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C620 機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 附錄 1 外文翻譯 第十四屆可持續(xù)制造全球會(huì)議，GCSM 3-5 2016 年 10 月，南非 Stellenbosch 由于不同的機(jī)器操作、切割材料和相應(yīng)的銑床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，需要大范圍的主軸速度。 現(xiàn)代機(jī)床偶爾配備兩個(gè)主軸以覆蓋更廣泛的應(yīng)用范圍，特別是在提高類(lèi)似鋁合金一樣的 軟材料切削速率時(shí)，過(guò)時(shí)的機(jī)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(yīng)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(lái)證明現(xiàn)有 SSI 應(yīng)用的可行性。這使得在理論基礎(chǔ)上估算可持續(xù)效益。 為了開(kāi)發(fā)一種資源有效的升級(jí)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(xiàng)目中應(yīng)用附加組件的方法。這個(gè)方法的目的是以靈活的方式增強(qiáng)各自機(jī)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 命名法 ae 切削寬度 高速加工（HSM）在汽車(chē)、飛機(jī)和模具工業(yè)中起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)增加主軸 轉(zhuǎn)速，實(shí)驗(yàn)切削力和溫度的降低已被實(shí)驗(yàn)觀察到[2]?？蛇_(dá)到的切削去除率主要在 QW＝ 150～1500 cm 之間，切削速度 Vc 達(dá)到 10000 min -1 達(dá)到[2]。切削條件對(duì)降低能耗、提高加工效率起著重要作用?；醿?nèi)賈德等。比較了在不同的切削條件下，過(guò)時(shí)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(dá)到的去除率的因素。結(jié)果表明，特別是在精加工過(guò)程中，最大可能的主軸轉(zhuǎn)速是最大可達(dá)到的去除 率的瓶頸。總之，發(fā)現(xiàn)在切削操作中，過(guò)時(shí)的機(jī)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(guò)時(shí)的機(jī)床不能達(dá)到更高的去除率。在加工材料方面，能 量效率進(jìn)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〕。 12 ap 切削深度 D 刀具直徑 Fcmz 平均切削力 fz 每齒進(jìn)給量 hm 平均厚度 κ 壓力角 kc 切削力 K 矯正因子（Kv：切削速度，KVer:：刀具磨損 Kγ :：切屑厚度） m 斜率 n 主軸轉(zhuǎn)速 φ s 切削角 Q 切削去除率 z 齒數(shù) 為了提高加工效率,一系列工作開(kāi)始展開(kāi)。Rangalajand 和 Dornfeld 進(jìn)行了一個(gè)案例研究，以確定一個(gè)最佳角度的面銑削和粗加工[4]。通過(guò)對(duì)動(dòng)能回收系統(tǒng)（KER）的仿 真，提出了一種提高機(jī)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(shí)驗(yàn)測(cè)量了切削條件對(duì)功率消耗的影響。通過(guò)改變切削速度、進(jìn)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(jī)床的主軸速度，可以通過(guò)所謂的 SSI 靈活地升級(jí)，參見(jiàn)圖 2。這些SSI 要么由機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)，要么作為機(jī)械變速器工作，或者它們由集成流體或電驅(qū)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)。 在他們的文章中，薩爾加多和阿隆索描述了高速加工機(jī)械 SSI 的設(shè)計(jì)過(guò)程[7]。其目的是通過(guò)一個(gè)乘法器齒輪箱升級(jí)一個(gè)傳統(tǒng)的機(jī)床。為了通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)增加主軸速度， 使用了四構(gòu)件行星齒輪系（PGT）（圖 2）。在減小各自設(shè)計(jì)方案的體積和動(dòng)能的同時(shí)， 實(shí)現(xiàn)了大于 1:10 的速度比。 圖 2.SSI（a）機(jī)械傳動(dòng)； （b）流體驅(qū)動(dòng)（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(dòng)改善表面粗糙度。此外，所設(shè)計(jì)的SSI 能夠通過(guò)壓電薄膜[8]定量地測(cè)量切削力。 應(yīng)用流體驅(qū)動(dòng)主軸對(duì)大型機(jī)床進(jìn)行改造，拓寬了應(yīng)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(dòng)主軸[9]。特別是對(duì)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(guò)程的組合，其中需要高主軸速度，可以 通過(guò)冷卻劑驅(qū)動(dòng)的主軸。對(duì)于一個(gè)示例性的渦輪部件，結(jié)果表明制造時(shí)間可以減少約75%。 正如前面所討論的，SSI 的應(yīng)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(jì)所需的切削力、功率和可實(shí)現(xiàn)的切 削去除率。所有的數(shù)值都是通過(guò)計(jì)算估算的，在機(jī)械加工試驗(yàn)中沒(méi)有得到檢驗(yàn)。沒(méi)有或 具有機(jī)械SSI 的過(guò)程的值取決于所使用的機(jī)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(guò)時(shí)的傳統(tǒng)銑床的典型例子。重點(diǎn)介紹了三種 SSI 模型：機(jī)械式、空氣驅(qū)動(dòng)式和冷卻劑驅(qū)動(dòng)型 SSI。對(duì)于每種類(lèi)型，已經(jīng)選擇了一個(gè)例子進(jìn)行比較。機(jī)械齒輪的傳動(dòng)比為 5?？諝怛?qū)動(dòng)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(dòng)。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(jì)算銑削過(guò)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(guò)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(jìn)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(lái)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(jì)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(duì)不同刀具直徑的平均切削力進(jìn)行估算，并與主軸以 最高速度提供的力進(jìn)行比較。只要切削力小于主軸力，刀具直徑就可以使用。對(duì)于最高 可能的刀具直徑，使用公式（5）計(jì)算去除率 Q： Q = ae · ap · 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(duì)于這個(gè)例子，銑刀有推薦的切削寬度。 ae = 0.1 · D (6) 推薦切割深度為： ap = 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(biāo)記為星（*） 的條目?jī)H是理論值，而 FP4 銑床無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗?jì)算的切削力超過(guò)所提供的扭矩。由于FP4 的動(dòng)態(tài)特性，刀具直徑、切削寬度和切削深度的限制還沒(méi)有考慮。這些表顯示了SSI 的應(yīng)用范圍?？梢郧宄乜闯?，高刀具直徑僅在沒(méi)有 SSI 的情況下才可用。對(duì)于需要小刀具直徑的工藝，空氣和冷卻劑驅(qū)動(dòng)的 SSI 具有優(yōu)勢(shì)，尤其是銑削鋁時(shí)。切削力相對(duì)較小，切削速度大。 冷卻劑驅(qū)動(dòng)的SSI 可以達(dá)到比機(jī)械或無(wú) 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 [mm] 0.5 1 2 4 6 8 10 12 16 未使用的 0.002 0.015 0.121 0.968 3.674 7.620 13.608 21.773* 43.062 機(jī)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(dòng) 的 0.024 0.192 1.536 12.288* 46.656* 96.768* 172.800* 276.480* 546.816* 冷卻液驅(qū) 動(dòng) 0.018 0.144 1.152 9.216* 34.992* 72.576* 129.600* 207.360* 410.112* 表 2.鋁銑削去除率Q[ cm3 / min  ]的比較 *理論值 刀具直徑 [mm] 0.5 1 2 4 6 8 10 12 16 未使用的 0.001 0.011 0.081 0.726 2.109 5.685 11.907 21.501 48.868* 機(jī)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(dòng) 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(dòng) 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(dòng)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(dòng) SSI 達(dá)到相對(duì)較低的去除率。這與沒(méi)有 SSI 的FP4 銑床相比，減少了加工時(shí)間。與此相反，機(jī)械模型將切削去除率提高了約 30%，這導(dǎo)致了時(shí)間利潤(rùn)，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(jī)械的 空氣驅(qū)動(dòng)的 泠卻液驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(jī)械的 空氣驅(qū)動(dòng)的 泠卻液驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(yīng)用是一種有前途的措施，以提高過(guò)時(shí)的 FP4 銑床的生產(chǎn)率，特別是通過(guò)提高去除率。對(duì)于具有高刀具直徑的粗加工，機(jī)械 SSI 有助于提高去除率，從而節(jié)省加工時(shí)間。適用于銑削直徑為 8 mm 的鋼和鋁。對(duì)于需要小刀具直徑的操作，使用空氣和冷卻劑驅(qū)動(dòng)的主軸的切削去除率比FP4 機(jī)床大得多，因?yàn)闆](méi)有更高的切削速度， 或者沒(méi)有機(jī)械 SSI?？諝夂屠鋮s劑驅(qū)動(dòng)的 SSI 可根據(jù)工件材料處理刀具直徑達(dá) 4 毫米。通過(guò)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(xiàng)工作是由德國(guó)研究基金會(huì)（德意志 FoSunggsEngEnSHIFT）資助的，在合作研究中心 1026（SFB）內(nèi)。 [1] Kianinejad, K.; Thom, S.; Kushwaha, S.; Uhlmann, E.: Add-on Error Compensation Unit as Sustainable Solution for Outdated Milling Machines. 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