高速電主軸是高速加工中心的核心部件。在模具自由
曲面和復(fù)雜輪廓的加工中，常常采用2～12mm較小直徑的立
銑刀，而在加工銅或石墨材料的電火花加工用的電極時(shí)，要求很高的
切削速度，因此，電主軸必須具有很高的轉(zhuǎn)速。目前，加工中心的主軸轉(zhuǎn)速大多在18000～42000r/min，瑞士Mikro的高速加工中心XSM400U/XSM600U其主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)54000 r/min。而對(duì)于模具的微細(xì)銑削(銑刀直徑一般采用0.1～2mm)，則需要更高的轉(zhuǎn)速。如德國(guó)KUGler公司的五軸高精度銑床，其最高主軸轉(zhuǎn)速達(dá)160000 r/min(采用空氣
軸承)，這樣的高轉(zhuǎn)速，當(dāng)采用0.3mm直徑的銑刀加工鋼模時(shí)，就可達(dá)到150m/min的切削速度。目前，德國(guó)Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)研究所正在開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)速為300000 r/min的空氣軸承支撐的主軸。
加工模具時(shí)，總是采用很高的轉(zhuǎn)速，而高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的發(fā)熱，以及切削時(shí)可能產(chǎn)生的振動(dòng)是影響模具加工精度的重要因素。為保證高速電主軸工作的
穩(wěn)定性，在主軸上裝有用來(lái)測(cè)量溫度、位移和振動(dòng)的
傳感器，以便對(duì)電機(jī)、軸承和主軸的溫升、軸向位移和振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控。由此為高速加工中心的
數(shù)控系統(tǒng)提供修正數(shù)據(jù)，以修改主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)主軸產(chǎn)生軸向位移，則可通過(guò)零點(diǎn)修正或軌跡修正來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。
目前，模具加工用的高速加工中心或銑床上多數(shù)還是采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠來(lái)驅(qū)動(dòng)直線坐標(biāo)軸，但部分加工中心已采用直線電機(jī)，例如德國(guó)Röders公司的RXP500DS/RXP800DS型高速銑床和德吉馬公司的DMC75V linear型高速加工中心(其軸加速度達(dá)2g和快速行程速度達(dá)90m/min)。由于這種直線驅(qū)動(dòng)免去了將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)元件，從而可顯著提高軸的動(dòng)態(tài)性能、移動(dòng)速度和加工精度。采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床可顯著提高生產(chǎn)率。例如在加工電火花加工用的電極時(shí)，加工時(shí)間要比采用傳統(tǒng)高速銑床減少50%。直線電機(jī)可以顯著提高高速機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。由于模具大多數(shù)是三維曲面，刀具在加工曲面時(shí)，刀具軸要不斷進(jìn)行制動(dòng)和加速。只有通過(guò)較高的軸加速度才能在很高的軌跡速度情況下，在較短的軌跡路徑上確保以恒定的每齒進(jìn)給量跟蹤給定的輪廓。如果曲面輪廓的曲率半徑愈小，進(jìn)給速度愈高，那么要求的軸加速度愈高。因此，機(jī)床的軸加速度在很大程度上影響到模具的加工精度和刀具的耐用度。
在高速加工中心上，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的擺動(dòng)以及叉形主軸頭的擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，已廣泛采用轉(zhuǎn)矩電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)矩電機(jī)是一種同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子直接
固定在所要驅(qū)動(dòng)的部件上，所以沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)元件，它像直線電機(jī)一樣是直接驅(qū)動(dòng)裝置。轉(zhuǎn)矩電機(jī)所能達(dá)到的角加速度要比傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)高6倍，在擺動(dòng)叉形主軸頭時(shí)加速度可達(dá)到3g。由于轉(zhuǎn)矩電機(jī)可達(dá)到極高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載剛性，從而提高了回轉(zhuǎn)軸和擺動(dòng)軸的定位精度和重復(fù)精度。
目前，已有部分廠家的高速加工中心，已采用直線電機(jī)和轉(zhuǎn)矩電機(jī)來(lái)分別驅(qū)動(dòng)直線軸(X/Y/Z)和回轉(zhuǎn)擺動(dòng)軸(C和A)。如R?er的RXP500DS/RXP800DS,德馬吉的DMC75V linear和Edel的CyPort五軸龍門(mén)銑床．應(yīng)該提及的是，直接驅(qū)動(dòng)的直線軸與直接驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)軸相組合，使機(jī)床所有的運(yùn)動(dòng)軸具有較高的動(dòng)態(tài)性能和調(diào)節(jié)特性，從而為高速度、高精度和高表面質(zhì)量加工模具自由曲面提供了最佳條件。
CNC控制系統(tǒng)是高速加工中心的重要組成部分，它在很大程度上決定著機(jī)床加工的速度、精度和表面質(zhì)量。因此，對(duì)于加工模具自由曲面的高速機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)的性能具有特別重要的意義。
加工高精度自由曲面時(shí)，由微段直線和圓弧構(gòu)成的刀具軌跡造成龐大的零件程序，這些數(shù)據(jù)流需要由機(jī)床控制系統(tǒng)來(lái)儲(chǔ)存和處理，因此，程序段處理時(shí)間的長(zhǎng)短是決定CNC控制系統(tǒng)工作效率的重要指標(biāo)。目前，高檔CNC控制系統(tǒng)的程序段處理時(shí)間一般可達(dá)0.5ms(如海德漢的iTNC530數(shù)控系統(tǒng))，而個(gè)別數(shù)控系統(tǒng)的程序段處理時(shí)間已縮短到0.2～0.4ms。應(yīng)用于模具高速加工的現(xiàn)代CNC數(shù)控系統(tǒng)，除了具有為確保高速進(jìn)給速度所必要的很短程序處理時(shí)間外，還應(yīng)具有Nurbs和樣條插補(bǔ)功能，并能以納米的分辨率進(jìn)行工作，以便在高速加工的情況下獲得高的加工精度和表面質(zhì)量。
目前，高檔的數(shù)控系統(tǒng)也都能與不同廠家的
CAD/
CAM系統(tǒng)進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)從CAD/CAM系統(tǒng)經(jīng)以太網(wǎng)以很高的速度傳送到控制系統(tǒng)上。CAD/CAM集成到控制系統(tǒng)上，在很大程度上能使模具復(fù)雜輪廓的加工獲得良好的效果，并對(duì)縮短調(diào)整時(shí)間和編程時(shí)間做出十分重要的貢獻(xiàn)。
近十年來(lái)，驅(qū)動(dòng)技術(shù)和控制系統(tǒng)的長(zhǎng)足進(jìn)步，推動(dòng)了加工中心結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新和性能的不斷提高。電主軸、直線電機(jī)、轉(zhuǎn)矩電機(jī)和快速數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)提高加工中心的高速、高動(dòng)態(tài)和高加工精度起了決定性的作用。而在模具加工機(jī)床的多種結(jié)構(gòu)創(chuàng)新中，轉(zhuǎn)矩電機(jī)起到了特別重要的作用。它不僅應(yīng)用于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)，而且還應(yīng)用于叉形主軸頭的擺動(dòng)或主軸頭的擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，由此構(gòu)成各種不同類(lèi)型的五軸加工中心。而回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)主軸頭的應(yīng)用，又為發(fā)展加工大型模具的五軸龍門(mén)式高速精密銑床提供了技術(shù)支持。
今后，進(jìn)一步提高主軸轉(zhuǎn)速、動(dòng)態(tài)性能和行程速度仍是高速加工中心的發(fā)展重點(diǎn)，這不僅仍要依賴(lài)于驅(qū)動(dòng)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，還要有賴(lài)于機(jī)床
構(gòu)件輕量化的發(fā)展和并聯(lián)機(jī)床的開(kāi)發(fā)。可以預(yù)料，在今后5年中，高速加工中心或高速銑床的軸加速度有望達(dá)到3～4g,坐標(biāo)軸的快速行程速度達(dá)到100～140m/min。
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