通用机床主驱动设计的一些问题
JAN WOJCIECHOWSKI, PRZEMYSLAW WYGLĄDACZ
生产工程及自动化学院, 波兰弗罗茨瓦夫理工大学, Łukasiewicza 5, 50-371 Wrocław
摘要： 关于通用机床主驱动装置与加工任务的拟合特征问题经过了深思熟虑。铣削的功率需求和切削扭矩需求被分析。结果表明，通过增加一个齿轮副可以在一个较广的主轴速度范围内获得一个恒定的机械加工功率来高效加工钢和铝合金。
关键词：机床，主驱动，设计。
1介绍
随着切削速度的范围的增加,人们在设计机床的主传动时倾向于增加主轴回转的速度，在1989年至1999年,机床最大主轴转速增加了十倍。
另一个与推动更高的金属去除率有关的要求是：一方面通过主轴无级变速来保持最优切削速度，另一方面是使自激励振动最小化[1].。还有一个重要的要求是应当用一个恒定的电机功率来保证很高的（远远超过驱动电机的能力）主轴转速。不论主轴是在低或高的转速下的高效加工，动力是不可缺少的。高效加工的材料具有较高的单位切削力。如钢,需要以一个恒定的在低机床主轴转速下的力，然而，通过增加主轴速度，人们能够用更高的切削速度和更小的切削阻力来进行高效率加工。例如铝合金等材料。今天使用的高速主轴往往无法满足上述要求。然而,后者可将更多的齿轮加入主传动中来减少或增加电机转速。本文将探讨这些齿轮应用在通用机床的主驱动中的适用性。
2塑造主驱动特点
机床的主驱动的设计在于选择适当可用的商用组件。为了选择一个适合的驱动单元。人们必须通过一个装备有供电单元的潜在电机和一个可能存在的齿轮传动机构来对比分析预期加工过程中所需的负载曲线。在机床生产潜力利用率较高的情况下，驱动器应该有执行所有的预期任务的能力。如果一个人有这样的输入数据时，驱动器的负载曲线可以被确定：
−转速的要求,
−实现加工过程中所需的功率,
−切削扭矩。
通过精确确定的输入数据, 一个人必须知道一台机床所执行的给定的加工任务。就通用机床而言，不容易预知怎样的加工工序将用于工件的加工。后者可以用来确定负荷特点。
预选主驱动电机的方法之一是极限载荷法，即选择发生在机床操作过程中出现的最糟糕的传动负载情况。这意味着在工件大孔径层的初步操作是切削并且要考虑到操作需要高转速。加工参数的选择应考虑到机床的承重结构、加工方法途径与加工参数对刀具材料的要求。
铝 镁 铜 黄 青 灰 合 碳 碳 合 高
合 合 铜 铜 铸 金 铸 钢 金 速
金 金 铁 铸 钢 钢 抗
铁 腐
蚀
钢
图1 . 不同材料的单位切削力kc
极限载荷方法的应用在这里展示了如何通过增加一个齿轮副并将其融入主驱动的传动链中的途径，使得机床的功能特性能够提高。为了确定主驱动负荷的特点，对机械力和转矩进行了计算。作为通用机床的主要加工方式∶车削和铣削已被研究。但会有比相关的车削和铣削更为沉重的载荷的加工方式，例如，上述过程包含了钻孔工序。机械加工工件是用St60-2钢制成，并且人们对Al99,8_F6铝合金（德国标准(DIN)）也进行了分析，因为后者是最常用的但与St60-2钢拥有完全不同切削阻力的机械加工材料(图1)。
Sandvik Coromant（山特维克可乐满）公司的产品目录被用来在示范程序时选取切削工具和加工参数。
3主驱动特性的分析
通用机床的主驱动的负载特性：对一台铣床和一台车床进行分析。就铣床来说，通过选用直径标准为d=50mm和刀刃数为z=4的刀具进行端面铣削。Sandvik Coromant公司推荐的插入资料CT530(确保高切削速度)用来加工铁和铝。
就车床而言，直接切削直径为d=50mm的滚筒并且插入材料为CT630。
表格中列举了用于两种机床主传动负载分析的加工参数
表格.铣削和车削的加工参数
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St60-2
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A199.8_F6
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铣削
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进给量fz
背吃刀量ap
和切削速度vc
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切削刃进给量fz[mm/edge]
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0.1
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1
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0.1
|
1
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ap [mm]
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1-10
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vc [m/min]
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360
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90
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1130
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385
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车削
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进给量f
背吃刀量ap
和切削速度vc
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进给量f [mm/r]
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0.1
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1.5
|
0.1
|
1.5
|
|
ap [mm]
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1-5
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vc [m/min]
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810
|
180
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2080
|
930
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为了确定所需功率Pmax和切削阻力矩M，对构成的第一个最大切削力Fcmax进行了计算。单位切削力kc决定材料性能，这种性能会影响上述力。阻力并不是恒定的，它主要取决于进给速度。包含一个计算机程序及相关资料的Sandvik Coromant公司的目录被用来计算力Fcmax[3]。计算最大切削零件的加工功率Pmax，Pmax可通过以下关系式得到：
Fcmax = kc · ap · f[N]，
式中，
Fcmax——最大切削力，
kc——单位切削力，
ap——背吃刀量，
f——进给量。
由最大切削力Fcmax和给出的切削速度VC来得到最大加工功率Pmax 可以这样表示：
，
式中：
Pmax——最大加工功率，
vc——切削速度。
切削阻力矩M可表示为：
，
式中：
M——切削阻力矩，
d——铣削和车削的工具和工件的直径
根据表格一中给出的参数计算并画出所需的功率和切削力矩图。
钢的铣削功率图(图2) (颜色较深的区域)和铝的铣削功率图(颜色较轻的区域)表明,钢和铝的负载曲线差别极大。就钢与铝比较而言，在较低转速时就可获得所需加工功率。因此，用设计来加工钢的机床来加工铝效率会很低，因为它无法满足足够高的转速要求，不能实现高生产力。然而，一台专门用于加工铝的机床在较低的转速范围内无法达到足够高的功率；但是，机床在较低的转速范围下加工铁时功率足够高。
主驱动电机功率图（虚线）叠加在功率需求图上。日本Mitsubishi（三菱）电机SJ-P F7.5被选用，是因为在图上它大部分的功率需求在电机工作范围内。在图上可以很容易看出，在加工钢时，电机很好地满足了其动力特性方面的要求。不幸的是，对于铝的加工，相当大的一部分的功率需求区域不在电机的工作范围内。为了扩大后者，于是人们增加了一个工作齿轮副。这样的一组新的齿轮传动比被选用，以用来在一个恒定功率下获得一个尽可能宽的主轴转速范围。传动比选用i=3：
，
式中：
nmax——最大电机转速，
np——当电机达到最大功率时所能获得的最低转速。
主轴转速n（rpm）
图2.在不同的加工参数ap和fz下用Ø50mm的端面铣刀铣削钢和铝的功率需求与主轴转速关系图。
SJ-P F7.5三菱电机有和没有传动齿轮比i=3的功率图。
有齿轮传动的电机的功率需求在图上用实线表示。由于齿轮传动机构，主驱动的工作范围扩展并覆盖了剩余的适用于铝加工的负载区域。
除了使电机功率特性与功率需求相匹配外，人们也应当选择适当的电机扭矩特性。因此，用和制作功率需求图相似的方法来绘制扭矩图用于加工参数的选择。（图三）
主轴转速年（rpm）
图5.在不同的加工参数ap和fz下用Ø50mm的端面铣刀铣削钢和铝的扭矩与主轴转速关系图。
SJ-P F7.5三菱电机有和没有传动齿轮比i=3的扭矩图。
与功率需求曲线的情况相同，钢的扭矩需求特性不同于铝的。加工钢要求在较低的转速（深色区域）下有较高的扭矩，然而加工铝会导致主要驱动器的负荷更低，但转速会较高（浅色区域）。扭矩的情况与功率的相似。加工钢的机床工具用来加工铝时不会被充分利用，反之亦然。
这里的电机机械特性（虚线）也是叠加在扭矩需求曲线上。电机的输出转矩和速度会比加工钢时可能所需的驱动器负载要超出相当大的部分，但却只包含一小部分加工铝时的阻力曲线。也就是说,在有限的加工参数(进给速度和背吃刀量位于虚线下面)下,当转速不足时加工钢和铝是可能实现的。当添加一个齿轮齿数比为i=3的齿轮机构，可用的主轴速度范围会增加，反过来这会导致主轴扭矩（Mi）相对电机扭矩（M）降低：
，
式中：
Mi——主轴扭矩，
M——电机扭矩，
η——齿轮传动效率，
i——齿数比。
尽管转矩下降近三倍,但增加的驱动器操作范围足以满足加工铝时所需的几乎全部的扭矩。这是由于（5-8倍）降低的单位切削力造成的。
一个关于车削的相似的分析已完成。关于铣削的功率需求图（图4）和扭矩图（图5）已被绘制。
主轴转速n（rpm）
图4.在不同的加工参数ap和fz下直接车削Ø50mm钢或铝的滚筒的功率与主轴转速的关系图。
关于加工钢时的负载曲线、功率和扭矩与加工铝时有很大不同。通过采用一个额外的齿轮机构扩大主要驱动器的可用转速。在给定的参数下，人们可以在一个更广的适用负载范围内满足功率和扭矩需求。日本三菱电机SJ-PF7.5没有变速箱齿轮或i = 1使得加工钢时的切削速度低（操作加工参数位于代表电机特性虚线的下方是可能的），但是在规定参数下达不到足够高的转速来加工铝。在一个较低的转速下一个高速电机也能确保一个足够高的扭矩用来加工钢（适用的负载区域位于表示含有额外齿轮机构的电机的特性的实线的下方）。 但是，由额外的齿轮机构在主驱动器运动链中而形成的组合特性通过扩展可用的主轴转速范围的方式，提高了机床的操作能力。
4结论：
通过上述分析可以得到以下结论：
在整个的转速范围内电机的机械特性显示的自身的转矩和额定功率，符合电机最不利的运行条件：电机可能会长期在所允许的最大负载下运行。这经常发生在深孔加工过程中，但是在现实中，长期在变载荷下的运行经常发生。然后一个ED（在一指定的时间间隔，指示器显示所允许的最大负载时间的范围）特性叠加在功率需求曲线上。这种载荷发生在大多数的通用和专用机床上。[2]
·当设计一个驱动器时，人们可以选择具有较低功率的电机，但是人们必须考虑到机械参数的范围将会降低。参数可以从图（可行的参数在代表最大功率的线条下-图2和图4）中读取。人们必须考虑到使用较大的电机和电子电源设备的成本。因此在主驱动的初步选择期间，所允许的加工参数可以被确定。
·可以允许短时间内的电机过载（取决于电机热保护器的运行情况），但是电机无法载入高于扭矩峰值的扭矩,因为它将自动终止（电机的保护措施将会启动，否者电机可能被损坏）。
为了验证预选电机，人们应当计算它的热稳定性。
由于现代刀具材料的性能，它们可以在一个非常广泛的加工参数范围下被加工。但现在的数控机床的设计通常不允许人们充分利用这种可行性。为了扩充机床的功能，人们可以将一个额外的齿轮机构融入到主驱动器的传动链中。在一个比较好的功率和扭矩特性下，这将会扩大转速的范围，并且使得在不同的单位切削力下加工材料的效率更高。适用于两种机床的解决方法被提出来：一种方案是在较低的转速度和较高的切削阻力下加工材料，另一种方案是在高转速度和低切削阻力下加工材料。介绍一个附加的齿轮机构的优点时必须介绍它可以减少功率需求和只用一个较小的动力单元供能的优点。
齿轮传动比可以通过重组机床来改变。但最方便的解决办法是通过机床的控制系统控制齿轮机构。因为后者在分析设定的加工参数后将选择适当的齿轮传动比。
参考文献：
[1] Krzyżanowski J., Nitek W., Wojciechowski J.: Rozwój napędów obrabiarek skrawają-cych (The development of machine tool drives), Napędy i sterowanie, 2001, No. 5, pp. 12–16.
[2] Wrotny L. T.: Projektowanie obrabiarek. Zagadnienia ogólne i przykłady obliczeń (De-sign of machine tools. General problems and examples of calculations), WNT, Warsaw, 1986.
[3] The Internet catalogue of Sandvik Coromant products：
http://www.coromant.sandvik.com/pl.
[4] Mitsubishi General Catalogue, March 1999.
