C620機床傳動系統(tǒng)結(jié)構設計含SW三維及9張CAD圖
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附錄 1 外文翻譯
第十四屆可持續(xù)制造全球會議，GCSM 3-5 2016 年 10 月，南非 Stellenbosch
由于不同的機器操作、切割材料和相應的銑床的進給運動，需要大范圍的主軸速度。 現(xiàn)代機床偶爾配備兩個主軸以覆蓋更廣泛的應用范圍，特別是在提高類似鋁合金一樣的 軟材料切削速率時，過時的機床不能提供高的主軸轉(zhuǎn)速。主軸速度增加（SSI）是可能 的解決方案，以便靈活地提高銑刀的切削去除率。本文研究了 SSI 在不同銑床上的應用， 以及在資源和能源效率方面的研究現(xiàn)狀。因此，基于各自的加工操作、主軸輸入和銑床， 提供了一種選擇方法來證明現(xiàn)有 SSI 應用的可行性。這使得在理論基礎上估算可持續(xù)效益。
為了開發(fā)一種資源有效的升級傳統(tǒng)銑床的方法，作者提出了在協(xié)作研究中心（CRC） 1026 B5 項目中應用附加組件的方法。這個方法的目的是以靈活的方式增強各自機床的特 定 功 能 。 圖 1 示 出 了 X 和 Y 平面 [1] 中 的 銑 床 （ thereafter: FP4 ）。
Fig. 1. Deckel FP4NC 銑床 (a) 增加精度的附加裝置; (b) 增產(chǎn)附加裝置
切削寬度
ae
命名法
高速加工（HSM）在汽車、飛機和模具工業(yè)中起著至關重要的作用。通過增加主軸 轉(zhuǎn)速，實驗切削力和溫度的降低已被實驗觀察到[2]?？蛇_到的切削去除率主要在 QW＝ 150～1500 cm 之間，切削速度 Vc 達到 10000 min -1 達到[2]。切削條件對降低能耗、提高加工效率起著重要作用。基尼內(nèi)賈德等。比較了在不同的切削條件下，過時的 FP4 和新的 DMG DMU50 銑床的能耗。目的是確定影響不同工具、工藝和材料可達到的去除率的因素。結(jié)果表明，特別是在精加工過程中，最大可能的主軸轉(zhuǎn)速是最大可達到的去除 率的瓶頸。總之，發(fā)現(xiàn)在切削操作中，過時的機床具有比 40%更高的比能耗。由于最大主軸轉(zhuǎn)速和主軸功率的限制，過時的機床不能達到更高的去除率。在加工材料方面，能 量效率進一步受到限制，這允許比 FP4 提供的更高的切削速度，例如鋁合金〔3〕。
C620 機床傳動系統(tǒng)結(jié)構設計
齒數(shù)
z
切削去除率
Q
切削角
φ s
主軸轉(zhuǎn)速
n
斜率
m
矯正因子（Kv：切削速度，KVer:：刀具磨損 Kγ :：切屑
厚度）
K
切削力
kc
壓力角
κ
平均厚度
hm
每齒進給量
fz
平均切削力
Fcmz
刀具直徑
D
切削深度
ap
為了提高加工效率,一系列工作開始展開。Rangalajand 和 Dornfeld 進行了一個案
例研究，以確定一個最佳角度的面銑削和粗加工[4]。通過對動能回收系統(tǒng)（KER）的仿 真，提出了一種提高機床能效的有效方案，仿真結(jié)果表明，KER 的使用可減少 5～25%的功耗（5）。石棉實驗測量了切削條件對功率消耗的影響。通過改變切削速度、進給速 度、徑向和軸向切削深度，端銑刀的功耗降低了約 40%。[6]
為了提高傳統(tǒng)機床的主軸速度，可以通過所謂的 SSI 靈活地升級，參見圖 2。這些
SSI 要么由機床主軸驅(qū)動，要么作為機械變速器工作，或者它們由集成流體或電驅(qū)動來驅(qū)動。
在他們的文章中，薩爾加多和阿隆索描述了高速加工機械 SSI 的設計過程[7]。其目的是通過一個乘法器齒輪箱升級一個傳統(tǒng)的機床。為了通過機械傳動增加主軸速度， 使用了四構件行星齒輪系（PGT）（圖 2）。在減小各自設計方案的體積和動能的同時， 實現(xiàn)了大于 1:10 的速度比。
圖 2.SSI（a）機械傳動； （b）流體驅(qū)動（冷卻劑和空氣）[7，9]
除了提高主軸速度 Yamanaka 等其他人采用楔形滾子牽引傳動改善表面粗糙度。此外，所設計的 SSI 能夠通過壓電薄膜[8]定量地測量切削力。
應用流體驅(qū)動主軸對大型機床進行改造，拓寬了應用范圍。因此舒伯特等人提出一 種用于半精加工、精加工和微銑削工藝的冷卻劑驅(qū)動主軸[9]。特別是對于加工模具和 模具，需要高主軸功率和精加工操作的粗加工過程的組合，其中需要高主軸速度，可以 通過冷卻劑驅(qū)動的主軸。對于一個示例性的渦輪部件，結(jié)果表明制造時間可以減少約75%。
正如前面所討論的，SSI 的應用受到所需切削功率的限制。因此，考慮了不同的切削參數(shù)（刀具直徑、工件材料和切削速度），以估計所需的切削力、功率和可實現(xiàn)的切 削去除率。所有的數(shù)值都是通過計算估算的，在機械加工試驗中沒有得到檢驗。沒有或 具有機械 SSI 的過程的值取決于所使用的機器。這意味著只有 FP4 銑床的結(jié)果是有效的。它的最大主軸速度為 N＝3150/分鐘，并作為過時的傳統(tǒng)銑床的典型例子。重點介紹了三種 SSI 模型：機械式、空氣驅(qū)動式和冷卻劑驅(qū)動型 SSI。對于每種類型，已經(jīng)選擇了一個例子進行比較。機械齒輪的傳動比為 5?？諝怛?qū)動的主軸提供 N＝40000/分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)和 N＝30000/分鐘的冷卻劑驅(qū)動。它們的旋轉(zhuǎn)數(shù)分別取決于空氣和冷卻劑的壓力和流速。
為了計算銑削過程的平均切削力，采用 KiZZLE 方程[10]。因此，平均芯片厚度 HM 是需要的，并且可以通過以下方程獲得：
m
z
h = 114.6° · f
fs
· ae
D
(1)
和
cosjs
= (1 - 2ae )
D
(2)
在方程（1）和（2）中，φ S 表示切削弧角[O]，fz 每齒進給[mm ]，ae 切削寬度[mm ] 和 D 刀具直徑[mm ]。此外，特定切削力 kc 是必需的，并且可以用以下方法來估算
(3)
kc1
n
=
k
c m
m
在方程式（3）中，kc1 代表特定切削力[ N / mm2 ]和 m 斜率的主值。利用這些方程可以計算出平均切削力 Fcmz :
Fcmz
= ap
sin k
· hm
· kc
· Kg
· Kv
· KVer
(4)
在方程（4）中，κ 是壓力角和 ap 的切割深度。Kγ , Kv 和 KVer 代表了切屑厚度、切削速度和刀具磨損的校正因素。對不同刀具直徑的平均切削力進行估算，并與主軸以 最高速度提供的力進行比較。只要切削力小于主軸力，刀具直徑就可以使用。對于最高 可能的刀具直徑，使用公式（5）計算去除率 Q：
Q = ae · a p · f z · z · n (5)
在方程式（5）中，Z 是齒數(shù)和 N 的轉(zhuǎn)數(shù)[ 1／min ]。對于這個例子，銑刀有推薦的切削寬度。
ae = 0.1 · D (6) 推薦切割深度為：
a p = 1.5 · D (7)
表 1 和表 2 概述了在最大轉(zhuǎn)數(shù)下不同刀具直徑的不同 SSI 的去除率。標記為星（*） 的條目僅是理論值，而 FP4 銑床無法實現(xiàn)，因為所計算的切削力超過所提供的扭矩。由于 FP4 的動態(tài)特性，刀具直徑、切削寬度和切削深度的限制還沒有考慮。這些表顯示了SSI 的應用范圍?？梢郧宄乜闯觯叩毒咧睆絻H在沒有 SSI 的情況下才可用。對于需要小刀具直徑的工藝，空氣和冷卻劑驅(qū)動的 SSI 具有優(yōu)勢，尤其是銑削鋁時。切削力相對較小，切削速度大。
冷卻劑驅(qū)動的 SSI 可以達到比機械或無 SSI 更高的去除率。
表 1.鋼銑削去除率 Q[ cm3 / min
]的比較
刀具直徑
0.5
1
2
4
6
8
10
12
16
[mm]
未使用的
0.002
0.015
0.121
0.968
3.674
7.620
13.608
21.773*
43.062
機械的
0.010
0.076
0.605
4.838.
18.371
38.102*
68.040*
108.864*
215.309*
空氣驅(qū)動
0.024
0.192
1.536
12.288*
46.656*
96.768*
172.800*
276.480*
546.816*
的
冷卻液驅(qū)
0.018
0.144
1.152
9.216*
34.992*
72.576*
129.600*
207.360*
410.112*
動
*理論值
表 2.鋁銑削去除率 Q[ cm3 / min ]的比較
刀具直徑
0.5
1
2
4
6
8
10
12
16
[mm]
未使用的
0.001
0.011
0.081
0.726
2.109
5.685
11.907
21.501
48.868*
機械的
0.007
0.057
0.454
3.629
10.546
28.426
59.535*
107.503*
244.339*
空氣驅(qū)動
的
0.018
0.144
1.152
9.216*
26.784*
72.192
151.200*
273.024*
620.544*
冷卻液驅(qū)
動
0.014
0.108
0.864
6.912
20.088
54.144*
113.400*
204.768*
465.408*
*理論值
表 3 和表 4 顯示了不同主軸增速器的去除率，其中最大可能的刀具直徑。由于所提供的低功率，空氣和冷卻劑驅(qū)動的主軸不能提供允許使用高刀具直徑的扭矩。盡管主軸 轉(zhuǎn)速高，流體驅(qū)動 SSI 達到相對較低的去除率。這與沒有 SSI 的 FP4 銑床相比，減少了加工時間。與此相反，機械模型將切削去除率提高了約 30%，這導致了時間利潤，從而提高了生產(chǎn)率。刀具直徑越小，切削寬度 ae 和切削深度 ap 越小，刀具直徑越大。
表 3.具有最高可能刀具直徑的鋼銑削的去除率。
主軸增速器
未使用的
機械的
空氣驅(qū)動的
泠卻液驅(qū)動的
最大可能刀具直徑[mm]
10
6
2
2
切削寬度 ae [mm]
1
0.6
0.2
0.2
切削深度 ap [mm]
15
9
3
3
每齒進給量 fz [mm]
0.072
0.054
0.016
0.016
齒數(shù)
4
4
4
4
轉(zhuǎn)數(shù) n[min -1 ]
3,150
15,750
40,000
30,000
去除率 Q[cm3/min]
13.608
18.371
1.536
1.152
表 4. 鋁銑削刀具的最大切削直徑
主軸增速器
未使用的
機械的
空氣驅(qū)動的
泠卻液驅(qū)動的
最大可能刀具直徑[mm]
12
8
2
4
切削寬度 ae [mm]
1.2
0.8
0.2
0.4
切削深度 ap [mm]
18
12
3
6
每齒進給量 fz [mm]
0.079
0.047
0.012
0.024
齒數(shù)
4
4
4
4
轉(zhuǎn)數(shù) n[min -1 ]
3,150
15,750
40,000
30,000
去除率 Q[cm3/min]
21.501
28.426
1.152
6.912
SSI 作為添加劑的應用是一種有前途的措施，以提高過時的 FP4 銑床的生產(chǎn)率，特別是通過提高去除率。對于具有高刀具直徑的粗加工，機械 SSI 有助于提高去除率，從而節(jié)省加工時間。適用于銑削直徑為 8 mm 的鋼和鋁。對于需要小刀具直徑的操作，使用空氣和冷卻劑驅(qū)動的主軸的切削去除率比FP4 機床大得多，因為沒有更高的切削速度， 或者沒有機械 SSI?？諝夂屠鋮s劑驅(qū)動的 SSI 可根據(jù)工件材料處理刀具直徑達 4 毫米。通過減小切削寬度 AE 和切削深度 AP，刀具直徑越大，切削力越小。
這項工作是由德國研究基金會（德意志 FoSunggsEngEnSHIFT）資助的，在合作研究中心 1026（SFB）內(nèi)。
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