立式高速銑削加工中心圓盤刀庫機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

立式高速銑削加工中心圓盤刀庫機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),立式高速銑削加工中心圓盤刀庫機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),立式,高速,銑削,加工,中心,圓盤,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì) 小直徑銑刀工具高速銑削加工的研究加 藤 榮 春 ， 新 谷 弘 ， 巖 田 一 夫 ， 杉 田 宏 明機(jī) 械 工 程 系 ， 金 澤 技 術(shù) 學(xué) 院日 本 ， 921-8501， 7-1 河 北 郡 ， 津 幡 町 ， 石 川日 本 ， 愛 知 縣 ， 442-8533,1-15 加 賀 市 ， OSG 公 司 ， 豐 川摘要：最 近 ， 人 們 對(duì) 部 分 小 型 便 攜 式 產(chǎn) 品 的 生 產(chǎn) 需 求 有 所 增 加 。 因 此 ， 有 必 要 開 發(fā)一 種 微 型 機(jī) 床 使 高 速 切 削 成 為 可 能 。 使 用 裝 備 有 小 直 徑 銑 刀 的 高 速 切 削 機(jī) 床 可 以 高效 率 的 加 工 較 小 零 件 。 在 科 研 成 果 中 ， 一 種 裝 備 了 小 直 徑 立 銑 刀 的 立 式 微 型 機(jī) 床 的 研 究 解 決 了 高 速 條 件 下 小 零 件 的 設(shè) 計(jì) 與 生 產(chǎn) 問 題 。 所 研 制 的 機(jī) 床 的 尺 寸 是 300mm400mm 340mm， 其 重 量 為 50KG。 本 機(jī) 在 裝 配 了 1.7mm 直 徑 的 小 直 徑 立 銑 刀 時(shí) 其可 以 達(dá) 到 的 切 削 速 度 為 25.0m/s。 研 究 結(jié) 果 證 實(shí) ， 這 種 機(jī) 床 在 以 0.6 mRz 的 表 面 粗糙 度 加 工 零 件 時(shí) ， 其 加 工 速 度 可 達(dá) 25.0m/s。 通 過 加 工 速 度 達(dá) 到 25m/s 的 微 型 機(jī) 床 與加 工 速 度 2.5m/s 的 加 工 中 心 做 比 較 ， 證 實(shí) 了 在 25.0m/s 速 度 下 工 件 變 形 層 的 厚 度 為0.6m。關(guān)鍵詞：立 式 微 型 機(jī) 床 ； 小 直 徑 立 銑 刀 ； 高 速 銑 削 加 工 ； 形 變 層 厚 度 ； 表 面 粗 糙 度 。1.簡介 近 年 來 ， 隨 著 消 費(fèi) 者 需 求 的 多 樣 化 ， 產(chǎn) 品 種 類 和 數(shù) 量 的 頻 繁 變 化 使 生 產(chǎn) 系 統(tǒng) 變得 靈 活 多 變 12。 因 此 ， 不 僅 需 要 更 有 效 的 生 產(chǎn) ， 而 且 需 要 提 升 加 工 速 度 。 另 一方 面 就 是 人 們 對(duì) 毫 米 級(jí) 便 攜 式 產(chǎn) 品 的 需 求 增 加 。 此 外 ， 人 們 對(duì) 產(chǎn) 品 的 小 型 化 、 輕 量化 和 實(shí) 用 性 的 要 求 有 所 提 升 34。 因 此 必 須 要 提 高 加 工 的 效 率 和 精 度 來 應(yīng) 對(duì) 人 們對(duì) 小 型 化 產(chǎn) 品 的 大 量 需 求 。 這 也 使 研 發(fā) 一 種 高 精 度 小 型 化 的 機(jī) 床 成 為 必 然 。 然 而 ，當(dāng) 使 用 小 直 徑 立 銑 刀 在 傳 統(tǒng) 的 主 軸 轉(zhuǎn) 速 約 為 4000 轉(zhuǎn) /分 鐘 的 高 速 機(jī) 床 上 加 工 小 型 產(chǎn)品 并 增 加 切 削 速 度 是 難 以 實(shí) 現(xiàn) 的 。 因 此 ， 在 使 用 小 直 徑 立 銑 刀 時(shí) 必 須 要 使 用 超 高 轉(zhuǎn) 速 的 主 軸 來 增 加 切 割 速 度 。 另 一 方 面 ， 傳 統(tǒng) 機(jī) 床 的 重 大 缺 陷 就 是 尺 寸 大 、 能 源 利 用率 低 。 傳 統(tǒng) 高 速 機(jī) 床 的 加 工 范 圍 遠(yuǎn) 大 于 小 產(chǎn) 品 的 需 求 。 此 外 ， 傳 統(tǒng) 機(jī) 床 的 主 軸 及 其他 機(jī) 械 元 件 都 相 當(dāng) 之 大 ， 耗 費(fèi) 能 量 也 相 當(dāng) 之 多 。 因 此 ， 研 究 一 種 裝 備 了 小 直 徑 立 銑刀 的 立 式 微 型 機(jī) 床 用 來 實(shí) 現(xiàn) 高 速 加 工 和 節(jié) 約 能 源 尤 為 重 要 5。在 這 項(xiàng) 研 究 中 ， 立 式 微 型 機(jī) 床 的 設(shè) 計(jì) 與 制 作 可 以 實(shí) 現(xiàn) 高 速 切 削 加 工 和 節(jié) 約 能 源 。它 讓 使 用 小 直 徑 立 銑 刀 加 工 小 型 零 件 成 為 可 能 。表1 微型機(jī)床說明書 圖1 微型機(jī)床照片 圖2 主體照片2.微型機(jī)床規(guī)格表 1 為 立 式 微 型 機(jī) 床 的 規(guī) 格 。 為 了 減 輕 其 重 量 ， 在 車 床 支 架 材 料 中 采 用 了 基陶 瓷 材 料 ， 所 用 的 材 料 是 鑄 鐵 比 重 的 一 半 。 此 外 ， 它 的 優(yōu) 點(diǎn) 很 多 ， 擁 有 普 通 材 料 雙倍 的 抗 拉 強(qiáng) 度 、 約 為 3倍 的 楊 氏 模 量 和 低 1/3的 線 性 膨 脹 系 數(shù) 6。 機(jī) 器 重 量 為 50kg，機(jī) 器 的 尺 寸 是 300 400 342mm。 雙 風(fēng) 水 輪 機(jī) 主 軸 （ 類 型 ： A 型 ： 轉(zhuǎn) 數(shù) 320000 轉(zhuǎn)/min和 B型 ： 200000 轉(zhuǎn) /min） 可 以 使 用 直 徑 較 小 的 刀 具 以 實(shí) 現(xiàn) 高 速 切 割 ， 軸 又 輕 又 材 質(zhì) 材 質(zhì) Si N 陶 瓷機(jī) 器 尺 寸 （ x*y*z） 300 400 342mm機(jī) 器 重 量 50kg規(guī) 格 驅(qū) 動(dòng) 方 法 直 線 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng)全 行 程 X： 50mm， Y： 50mm， Z： 16mm分 辨 率 0.1m主 軸 主 軸 空 氣 渦 輪 主 軸旋 轉(zhuǎn) 數(shù) 320000 轉(zhuǎn) /分 鐘 小 ， 可 在 無 潤 滑 油 條 件 下 使 用 。 因 此 ， 主 軸 冷 卻 系 統(tǒng) 是 沒 有 必 要 的 ， 空 氣 渦 輪 主 軸采 用 100V 壓 縮 機(jī) 來 壓 縮 空 氣 。 X軸 和 Y軸 采 用 直 線 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) ， 精 確 到 0.1m 的 定位 可 加 工 高 精 度 的 小 工 件 。 X軸 、 y 軸 和 z 軸 的 長 度 分 別 為 50mm， ,50mm,和 16mm。 微 型 機(jī) 床 安 裝 在 一 個(gè) 盒 子 里 ， 用 來 控 制 加 工 期 間 產(chǎn) 生 的 氣 體 。圖 1 為 上 述 規(guī) 格 的 微 型 機(jī) 床 的 示 意 圖 。 利 用 個(gè) 人 計(jì) 算 機(jī) 進(jìn) 行 了 主 軸 控 制 單 元 的控 制 。 圖 2顯 示 了 主 體 結(jié) 構(gòu) 。 空 氣 渦 輪 軸 已 手 動(dòng) 安 裝 在 z 軸 上 ， 實(shí) 現(xiàn) 了 精 度 達(dá) 到 0.5微 米 。 圖 中 的 箭 頭 顯 示 每 個(gè) 鍵 的 傳 遞 方 向 軸 。 圖 3 顯 示 控 制 系 統(tǒng) 的 X 軸 和 Y 軸 。 控制 單 元 采 用 一 個(gè) 閉 環(huán) 系 統(tǒng) 。 利 用 高 定 位 精 度 位 置 實(shí) 現(xiàn) 了 速 度 和 電 流 的 反 饋 機(jī) 制 。 個(gè)人 電 腦 程 序 使 用 直 觀 視 覺 進(jìn) 行 定 位 。 如 圖 4 所 示 為 電 能 消 耗 ， 顯 示 了 微 型 機(jī) 床 和 現(xiàn)有 的 高 速 加 工 中 心 （ M/C） 之 間 的 比 較 ， 該 設(shè) 備 的 電 力 消 耗 僅 為 （ M/C） 的 十 分 之 一 。 確 定 了 微 型 機(jī) 床 在 能 源 效 率 上 的 優(yōu) 越 性 。圖3 微型機(jī)床控制系統(tǒng)示意說明 圖4 微型機(jī)床與加工中心耗電量比較 圖5 路程與轉(zhuǎn)數(shù)關(guān)系 圖6 X軸與 Y軸的微小影響 3 微型機(jī)床制造的基礎(chǔ)3.1 空氣渦輪機(jī)軸的特征空 氣 渦 輪 主 軸 可 以 實(shí) 現(xiàn) 高 轉(zhuǎn) 速 ， 但 它 低 扭 矩 低 。 在 這 部 分 ,研 究 了 空 氣 渦 輪 主 軸的 受 力 對(duì) 其 轉(zhuǎn) 數(shù) 的 影 響 。 在 主 軸 上 安 裝 了 測 試 棒 ， 將 負(fù) 載 添 加 到 測 試 棒 的 頂 端 (長度 :9毫 米 ,直 徑 :1.7 毫 米 )使 主 軸 在 水 平 方 向 旋 轉(zhuǎn) 。 使 用 激 光 轉(zhuǎn) 速 表 測 量 旋 轉(zhuǎn) 的 轉(zhuǎn) 數(shù) ,圖 5顯 示 了 主 軸 轉(zhuǎn) 速 的 測 量 結(jié) 果 A和 B.在 這 個(gè) 圖 里 ,兩 軸 旋 轉(zhuǎn) 數(shù) 量 直 線 下 降 ,增 加 負(fù)載 ,可 以 看 出 在 主 軸 以 25m/s 的 速 度 移 動(dòng) 并 施 加 水 平 負(fù) 載 0.3 牛 的 情 況 下 ， 轉(zhuǎn) 速 為320000 轉(zhuǎn) /分 ； 在 主 軸 以 16.7m/s 的 速 度 移 動(dòng) 并 施 加 水 平 負(fù) 載 0.6 牛 的 情 況 下 ， 轉(zhuǎn)速 為 200000 轉(zhuǎn) /分 。 3.2x坐標(biāo)軸和y坐標(biāo)軸的定位在 微 型 機(jī) 床 的 x 軸 和 y 軸 是 用 直 線 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 。 兩 軸 的 定 位 精 度 檢 查 的 方 式 是 每次 以 （ 40mm 5 m） /s的 速 度 進(jìn) 給 分 3次 完 成 的 。 命 令 的 定 位 精 度 是 使 用 位 移 傳 感器 測 量 激 光 打 出 的 10 納 米 得 光 得 到 的 。 對(duì) 兩 軸 分 析 的 結(jié) 果 如 圖 6所 示 。 在 圖 中 很 明顯 看 出 ,兩 軸 有 準(zhǔn) 確 的 輸 入 值 。 然 而 能 夠 證 實(shí) ， 瞬 態(tài) 特 點(diǎn) 存 在 于 X 軸 。 從 Y 軸 到 X軸 存 在 一 個(gè) 有 Y 軸 方 向 的 質(zhì) 量 （ 4.5千 克 ） 產(chǎn) 生 的 慣 性 力 。3.3 機(jī)架的特點(diǎn)我 們 需 要 測 量 固 有 頻 率 、 阻 尼 比 并 檢 查 弱 化 特 征 框 架 7。 圖 7 為 振 動(dòng) 測 量 設(shè) 備的 示 意 圖 和 實(shí) 驗(yàn) 方 法 ， 用 壓 電 加 速 度 傳 感 器 檢 測 到 的 機(jī) 架 震 動(dòng) 是 由 z 軸 的 上 部 框 架 產(chǎn) 生 的 ， 其 輸 出 值 是 通 過 放 大 器 快 速 輸 入 到 傅 立 葉 變 換 （ FFT） 分 析 器 ， 可 以 得 到 固有 頻 率 和 阻 尼 比 。 表 2 很 直 觀 的 顯 示 了 x 軸 和 y 軸 方 向 上 頻 率 和 阻 尼 比 的 測 量 結(jié) 果 。在 表 中 證 實(shí) ， x 軸 的 固 有 頻 率 525 赫 茲 Y 軸 的 固 有 頻 率 是 532 赫 茲 。 從 結(jié) 果 中 可 以看 出 ， 機(jī) 架 震 動(dòng) 的 固 有 頻 率 約 為 530 赫 茲 。 這 臺(tái) 機(jī) 器 的 阻 尼 比 是 0.119。 空 氣 汽 輪機(jī) 主 軸 的 頻 率 是 5333 和 3333 赫 茲 ,， 從 測 量 結(jié) 果 可 以 看 出 ， 微 型 機(jī) 床 的 固 有 頻 率 并沒 有 產(chǎn) 生 共 鳴 。 圖7 實(shí)驗(yàn)方式和震動(dòng)測量裝置 表2 阻尼測量結(jié)果表3 化學(xué)成分和 S45C的布氏硬度化 學(xué) 成 分 含 量 % 布 氏 硬 度C Si Mn P S Fe0.45 0.29 0.71 0.027 0.018 剩 余 部 分 180 圖8 主要工件的圍觀顯示 圖9 刀具的幾何結(jié)構(gòu)（3%的硝酸酒精溶液處理 60秒）4.使用小端銑刀高速加工工具的優(yōu)勢(shì)4.1實(shí)驗(yàn)的過程 影 響方 向 測 量 項(xiàng) 目 測 量 結(jié) 果X 軸 自 然 頻 率 n 525Hz相 位 -120 度Y 軸 自 然 頻 率 n 532Hz相 位 49 度阻 尼 比 0.119 我 們 采 用 的 工 件 材 料 是 碳 鋼 (JIS-S45C)， 工 件 材 料 經(jīng) 過 退 火 。 表 3 顯 示 了 工 件材 料 的 化 學(xué) 成 分 和 布 氏 硬 度 。 圖 8 所 示 位 這 種 材 料 的 微 觀 結(jié) 構(gòu) 。 工 件 材 料 的 幾 何 形狀 是 15 10 20 毫 米 矩 形 管 。 使 用 A（ 鈦 ， 鋁 ） N 涂 層 的 雙 槽 小 立 銑 刀 工 具 。 基 板材 料 為 硬 質(zhì) 合 金 ， 涂 層 厚 度 約 為 3.0m， ， 圖 9 顯 示 了 刀 具 的 幾 何 形 狀 。 圖 10 顯 示了 小 端 銑 刀 工 具 的 尖 端 切 削 刃 。 實(shí) 際 的 使 用 的 是 螺 旋 端 銑 刀 刀 具 其 角 度 大 約 為 零 度 ，左 右 刀 補(bǔ) 大 約 為 50m。 圖10 微型銑刀的切割邊緣 圖11 切割長度和表面粗糙度的關(guān)系 圖12 多個(gè)切割速度下工件表面的比較在 銑 削 實(shí) 驗(yàn) 中 ， 優(yōu) 良 的 切 削 條 件 如 下 ： 在 實(shí) 驗(yàn) 中 進(jìn) 給 速 度 （ SZ） 為 ： 4.3 m/齒 ， 軸 向 切 削 深 度 （ AA） 為 ： 50微 米 ， 切 割 的 徑 向 深 度 （ AR） ： 30 微 米 ， 切 割 速 度（ V） 為 ： 2.5 米 /秒 ， 16.7米 /秒 和 25.0米 /秒 。 為 了 檢 查 切 削 速 度 對(duì) 切 削 性 的 影 響我 們 采 用 了 三 種 類 型 的 主 軸 ， 由 于 每 個(gè) 刀 刃 的 旋 轉(zhuǎn) 數(shù) 不 能 自 由 地 控 制 ， 使 用 一 個(gè)320,000轉(zhuǎn) /min 的 空 氣 渦 輪 軸 （ A型 ） 、 200,000 轉(zhuǎn) /min的 空 氣 渦 輪 主 軸 （ B 型 ） 和 30000 轉(zhuǎn) /min 的 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 主 軸 （ C 型 ） 。 采 用 給 切 割 點(diǎn) 施 加 0.2MPa 的 壓 力 和 干 燥空 氣 的 切 割 方 法 。 使 用 電 子 顯 微 鏡 和 藍(lán) 色 激 光 顯 微 鏡 進(jìn) 行 機(jī) 加 工 的 表 面 的 觀 察 。4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論對(duì) 小 立 銑 刀 工 具 S45C 在 高 速 加 工 時(shí) 的 優(yōu) 勢(shì) 進(jìn) 行 了 研 究 。 圖 11 看 出 了 在 幾 個(gè) 切割 速 度 下 切 削 面 所 增 加 的 的 最 大 高 度 變 化 。 在 該 圖 中 給 分 散 性 和 表 面 的 平 均 粗 糙 度做 出 標(biāo) 記 。 在 高 速 切 割 時(shí) ， 切 割 面 的 最 大 高 度 增 量 維 持 在 2 m， 檢 測 到 的 數(shù) 值 分 散性 較 小 。 相 反 可 以 很 明 顯 的 看 出 ， 波 動(dòng) 和 分 散 在 低 切 削 速 度 下 非 常 大 。 圖 12 比 較 了幾 個(gè) 用 于 加 工 表 面 的 切 割 速 度 。 可 觀 測 到 加 工 表 面 切 削 速 度 最 低 (2.5 米 /秒 )產(chǎn) 生 了撕 裂 部 分 。 在 高 切 削 速 度 （ 16.7米 / s和 25.0米 /秒 ） ， 即 使 切 割 距 離 增 加 有 人 沒 有 觀 察 到 撕 裂 部 分 。 從 主 軸 偏 轉(zhuǎn) 的 測 量 結(jié) 果 看 出 ， 使 用 的 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 主 軸 在 低 切 削 速度 下 的 偏 轉(zhuǎn) 約 為 9 微 米 。 這 結(jié) 果 在 與 使 用 空 氣 渦 輪 轉(zhuǎn) 軸 時(shí) 相 差 較 大 。 因 此 ,類 似 的 實(shí)驗(yàn) 試 圖 顯 示 了 使 用 現(xiàn) 有 的 高 速 加 工 中 心 (偏 轉(zhuǎn) 圍 :1.0m)和 使 用 直 流 電 機(jī) 主 軸 獲 得 的結(jié) 果 是 一 樣 的 。接 著 ， 在 兩 個(gè) 切 割 速 度 （ 2.5米 /秒 和 25.0米 /秒 ） 下 對(duì) 加 工 表 面 上 方 的 變 形 層進(jìn) 行 了 觀 察 。 圖 13顯 示 了 用 3 的 硝 酸 和 酒 精 溶 液 蝕 刻 后 的 切 削 面 在 不 同 切 削 速 度時(shí) 的 比 較 ， 如 在 圖 中 可 以 確 認(rèn) ， 在 變 形 層 厚 度 為 1.3 m 時(shí) 切 削 速 度 約 為 2.5 米 /秒 ；在 變 形 層 厚 度 為 0.6 微 米 時(shí) 的 切 削 速 度 約 為 25.0 米 /秒 。 因 此 得 出 在 高 速 切 削 的 情況 下 可 以 減 少 變 形 層 的 厚 度 ， 以 提 高 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 方 面 具 有 優(yōu) 越 性 。 圖 14 顯 示 了 切 削 屑 圖132.5m/s和 25m/s形變層的比較 圖14Ln=10m時(shí) 2.5m/s和 25m/s（3%的硝酸酒精溶液處理60 秒） 切削屑的比較（3%的硝酸酒精溶液處理 60秒） 厚 度 隨 切 削 速 度 增 大 而 減 小 。 隨 著 切 削 速 度 降 低 大 約 一 半 ,證 實(shí) 切 削 屑 的 塑 性 流 動(dòng) 角度 減 少 。因 此 ,減 小 高 速 切 削 的 切 削 深 度 并 使 用 直 徑 較 小 的 刀 具 可 以 提 高 加 工 表 面 精 度 。因 此 ， 可 以 預(yù) 期 高 速 加 工 使 用 小 直 徑 立 銑 刀 工 具 的 優(yōu) 勢(shì) 。5、結(jié)論通 過 對(duì) 安 裝 了 高 速 小 端 面 銑 刀 的 微 型 機(jī) 床 的 研 究 、 設(shè) 計(jì) 和 生 產(chǎn) ,實(shí) 現(xiàn) 了 提 高 工 效和 節(jié) 省 能 源 。 所 得 到 的 結(jié) 果 如 下 ：1） 立 式 微 型 機(jī) 床 設(shè) 計(jì) ， 該 機(jī) 床 是 由 空 氣 渦 輪 主 軸 （ 320000轉(zhuǎn) /分 鐘 型 或 200000轉(zhuǎn) /分 型 ） 、 基 于 定 位 精 度 為 0.1 m 的 氮 化 硅 陶 瓷 框 架 和 一 個(gè) 線 性 馬 達(dá) 組 成 的 。 2） 該 機(jī) 床 的 功 耗 僅 為 現(xiàn) 有 的 高 速 加 工 中 心 的 1/10。3） 證 實(shí) 了 320000 轉(zhuǎn) /分 鐘 的 主 軸 可 以 在 25.0 米 / 秒 的 高 速 和 0.3N 的 水 平 載 荷下 使 用 。4） 該 微 型 機(jī) 床 阻 尼 比 為 0.119、 固 有 頻 率 為 530Hz。5） 可 以 保 持 表 面 粗 糙 度 2.0 mRz、 較 高 的 切 削 速 度 （ 25.0m/s） 和 在 較 長 切 削長 度 下 切 確 的 數(shù) 值 分 散 性 較 小 。 在 這 些 條 件 下 ， 獲 得 無 撕 裂 部 件 的 加 工 面 。6） 變 形 層 厚 度 在 2.5 米 /秒 切 削 速 度 下 約 為 1.3 微 米 ； 在 25 米 /秒 的 切 割 速 度下 約 為 0.6 微 米 。7） 切 削 屑 的 塑 性 流 動(dòng) 角 在 高 切 削 速 度 降 低 （ 25m/s） 。參考文獻(xiàn) 1.KA KINO Y.IHA RA Y.MORIGUCHI H,et al. 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