车削中心的高效加工(HEM)与第三代动力刀座技术 德国瑞品有限公司中国代表处 王建明 高效加工(High Efficiency Machining)是继高速加工(HSM)之后有提出的旨在提高整体 加工效率,降低单件成本的新型生产方法。这种注重的是综合效率的提升,而不是仅仅关注 某个加工工艺的环节。HEM 对机床的设计,生产工艺等都提出了新的要求。以往讨论 HEM 常常是以加工中心为主,今天就车削中心实现 HEM 进行进一步讨论。 车削中心的发展地位 车削中心(另称为车铣复合机,车铣中心)是从数控车床发展而来的,工件在数控车床上能 完成大部分的车削工艺以后, 往往还会有少量的铣削或者钻孔等工艺, 这些工艺是无法在数 控车床上完成的, 就必须二次装夹的专门的铣床或者钻床上去完成。 这样就导致工件误差增 多,加工效率低下等问题。为了解决这个矛盾,人们开发出带动力刀座的数控车床,由动力 刀座和车床主轴的 C 轴分度配合完成铣削和钻孔等加工,这就是车削中心的雏形。车削中 心一般是采用由固定刀座完成工件的外圆,端面及钻中心孔,镗、绞等工艺,而由动力刀塔 上的动力刀座与主轴的 C 轴功能配合,完成工件的铣削,钻孔,攻丝,滚齿等功能。适合 在车削中心上完成的工件是: 1:要求一次装夹,完成全部加工,以保证工件精度。 2:工件以车削为主(60%~95%),铣削等为辅(5%~40%) 。 车削中心的形式 常见的是卧式的,也有立式的,还有倒立式的。 单主轴,单刀塔(上刀塔 T) ,刀塔分为带 Y 轴和不带 Y 轴,目前以不带 Y 轴的居多。 双主轴(带副主轴 S),单刀塔 双主轴 双刀塔,甚至三刀塔。 刀塔还分为盘式刀塔(Disc Turret)和星形刀塔(Star Turret) 盘式刀塔(Disc Turret):刀座装在刀盘的轴面上,是最早出现的刀塔形式,在单主轴单刀塔 的车削中心上常用。其局限性为:刀具之间容易相互干涉,可加工的工件直径尺寸较小。不 适于副主轴的上背向加工。 星形刀塔(Star Turret)刀座安装在刀盘的圆周上,呈星形分布,这是一种新型的刀塔结构, 它克服了传统的盘式刀塔的限制,刀具之间相隔比较远,干涉小,同等的刀盘直径,可加工 的工件直径增大 20%~40%,同时它也适合完成副主轴上工件的背向加工。这种形式的刀塔在 双主轴,多刀塔的车削中心上广泛采用。是今后发展的趋势。 刀塔和刀座之间的接口方式也主要分 VDI(DIN69880)和 BMT(Bolt-on,螺栓紧固)两种。 VDI 接口,是通过一个斜锲与刀座尾部的锯齿啮合,将刀座固定在刀塔上的方式,出现得比 较早,能够实现刀座在刀塔上的快速更快,接口标准统一,生产厂家多,但接口的刚性和重 复定位精度已成为制约动力刀座的瓶颈。欧美的车削中心多 VDI 接口,适合轻切削场合。 BMT 接口,是用四根螺栓将刀座与刀塔固定,刚性强,重复定位精度高。但刀座更换相对 比较麻烦,另这种接口出现时间较晚,目前还没有统一的标准,各个厂家都有各自不同的 BMT 接口。不能互换。生产的厂家还比较少。日韩的车削中心多采用 BMT 接口,适合重 切削。 动力刀座的分类 根据结构和外形:0°(直柄) 、90°(直角) 、直角后缩(又称位短式) 、其他特殊结构刀座 根据冷却方式分:外冷、外冷+内冷(中心冷) 根据输入输出转速比:等速、升速、降速 目前动力刀座使用中遇到的问题 1:动力刀座刚性不够,重复定位精度低,工艺转换时,调整时间长,造成机床利用效率低 下。 2:动力刀座只能用 ER 弹簧夹头夹持工具,由于 ER 夹头带来的误差叠加,造成刀座加工 精度受限。另外,由于 ER 夹头的夹紧力有限,夹持 ?16 以上的刀杆时,刀具容易打滑,刀 尖的跳动也比较大。对于刀具寿命和加工效率而言无疑是个很重要的瓶颈。另外,ER 夹头 了夹持的刀具类型很有限,只能进行简单的钻,铣等操作。客户需要另外购买专用的面铣刀 动力刀座等,刀座投资大。如何解决 ER 夹头带来的问题。扩展动力刀座的使用范围,并做 到“一座多能” ,是各大动力刀座生产商积极寻求解决方案的方向。 考察评价动力刀座的指标 转速:反映刀座的加工效率 扭矩:考察刀座能承载的切削力。影响铣削深度,钻孔,攻丝直径等指标。动力刀座所采用 的轴承类型对扭矩影响很大。一般采用角接触球轴承,耐过载能力较差,容易在球表面形成 死点,导致动力刀座精度降低。现在也有厂家采用双圆锥滚子轴承,其负载能力大大加强, 但同时要解决好转速和噪音和温升问题,就要求动力刀座腔体的精度和装配的精度非常高, 才能保证高转速、大扭矩、温升和噪音控制等目标的同时实现。 刚性: 是机床—刀塔-刀座-刀杆-刀片-工件整个刀链系统上的重要环节。 直接决定刀链 系统的刚性。 精度:刀座自身的精度:轴向跳动,径向跳动,心轴的位置精度,平行度等 刀座在刀塔上的定位精度和重复定位精度。 分别反映刀座在刀塔安装位置的精度和重复拆装 后的定位精度,分别影响工件的加工精度和机床的调整时间。 使用寿命: 动力刀座是车削中心上使用得非常频繁的功能部件, 其使用寿命刀座本身的制造 质量以及与后期正确的使用方法及合理的保养十分有关。 温升:刀座工作时温度升高的程度。 噪音:刀座旋转时的噪音,反映心轴和轴承的旋转振动。 接口的灵活性:希望能除了用弹簧夹头以外,能有其他多种类型的接柄连接刀具。 动力刀座的三个发展阶段 动力刀座从诞生发展到现在有了几十年的历史,其发展经历了三代。 第一代动力刀座, 分体式的, 其尾部和刀座本体通过四个螺栓连接, 这样制造装配比较容易, 但刀座的刚性不强,精度不高。扭矩也较小,转速低,不超过 3000rpm,冷却方式也只能有 外冷。密封性差,容易发生冷却液渗漏,造成刀座内部损坏。这是早期的动力刀座产品,目 前用在入门级的车削中心上。 第二代动力刀座:整体式的,整个刀座本体是一个整体,这样制造装配难度加大,但刀座的 刚性和精度大大提高,扭矩增大。转速提高到 6000rpm, 有中心冷功能。这是目前市场上存 在最多的动力刀座。它只能采用 ER 弹簧夹头,夹持钻头,立铣刀等刀具,可加工的范围比 较窄,同时由于 ER 夹头的限制,刀链系统的整个刚性和精度很难提高。这成为制约动力刀 座发挥功能的最后瓶颈。 第三代动力刀座: 针对第二代刀座的不足,在保持刀链系统的刚性和精度基础上,增加一种 PRECI-FLEX 精 灵快换系统接口,这种接口是一种刚性连接接口,采用了短锥和平面的配合定位,具有很高 的精度(重复定位精度小于 5μm),并且具有极高的刚性。更可贵的是这种接柄的锥度是 DIN6499 的和 ER 弹簧夹头的锥度相同, 这样能够保证弹簧夹头在这种接口的刀座上能继续 使用,保护了客户的已有投资。第三代带快换接口的刀座的出现,快换接柄的刚性和高精度 连接替代了 ER 夹头的柔性连接,使得整个刀链系统的瓶颈被打破,整个刀链系统的精度和 刚性大大提高。同时也使得动力刀座“一座多能” ,能够快速精确地实现钻、立铣,面铣、 绞,磨等功能的转换,大大扩展了已有刀座的加工范围,可以发挥出与小型加工中心主轴相 当的功效,并且有效地降低昂贵的刀座固定投资。这将成为未来动力刀座发展的方向。 PRECI-FLEX 快换系统-第三代动力刀座的代表 PRECI-FLEX 快换系统由德国瑞品有限公司(ESA EPPINGER GmbH)开发并获得专利的技 术。德国瑞品有限公司是一家世界领先的车削中心动力刀座专业生产商。 德国瑞品的动力刀座具有如下特点: 刀座采用整体式设计,刀座刚性好,精度高。 采用带预紧的双圆锥滚子轴承, 交采用角接触球轴承的刀座有更大的过负载能力和较长的寿 命。 普通动力刀座采用球轴承 德国瑞品动力刀座独家采用双圆锥滚子轴承 PRECI-FLEX 快换接口可以兼容 ER 夹头,第三代动力刀座可以兼容第二代刀座,既可以保 护客户先前的投资,又能兼顾今后的技术拓展。 这种接口的动力刀座在德马吉,哈挺,哈斯,斗山,马扎克,大隈,因代克斯,斯宾纳,肖 布林等世界知名的车削中心上均已得到成功应用。 第三代动力刀座的 PRECI-FLEX 精灵系列快换接口,可以做到: ? 重复定位精度 0,005mm ? 窜动 0,01mm ? 精度比标准弹簧夹头提高:3 - 4 倍 ? 和传统径向刀座相比的更换速度:20 分钟-----1 分钟 ? 改进的夹紧刚度:提升 4 倍 ? 切削参数提升: 2 个等级甚至更多 ? 刀具使用寿命的延长: 3 – 5 倍 加工对比实验中工件表面质量的差异– 铣槽深度 5mm 铣刀: HSS ? 20mm,V=70m/min,s=0,4mm/U,材料: 42CrMo4 动力刀座+弹簧夹头 动力刀座+PRECI-FLEX 的侧固接柄 通过降低机床停机时间,改善切削参数,延长刀具寿命,降低废品率,减少动力刀座的投资 等方面帮客户降低成本,可以使单件的成本下降 20%。 减少机床调整时间 80% 单件加工时间减少 0%-50% 延长刀具寿命,降低刀具成本 50% 降低废品率,由于整个刀链系统的精度均处于可控状态,所以保证单件即合格。 对于 VDI 接口的动力刀座,在一次调整后,工艺转换时,无需将刀座频繁拆装,只需要更 换 PRECI-FLEX 精灵接柄,速度快,精度高,避免了重复调整动力刀座的带来的长时间的 机床停机。大大提高了生产效率,降低了单件成本。 对于 BMT 接口的动力刀座,刀座拆装耗时长,现在同样不须更换刀座本体,只需要简单更 换前端接柄即可。 同时,这种接柄可以离线对刀,在一台集中的对刀仪上完成所有刀具刀长的设定,并可实时 地将刀长参数通过网络发送到相应的车削中心上, 在更换工序时, 操作工人只需简单地将已 经安装好刀具的 PRECI-FLEX 精灵接柄换装到对应刀位的动力刀座上,马上就可以开始下 一工序的加工。 大大降低机床停机和刀座对刀调整时间。 同时一台对刀仪可以同时为多台车 削中心提供对刀服务。这种现代化的生产方式,对于需要提高生产效率,降低固定投资的客 户而言,具有很大的吸引力。目前越来越多的机床用户开始引进这种信息化、集约化、自动 化的生产组织模式。 特殊用途的动力刀座 除了常规的动力刀座外, 还有一些特殊的动力刀座, 它们可以很好的拓展车削中心的加工范 围,这里仅略举一二: 假 Y 轴动力刀座 对于没有 Y 轴的车削中心,有时会遇到偏离主轴中心的钻孔,铣槽,铣平面等工艺,我们 可以采用假 Y 轴动力刀座,可手动地调节刀具的加工平面,将其沿 Y 轴方向平移某个特定 的数值,并完成相应的加工。 Y 轴方向偏移刀座 对于 Y 轴方向行程不够的情况下,采用 Y 轴方向偏移刀座可以补偿 Y 轴行程。 内环键槽加工刀座 以往此种工件需要在插床或拉床上完成,现在只需这种刀座可以轻松完成。 滚齿刀座 对于轴类零件, 有很小一段的直齿需要加工的情况下, 采用滚齿刀座可以一次性地完成加工, 适合于加工模数小于 2 的齿形。 U 钻:采用内冷的动力刀座,配合带内冷的快换接柄,可以实现 U 钻。 可调角度刀座:用于加工不同角度的斜孔 锯片铣刀刀座:用于开槽,切断等高效加工场合 双头刀座及多头刀座:用于特殊加工的工件或双主轴机床。可大大提高生产效率。