,2000(6)：53-56,77.

[2]美国 MoldMaking Technology杂志 Steve Ortner.

[3]Rick Dove,著,张申生,译.敏捷企业(上)[J].中国机械工程,1996,7(3)：17-21.

[4]刘静香,张春梅.浅谈高速加工中心及关键技术的发展[J].煤矿机械,2003,(10)：49-52.

[5]吴建华,姚振强.敏捷可重组制造系统的研究[J].淮阴工学院学报,2003,12(3)：1-6.

[6]单汩源.敏捷制造系统体系结构研究[J].中国机械工程,2000,11(6)：27-30.

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