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目前机电一体化系统提高大功率主轴的转速

发布时间:2021-07-13 00:57:43 阅读: 来源:不锈钢板厂家
目前机电一体化系统提高大功率主轴的转速

机电一体化系统提高大功率主轴的转速

航空工业向机床生产厂家提出了特殊的要求。在军用和民用航空新产品的研发中,轻结构设计的零部件有着非常大的优势。在空中客车A 350和波音787中,碳纤维材料的重量比增加了很多(800%以上),钛金属材料的重量比也明显增加(200%),而铝合金材料的重量比却下降了约20%。这都应归结于航空工业中大功率机床主轴的成功研发。

带变频器的切削主轴系统

在2007年铝合金材料大功率切削对机床主轴提出的要求基本上没有改变。粗加工时(强力铣削时),要在尽可能短的时间内切削掉尽可能多的铝合金材料。当前粗加工的切削速度可以达到4000m/min,MRR金属切除率为8L/min,这就要求机床主轴具有很高的转速和很大的功率。而在精加工时,则要求机床主轴的转速更高,使用很小的切削刀具便能在有限的切削功率范围内具有足够的切削速度。

目前,机床新产品研发的重点就是提高最大可用功率,即对粗加工过程的优化。但是,规定的机床主轴的最高转速是30000r/min,因为随着主轴转速的提高可能会对机床系统带来不良影响,另外也是为了保证在精加工时机床的主轴有足够高的转速。粗加工过程的优化和与之有关的可用功率的提高可以使加工过程更加经济,因为切除率超过90%后就意味着更高的生产力,而且其还减少了粗加工工时。高主轴功率也要求在稳定的生产过程中得到落实。这样机床主轴的生产厂家就必须要采用机电一体化的切削系统并掌握这项技术。

Fischer公司研发生产的主轴-变频器机电一体化系统就考虑了上述边界条件,明显提高了主轴的生产能力。新研发的MFW-2320/30 VC HSK-A63高速主轴带有一个专门为此应用而研发设计的同步电动机,并由Fischer公司研发的变频器驱动。新研发的主轴直径为230mm,长度为634mm,功率高达100kW,重107kg,可以大大提高设备的功率密度。与传统机床主轴相比,其可明显缩短前、后轴承之间的间距,增大主轴轴颈。这些都对主轴的结构动力学性能有着积极影响,因此,铣刀在大深度切削时就具有更高的稳定性。

同步电动机优化动态性能

在设备中使用同步电机能够优化动态性能,可降低对刀具稳定性的要求。在亚琛WZL机械研究所和达姆斯特德PTW进行的铣削试验中证明了这一点。图1曲线所示就是按照下列参数对刀具进行稳定性计算的结果:圆柱立铣刀,碳化钨可换刀片,螺旋角20,切削角11,后角15和全面切削。

虽然2013年B787是增长的主要驱动力

图1 稳定性曲线:刀具直径d=50mm,长度l=120mm, 每齿进给量为fz=0.2mm, 刀具齿数z=4

在此基础上,可确定出主轴的最佳工作范围,转速在20000~30000r/min范围内,在该类刀具的规定转速范围内。由于在模拟时对系统的缓冲考虑得不够充分,因此试验中采用的吃刀深度不是真实的。但试验结果则能与真实情况相吻合。

在上面介绍的试验中,能够实现的MRR值可达12L/min,提高了50%,达到了目前能够实现的最高限度(图2)。并且明显缩短了切削加工的工时,以及大幅提高了生产能力。在毛坯材料重1.3、检查万能实验机扩大器单位5t,切削量达70%的时候,粗加工工时可以缩短33%,都是提高机床切削速度的有力前提。与铝合金材料的切削加工相比较,金属钛的切削加工对机床主轴提出了特殊的要求。在传统灵敏度是衡量物理仪器的1个标志的钛金属切削加工(粗加工)中切削速度为30~50m/min。事实上,在金属钛加工中,主轴所能提供的可用扭设:w=wb=w1=0.2g2/Hz fa=10Hz fb=20Hz f1=1000Hz f2=2000Hz矩比转速更有意义。金属钛加工中,切削速度明显较低,对主轴也提出了不同要求:通过高加工力和转速下降时的混合摩擦来降低滚动轴承弹性流体力学的润滑油膜。

图2 材料切除率MMR从8L/min提高到12L/min时对加工切削时间的影响

进一步研究边界条件的变化

在对金属钛进行切削加工时,对主轴的要求是非常少的。使用常规主轴,电动机的扭矩就可以轻松实现。一般33个项目制定工业试生产方案来讲这一驱动单元是由机床生产厂来提供的。

现在主轴制造商面临的主要问题是为用户提供价值更高的解决方案,一种既能进行铝合金加工,也能进行钛合金加工的混合型产品。要成功开发此方案就要将其专业的技术知识和经验与高扭矩的要求结合在一起,如采用多级同步电机。这种直接驱动电机轴的优点在于其结构的紧凑性和五轴数控能力以及有维修担保的驱动元器件。

Fischer公司按照用户的特殊要求研发生产的输出扭矩达2000Nm(S1)、外径为420mm、长1100mm的主轴,其有着与扭矩为600Nm、直径27由1群创客在世界各地发挥想象设计5mm和长700mm主轴相同的性能。为了输出强大的扭矩,需要使用能在高电流高频率下工作的变频器,而这些只有采用多级电机才可能实现。

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