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機床大講堂丨影響車銑復合機床加工精度的因素有哪些?

2021-09-26 17:55:41


機床復合化是數控機床從單一功能向多功能方向發展的新趨勢。車銑復合、車磨復合、銑磨復合等復合加工機床隨著零件加工要求的變化而相繼出現。這類機床的出現,改變了傳統數控機床的布局和結構,能夠實現一機多用,工件一次裝夾就可以完成全部或大部分工序的加工,從而減少了工件裝夾次數,提高了機床加工效率,減少機床使用臺數,節約能源。



  車銑復合機床是復合加工機床中發展是很快、使用很廣泛的數控設備。對高速精密車銑復合數控機床來說,其主軸系統是電主軸結構,機床的加工精度很大程度上取決于機床的電主軸系統的精度,并受刀架位置精度和機床整機動態性能的影響。因此在車銑復合機床制造與裝配過程中如何提高電主軸系統的精度、提高刀架的位置精度、改善機床的整機動態性能是機床設計的關鍵。本文從以下幾方面來分析影響車銑復合機床加工精度的因素,并提出相應的解決方法。



01


電主軸系統的精度



1.1電主軸系統的分度精度和準停精度


  車銑復合加工機床電主軸系統的分度精度和準停精度是考核機床主軸精度的一個重要指標,是影響機床加工精度的重要因素。為了實現電主軸系統高的分度精度和準停精度,國際上數控車銑復合加工中心均采用內藏主軸式電機,主軸與電機轉子裝配成一體,減少中間傳動環節對主軸精度的影響。工作時,電機轉子回轉即帶動主軸回轉。主軸回轉的速度環和位置環采用高精度的反饋元件,實現全閉環控制,反饋元件采集到的位置信號經數控系統分頻處理,使主軸分度的分辨率達到0.001°或更小,從而使機床主軸系統具有很高的分度精度和準停精度。平床身數控車床



  為實現上述目的,采取如下解決方法:



  a.電機轉子與機床主軸采取特殊的裝配工藝,保證機床主軸與電機轉子內孔的連接剛度,能傳遞大的切削扭矩。



  b.電主軸組裝配時采用較高等級的高速動平衡,降低主軸組的剩余不平衡量,保證主軸在高速回轉時的平穩性。



  c.電主軸系統采用主軸制動和阻尼裝置,在需要主軸準停銑削或鉆削時,主軸處制動狀態,以保證銑削時主軸不晃動。在連續分度銑削時,主軸處于阻尼狀態,以保證銑削時主軸回轉的平穩性。制動狀態和阻尼狀態可以自動切換,由編程設定。通過以上措施,電主軸系統主軸的分度定位精度 ≤24,主軸分度的重復定位精度≤12。


車銑復合機床

1.2電主軸系統的回轉精度


  數控車銑復合加工中心為高精度加工機床,主軸組是關鍵部件,主軸組的回轉精度直接影響加工工件的精度。



  為保證主軸組具有高的回轉精度,在電主軸系統中,主軸與電機轉子的連接、定子外套與主軸箱體的配合、主軸兩端與軸承組的配合等采取了以下一系列的工藝措施:



  a.在電主軸裝配前先保證主軸箱體孔的精度,孔的圓度、尺寸公差、前后軸承孔的同軸度都在要求的范圍內;主軸軸頸的徑向跳動、前后軸頸的同軸度以及主軸端部的徑向跳動和端面跳動公差均控制在0.002mm之內。



  b.裝配時根據軸承外圈的尺寸,研磨主軸箱體孔,并使其與軸承外圓的配合公差嚴格控制在規定的范圍;電主軸的電機轉子與主軸采取特殊的裝配技術等。



  采取以上措施后,電主軸系統的回轉精度得到了保證,主軸的徑向跳動和端面跳動都在0.002mm之內,為保證工件的加工精度奠定了基礎。電主軸系統的熱平衡。斜床身車銑復合


  

1.3電主軸系統的熱平衡


  電主軸系統中電機是個發熱體,高速回轉的前后軸承也是發熱體,這會使電主軸的溫度上升,影響電主軸系統的加工精度。如何消除熱源對機床主軸精度的影響,實現電主軸系統的熱平衡是車銑復合加工機床設計和制造過程中要解決的關鍵問題。為此采取以下幾項措施:



  a.主軸箱體采取熱對稱設計,箱體外的散熱筋兩邊對稱分布,讓主軸箱產生的熱量盡快通過散熱筋散發掉,同時由于散熱筋是對稱分布的,主軸發熱時主軸軸線不會產生偏移。



  b.對主軸軸承的預加載荷和潤滑條件按設計要求予以控制,既保證主軸的剛度,又保證主軸在高速回轉時軸承發熱量很小。



  c.對電機這個主要發熱源采用外循環冷卻措施。在電主軸的定子外套外面裝有循環冷卻水套,冷卻水由獨立的溫控裝置進行控制,溫度控制在22±1℃,電機產生的熱量通過定子外面的冷卻水套的循環冷卻水迅速帶走。



  通過以上技術措施,保證了主軸在高速回轉時前軸承溫升不超過25℃,后軸承溫升不超過20℃,實現了電主軸系統的熱平衡。



02


車銑復合加工機床動態性能



  a.機床電主軸系統的動態性能。機床加工精度不僅受到前面各項因素的影響,還要受到電主軸一軸承系統的動態特性的影響,而機床的振動就取決電主軸一軸承系統的動態特性。由于電主軸的軸承系統是一個復雜的振動系統,其動態特性不僅與系統的阻尼和靜剛度有關,還與由系統結構。



  所決定的振型有關。因此在進行機床設計時,要進行動力學分析,計算出主軸箱體的一階、二階固有頻率,使其一階固有頻率要避開主軸的很低轉速,二階固有頻率要避開電主軸的很高轉速,以避免電主軸系統產生共振,消除由于振動造成的對機床加工精度的影響。



  b.機床床身整體剛度對車銑復合加工機床的加工精度影響很大,在機床設計時還要對機床的床,身進行有限元分析,優化機床床身結構,提高機床的床身剛度,改善機床的整機動態性能,避免機床局部剛度不足引起機床結構的變形,造成對機床加工精度的影響。



03


刀架分度定位精度及位置精度


  車銑復合加工中心刀架的每個工位既可安裝車削刀具,又可安裝徑向和軸向動力刀具,并根據被加工工件的需要配置刀具的種類和數量。電動刀架的位置精度是影響車銑復合機床加工精度的重要因素,在機床設計和制造過程中要加以重視。為提高刀架的分度定位精度和位置精度,可采取如下解決方法:



  a.刀架分度定位一致性的高低,對加工工件的尺寸一致性影響很大。為此選擇高分度精度的電動刀架,并對刀架采用專門的裝配工藝,保證刀架分度定位精度≤0.005mm。



  b.實現刀架X紀向伺服運動的X/Z軸的位置精度也是_項重要的精度指標,該項精度與加工工件的尺寸分散度及一致性直接有關。這是一項綜合精度,涉及到滾珠絲杠和軸承的精度、刀架拖板的伺服靈敏度、拖板的伺服慣量與負載慣量的匹配等多方面。


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