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数控加工中心的材料选择及利弊分析
[2021-06-16]

数控加工中心的材料选择及利弊分析


数控加工中心的刚性是指数控加工中心在加工产品时产生的振动的大小,刚性越高振动越小,刚性越小振动越大。数控加工中心的床身、传动系统直接能影响到整台机床的刚性。


不同刚性的机床在加工产品时对刀具的选用和损耗影响非常大,也直接影响到了最终的加工精度,生产效率,生产成本和整台CNC数控加工中心的长期寿命和精度的稳定性。整体刚性高的机床通常都是具备精度高、速度快、寿命长、长期精度稳定和维护周期长的特点。


一台数控加工中心的机架是整个设备的骨骼,是承受切削扭矩力和分散震动力的关键,也是整机静态和动态稳定性的基础。就像是一幢大楼的基础,你造三四层高的房子,地基基础当然不需要那么好,如果你造一座100层的摩天大厦,地基和框架就必须牢固可靠。可是是高精度数控机床,离开了好机架,就算是最好的主轴丝杆导轨,整机的精度一年之后荡然无存。而国内机床陷于同质化低价竞争的怪圈,对所采用的机架材料也是互相比烂,从而导致整体数控机床行业同质化低价竞争的局面。


那么应该选择哪种材料来提高数控加工中心的整体刚度,从而实现设备的从中低端到高端的升级呢?


作为数控加工中心骨架的床身或者底座,从结构材料上可以大致分为铸铁、矿物铸件、钢焊接结构和天然大理石等四大类。四大类材料各自具有完全不同的物理化学和机械力学特性,也分别在各类数控机床设备上都有大量的应用。


结构材料的两个重要的功能在于:保证部件的几何尺寸的精度和装配的准确性和良好的减震性以提高数控加工中心设备整体的刚度。这就对用于制造数控装备床身或者底座的材料提出了性能要求(静态和动态刚性、物理、化学的稳定性)、功能结构要求(精度、重量、壁厚、易于装配、介质循环系统、物流运输等)和成本要求(价格、数量、实用性和系统性)。在考虑成本这一项的时候,不应该仅仅考虑不同材质床身的采购成本,而是要综合比价各种材料在加工、运输、装配和性能等各个方面的综合成本。比如:从采购成本上看,矿物铸件的成本高于铸铁,但如果综合考虑吸振性,阻尼效果、热稳定性,加工成本,装配铲刮成本,整机的精度、寿命和长期维护成本在内,矿物铸件的成本则明显低于铸铁。


床身或者底座材料的不同直接在以下三个关键的方面影响一台设备的性能:


1. 静态特性


衡量数控机床或者其它数控装备床身或者底座静态特性的一个重要的标准通常是材料的刚性即承载下的变形指标,而不是材料的强度。刚性越大,承载变形量就会越小。对于静态弹性变形,可以把矿物铸件和其它材料一样看作是符合胡克定律的各向均匀的材料,尽管矿物铸件的弹性模量只有铸铁或者铸钢的1/3,但对应的密度只是铸铁或者铸钢的1/3, 所以,矿物铸件与铸铁或者铸钢具有同样甚至更高的材料刚度。如果单纯从抗压强度、抗弯强度和弹性模量的绝对数值来比较矿物铸件与铸铁的刚性而不考虑二者的密度差异,明显是材料专业方面的门外汉。事实上,在不考虑设计结构影响的前提下,同样重量的矿物铸件与铸铁具有相同刚度,实验数据和应用数据表明:矿物铸件的实际刚度甚至大于铸铁。很多时候,矿物铸件的壁厚为铸铁的2-3倍,这样矿物铸件材料无论在力学性能还是浇注成型方面没有任何问题。


2. 动态特性


随着对加工加工精度,加工速度要求的不断提高,机床的动态稳定性就愈发显得重要。快速定位、快速换刀、直线电机的高速启动或停止、高速进给过程对数控加工中心设备的结构件不断的强化机械共振和动态激励。除了部件的尺寸设计、部件的绕曲性、质量分布等外围因素之外,设备的动态稳定性很大程度上取决于材料的阻尼特性。振动阻尼值只有0.02-0.03矿物铸件,相比较铸铁,在很大程度上为提高设备的动态特性提供了良好的解决方案。从材料特性上看,矿物铸件的吸振性能为铸铁的10倍,能够大幅降低振幅和固有频率。诸如在机械切削、研磨等加工过程中,可以带来更高的精度、更好的表面质量、更长的刀具寿命,同时通过宝丽斯通公司对大型发动机和离心机的不同材质的底座的比较验证,我们发现在控制设备的噪音方面也同样有出色的表现。根据撞击声分析,矿物铸件可以实现声压级别局部减弱20%的效果。


3. 温度敏感性


据统计,在机床产生的偏差中,约80%左右是热量引起的。内部或者外部的热源、预热、更换工件加工中断等都有可能导致热变形。为挑选合适的材料,在选材之初,就要对数控设备的运行内部温度和环境温度进行分析,为克服这一因素的影响,大多数的高端数控装备都要求在恒温车间使用,同时在加工过程中配置对应的冷却系统。高比热和低传导使得矿物铸件对短暂的温度变化有良好的适应性,能够减少短期温度变化对机床精度的影响,有利于在合理的成本条件下实现精度提升。但在持续高温环境中,如高于45摄氏度以上的内部或者外部作业环境中,矿物铸件和其它材料一样,受热产生膨胀,从而也会导致机床精度有所变化。


最近几年,欧美、日本尤其是德国公司在提高机床方面逐步采用性能更加优异的新型节能环保材料-矿物铸件来代替传统的铸铁机架或者天然石机架。目前德国的高端数控机床采用这一新材料的比例已经接近40% 并且逐年提高。而国内一些高端数控设备的制造商,也在快速的实现机床床身或者底座向矿物铸件的转化,部分公司已经取得了明显的品牌效益和经济效益。大量的实验数据和国内外高端数控设备客户的实践证明:坚韧、耐久、减振、高精的宝丽斯通矿物铸件有能力助推中国数控装备制造业产业升级。


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