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  动交换主轴铣头的三高数控加工机床
  
  高性能高效高速数控加工机床多采用系列化、标准化和模块化设计制造技术,允许用户在标准型机床基础上通过选配包括不同特性主轴铣头或和电主轴在内的模块化部件,以使同一机床能适应不同需求的HEM-HSM加工应用和自动化水平,呈现了较好的应用柔性。但对终端制造业用户而言,这仍然是一种“专用型”的机床,因为一旦选配了某种确定特性的主轴铣头或电主轴,这时该机床的加工能力也就被确定在某种确定的范围内,仍然呈现为专用性的特征。
  
  为此,机床制造商开发了可实现主轴铣头自动交换功能的数控加工机床,以便随时根据实际需求可自动选择相应的主轴铣头装载到机床主轴上,从而有效扩展了机床的加工能力和适用性,使终端用户真正可获得一种“通用型”的,或者说“高性能”的高效高速数控加工机床。实际上,可交换主轴铣头数控机床应用已有一段历史了,不同的仅是现代此类数控加工机床的技术水平、自动化程度和可靠性更高而已。意大利JOBS公司多功能大型数控铣镗加工中心机床JomaX系列即可作为这种三高数控加工中心机床的一典型实例。JomaX系列数控机床可根据用户具体需求而灵活配置成3/3 2/4/5轴数控铣镗加工中心,包括龙门固定工作台移动结构的JomaX261、龙门移动工作台固定结构的JomaX265和动立柱结构的JomaX269三种型号。
  
  龙门移动立式主轴结构的JomaX265大型数控铣镗加工中心机床具有高结构刚度,高动态特性和高精度的特点。机床X/Y/Z三直线轴行程达3,500(6,500/8,000/9,500)/3,000(4,000)/1,250(1,500)mm,速度32m/min,加速度2.5m/s2。JomaX系列机床通过基本通用主轴系统(BUSS:BasicUniversalSpindleSystem)实现主轴铣头自动交换,因而可实现在一台机床上不用重新装夹定位零件就能使用不同主轴铣头进行粗加工、半粗加工、半精加工和精加工切削,并可适应不同工件材料的HEM-HMS加工。其结果提高了零件加工生产率,提升了机床加工应用柔性,并能减少设备投资费用。JomaX系列机床可选配如下几种基本类型主轴铣头:
  
  (1)直铣头:高刚性直铣头,主轴功率30/45kW(S6:38/56kW),转矩955/1,430Nm(S6:1,210/1,780Nm),最高转速4,000r/min,刀具接口HSK-A100。用于高效率正交三轴铣镗粗加工/半粗加工。
  
  (2)带C轴直角铣头:主轴功率25/42kW(S6:31/53kW),转矩796/1,337Nm(S6:987/1,687Nm),最高转速3,000r/min,带连续3,600旋转轴C,速度5r/min(300/s),刀具接口HSK-A100。用于多方向工件侧面高效切削加工。
  
  (3)双分度铣头TMX:带C/A旋转分度定位摆叉式主轴铣头,C旋转轴360°(±180°),10分度,A摆动轴120°( 15°/-105°),10分度,旋转轴速度5r/min,电主轴功率34kW(S6:41kW),转矩260Nm(S6:310Nm),基速1,250r/min,最高转速8,000r/min,刀具接口HSK-A100。TMX可用于实现“3 2”轴高效数控加工。
  
  (4)摆叉式主轴铣头T2K:JOBS公司带A/C旋转轴摆叉式主轴铣头,范围较广,包括不同类型的带旋转轴的高功率高转矩机械驱动主轴铣头,或带双旋转轴的高速电主轴铣头,诸如T2D-T3D,T2K-T3K,TMXP等等。
  
  JomaX265机床标配为:
  
  (1)强力铣头T2K-2-P:一种高功率高转矩摆叉式主轴铣头,用于五轴联动数控加工,配置有集成化电主轴,功率42kW(S6:53kW),转矩1,340Nm(S6:1,687Nm),基本转速300r/min,最高转速4,000r/min,C轴360°连续,A轴220°(±110°),旋转轴速度5r/min(30°/s),刀具接口HSK-A100。
  
  (2)高速铣头T2K-EP:一种高功率高转速摆叉式主轴铣头,C轴3600连续,A轴190°( 100°/-90°),旋转轴速度5r/min(30°/s),主轴功率34kW(S6:41kW),转矩260Nm(S6:310Nm),基速1,250r/min,最高转速8,000r/min,刀具接口HSK-A100。
  
  而在JomaX245机床上则标配为:
  
  (1)强力铣头T2K-P:功率37.5kW(S6:45kW),转矩940Nm(S6:1145Nm),最高转速4,000r/min,C轴360°连续,A轴220°(±110°),旋转轴速度5r/min,刀具接口ISO50。
  
  (2)高速铣头T2K-S:C轴360°连续,A轴190°( 100°/-90°),旋转轴速度5r/min,主轴功率34kW(S6:40kW),转矩169Nm(S6:200Nm),最高转速8,000r/min,刀具接口HSK-A100。
  
  (3)高速铣头T2K-S:C轴3600连续,A轴190°( 100°/-90°),旋转轴速度5r/min,主轴功率34kW(S6:40kW),转矩51Nm(S6:56Nm),最高转速18,000r/min,刀具接口HSK-A63。
  
  据报道,大众汽车公司在斯克达工厂装备有由两台带BUSS系统的JOMACH245数控铣镗加工中心机床组成的托盘化加工单元,每台数控机床带有6个可交换主轴铣头、6个托盘站和容量32把的在机刀库。通过BUSS系统,就可在该加工单元内高效地完成大型模具的粗加工、半粗加工、半精加工和精加工切削。JOMACH245机床45kW的高刚性直铣头,允许使用直径超过100mm刀具进行零件2D高效粗加工与半粗加工,直角铣头可对模具侧面实现加工,用于五轴联动加工的强力主轴铣头可使用合适的端铣刀进行模具3D型面的高效粗加工与半粗加工,而用于五轴联动加工的高速主轴铣头(18,000r/min)可进行模具高速半精加工与精加工。
  
  实际上,JOBS公司还有许多主轴铣头产品可供用户选择,包括不同类型的带旋转轴的高功率高转矩机械驱动主轴铣头和带双旋转轴的高速电主轴铣头,主轴功率高达85kW,转速达27,000r/min并在该公司其它数控机床上得到了应用。如JOBS公司新近推出的卧式动立柱结构的JomaX269大型高速数控强力铣削加工中心机床,见右图,配置有两种主轴铣头的BUSS,一种为机械驱动的可带或不带A/C旋转轴的强力主轴铣头,最大功率75kW,转矩2,500Nm,刀具接口HSK-A100;另一种为带A/C旋转轴的高速主轴铣头,其最高转速15,000∼27,000r/min,刀具接口HSK-A63。同时,用于五轴加工的主轴铣头,其A/C转轴的驱动转矩高达10,500Nm。这儿就不一一列举了。

  据报道,中国武汉重型机床集团有限公司已引进了JOMAX265数控铣镗加工中心机床,并和意大利JOBS公司合作在中国国内生产JOMAX265机床。
  
  德国著名数控机床制造商DST集团公司旗下Droop Rein推出的FOGSD40/M30高架龙门移动式高速数控MC机床也可配置主轴铣头自动交换功能而扩展其切削加工能力,成为三高五轴数控MC机床能实现零件一次装夹后完成全部粗精复合加工。其中,FOGSD40C机床标准配置连续B/C旋转轴的摆叉式主轴铣头,是一种完全由控制刀具运动实现五轴联动数控加工;B摆动轴 110°/-10°,转速10r/min,转矩8,000Nm,夹紧力矩12,000Nm,C旋转轴±2000,转速10r/min,转矩8,000Nm,夹紧力矩20,000Nm。而FOGSD40P机床标准配置为分度定位B/C旋转轴的摆叉式主轴铣头,可实现“3 2”轴多面体工件数控加工,B/C摆动轴0.001°/0.001°分度,夹紧力矩12,000Nm/25,000Nm。该机床选配的可交换的主轴铣头选件如下表所示,且最终可由用户自行定制。当机床配置的可交换主轴铣头为MFS摆叉式铣头时,可配多种不同功率/转矩-转速特性的集成化筒芯电主轴,则能实现拾取式自动可互换电主轴功能,见下表。有关自动可互换电主轴技术稍后即将介绍与讨论。
  
  据报道,日本汽车制造企业本田公司就购置有FOGSD40高速数控MC机床,用于汽车钣金构件拉伸模具的高效加工。该机床X/Y/Z三线性轴加工范围达6,800/3,500/1,500mm,配置有40kW,5,000r/min摆叉式主轴铣头和可自动交换主轴铣头/电主轴。
  
  美国MAGCincinnati公司通用型五轴高效高速数控MC机床U5每1500也可作为这类三高数控加工机床的另一个典型实例。
  
  U5-1500五轴高效高速数控MC机床可用于大型铝合金、钢、钛合金以及特殊难加工材零件的五面或五轴联动HEM-HSM切削加工。该机床X/Y/Z工作行程可达4.6/2.5(3.7)/1(1.5)m,且X轴可按需求扩长。机床配有主轴铣头自动交换功能,可交换的主轴头存放在靠近工作区的单独的头架上,交换时间仅需约2min。因此,用户通过配置若干确定用途的主轴铣头,便可覆盖实际加工需求的范围,不仅扩展了设备加工应用领域,而且提高了设备产出率。U5-1500机床标准设计为可配置两种类型的带C轴(3600连续)和A轴( 100°∼-90°)主轴铣头:
  
  (1)主轴连续功率30kW,转矩850Nm,基速340r/min,最高转速4,000或6,000r/min,刀具接口ISO50,可用于钛合金等硬金属材HEM-HSM加工,或可用于粗加工/半粗加工高效切削。同时,最高转速6,000r/min的主轴铣头可以为立式的或为卧式的结构。
  
  (2)主轴连续功率30kW,转矩57Nm,基速5,000r/min,最高转速15,000或24,000r/min,刀具接口HSK-A63,可用于铝合金等轻金属材HMS切削加工。
  
  如美国ADI(AerospaceDynamicsInternational)公司就购置了2台五轴加工中心U5-1500用于Boeing777和F-35军机的铝合金材、钛合金材和复合材料结构件的高效高速加工。此外,用户还可配置更大功率/转矩的主轴铣头:功率52kW,转矩2,400Nm,基速200r/min,最高转速2,500r/min,专用于钛合金等硬金属材粗加工/半粗加工高效切削。
  
  许多数控机床制造商,如意大利Parpas公司XS系列大型高速龙门数控铣削中心机床,德国HANDTMANN公司的UBZ-NT-G五轴桥式龙门加工中心机床,DMG600U龙门加工中心机床等都能提供主轴铣头自动交换,本文限于篇幅对此不作进一步的讨论。
  
  可互换电主轴的三高数控加工机床
  
  传统高速电主轴主要在诸如铝合金等轻合金材的高速切削加工中得到了广泛应用。近几年,随高功率高转矩电主轴技术的发展与进步,高功率高转矩高速电主轴不仅在硬合金材切削加工专用设备上得到实际应用,同时也在高性能高效高速数控加工机床上得到越来越多的实际应用。
  
  在高速数控加工机床上,应用两个或两个以上不同特性的高速电主轴构成一组特定的电主轴组合,当需要时将自动选择所需要的电主轴装载到主轴铣头上,以适应粗加工、半粗加工、半精加工和精加工的不同应用需求,或者适应不同工件材料加工时之不同应用需求。这即为可互换电主轴的三高数控加工机床。
  
  意大利JOBS公司推出并在其JomaX、Jomach和LinX系列产品中都得到实际应用的可互换电主轴系统JIMS(JOBSInterchangeableMotorspindleSystem)可作为一典型实例。如JOBS公司Jomach156高架龙门移动式五轴数控加工中心机床其主轴标准配置即为JIMS系统,能实现多种筒芯电主轴半自动互换的三高数控加工中心。Jomach156数控机床设计有带A/C旋转轴的摆叉式主轴铣头,A旋转轴行程 100°∼-90°,C旋转轴行程±200°,A/C轴转速10r/min,驱动转矩1,700Nm,配置有集成化电主轴,通过JIMS系统可实现电主轴的半自动更换,扩展了机床粗精多工序或适应多工件材料的切削加工能力,从而可实现“一次装夹完成加工”的加工工艺策略。
  
  Jomach156机床JIMS系统可配置4种不同特性的电主轴,见下表。JIMS系统通过选用不同的电主轴可覆盖了800∼24,000r/min和50∼300Nm加工转速/转矩范围,选用相对低速高转矩电主轴(如TO824或TV823)可用于诸如铝合金等轻合金材进行所有3D型面的高效粗/半粗加工(HEM),而选用相对高功率高速低转矩电主轴(如TV827或TV826)实现高速半精/精加工(HSM),从而实现在一台设备上一次装夹工件完成粗精工序全部切削加工。同时,前者还可用于诸如钢/钛合金等硬合金材进行HEM-HSM切削加工。
  
  如前所述,德国DST集团公司的FOGS系列(包括FOGS、FOGSD40和FOGSM30)高架龙门移动式高速数控MC机床,当其配置MFS摆叉式铣头时,即可配置电主轴自动互换系统,以实现一次装夹完成粗精复合加工的工艺策略。
  
  紧凑型三高数控加工机床
  
  如前所述,为实现高性能高效高速切削加工技术,机床制造商开发了具有可交换主轴铣头/电主轴筒芯技术的三高数控加工机床,较好地满足了一些用户对通用型数控加工机床的实际需求。可自动交换主轴铣头,或可互换电主轴系统的高性能高效高速数控加工机床固然具有许多优势,但也还存在有如下几个问题:
  
  (1)对确定的机床主轴而言,高功率高转矩通常就意味着较低转速,而高功率高转速则就意味着较低转矩,前者多应用在粗加工/半粗加工或硬合金材切削加工场合,而后者多应用在半精加工/精加工或轻合金材切削加工场合,为融合集成这两种不同切削加工应用,扩展机床加工能力,就需要使用多个不同特性的主轴铣头/电主轴组合应用才有可能,而这意味要增加设备费用。
  
  (2)无论是可交换主轴铣头或还是可互换电主轴几乎均需采用“拾取式”交换技术,这就要求机床一般应具有较大的可工作空间,以作为主轴铣头/电主轴预存放与自动交换,这对许多一般大中型数控加工中心机床应用存在有明显局限性。
  
  (3)主轴铣头/电主轴利用率低。典型高性能高效高速数控加工机床所预存放的主轴头或电主轴,只有被装上主轴时才被用于切削加工之用,导致主轴头或电主轴利用率低,制造资源浪费严重。
  
  如果存在有一种主轴电机其功率/转矩-转速特性曲线若能覆盖前述多个主轴电机特性范围,则就可用一个主轴头来取代多个主轴头。从金属切削原理可知,对数控加工机床主轴有:
  
  P=T×n/9555
  
  这儿,P:主轴切削功率,kW;T:主轴切削转矩,Nm;n:主轴转速,r/min。
  
  从上式可看出,在确定的主轴功率场合下,主轴切削转矩和转速互为制约的。这也正是前面所讨论的高功率高转矩通常就意味着较低转速,而高功率高转速则就意味着较低转矩的缘故。但也存在有这样一种情况:当主轴功率确定且足够高时,如果能同时获得较高转矩与最大转速,并具有足够宽的可调速范围,则就有可能兼顾满足粗精加工或/和硬轻合金材加工之需求。

  这就是说,如果在数控加工机床上使用一种高功率高转矩高转速宽调速范围的单一主轴铣头则可较好地解决上述所讨论的若干问题。随高转矩高速电主轴技术的发展与进步,设计制造一种高功率高转矩高转速宽调速范围的电主轴已有可能,一些著名电主轴制造商已推出了高功率高转矩高转速电主轴以适应机床制造商的需求。为此,一些数控机床制造商推出了配置有单一高功率高转矩高转速电主轴的紧凑型三高数控加工机床。
  
  目前,在紧凑型三高数控加工机床上使用的高功率高转矩高转速电主轴,其最高转速多在10,000∼18,000r/min,最大转矩多为200∼500Nm,基速多为1,000∼2,000r/min。法国Huron(尤龙)公司新近推出的精密高效高速立式五轴数控龙门铣削中心KX200可作为紧凑型三高数控加工机床的一个典型实例。该机床X/Y/Z轴行程达3,300/2,300/1,000mm,工作台面为3,500×1,250mm。为提高机床结构刚性,采用固定龙门结构,且仅由工作台与底座、整体桥式龙门以及主轴铣头与滑枕三大部件组成。特别设计的大厚度整体桥式龙门结构具有良好吸振性,确保加工过程稳定性、高刚性和高精度。KX200机床主轴铣头设计为带B/C轴并集成有电主轴的摆叉式铣头;B/C轴由力矩电机直接驱动,B轴±95°,C轴±190°;电主轴连续功率达70kW(S6:86kW),转矩190Nm(S6:235Nm),基速3,500r/min,在最高转速12000r/min时其转矩仍超过50Nm。XYZ三直线轴全长定位精度7μm,重复定位精度4μm,旋转轴定位精度7”,重复定位精度4”。X/Y/Z直线轴快速进给速度为25/40/40m?min-1,加速度7m/s2,旋转轴速度30r/min,加速度6°/s2。
  
  因此,该机床可实现高功率、高速度和高精度的良好集成,可用于HEM-HSM加工钛和高强度钢等多种硬金属材,也可用于加工铝合金材,在欧洲许多航空飞机制造厂中得到了广泛实际应用。
  
  基于该机床电主轴功率/转矩每转速特性曲线,根据工件材料与刀具实际直径作为粗/半粗加工的HEM加工时可选择使用主轴转速2,000∼5,000r/min,而作为半精/精加工的HSM加工可选择使用主轴转速6,000∼11,500r/min范围。
  
  上图为意大利大型数控机床制造商Parpas公司为航宇和模具制造业推出的高性能大型高架龙门移动式五轴数控铣削中心机床XS,其XYZ轴行程可达3,000∼20,000mm、2,500/3,000/3,500mm和1,250/1,500mm。该机床设计有带A/C两旋转轴集成化电主轴铣头,主轴连续功率50kW,转矩265Nm,基速1,800r/min,最高转速15,000r/min。和法国Huron公司KX200机床电主轴相比,具有更大的转矩和更高的转速。该机床是为完全通过刀具运动数字控制实现五轴联动,X/Y/Z轴进给速度高达60/40/40m?min-1,A/C轴达40r/min,且在最高转速15,000r/min时其转矩仍超过30Nm。
  
  同样,该机床可用于加工铝合金等轻合金材,也可用于加工钛合金等硬合金材。同时,基于该机床电主轴功率/转矩每转速特性曲线,根据工件材料与刀具实际直径当作为粗/半粗加工的HEM加工时可选择使用主轴转速800∼4,500r/min,而作为半精/精加工的HSM加工可选择使用主轴转速5,000∼14,000r/min范围。

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