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【天富登录app】新型机床电主轴来袭:可换刀 可以将CNC机床转变为高速加工中心

新的主轴技术运转更快,使用寿命更长并且变得越来越智能。

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NSK的iSpeed5系统是一种完全可换刀的电主轴,可以将CNC机床转变为高速加工中心。

从动主轴是机床的技术核心,它为旋转切削工具提供动力,从而改变了我们的产品和我们的世界。将一个轴附加到五轴运动中可以创建一台先进的CNC机床。将主轴连接到多关节机械臂上可创建一台精密钻孔机。将经过改进的机器连接到现有机器上,新的应用程序应运而生。在各种用途中,客户都希望主轴具有更高的耐用性,速度和智能功能,以进行熄灯操作。

创新地使用主轴的可能性仅受当今主轴越来越快,耐用和更智能的限制。

小型工具需求速度,准确性

伊利诺伊州霍夫曼庄园NSK美国公司高级产品经理Greg Nottoli认为,提高客户的需求始于提高速度和准确性。NSK的特色之一是为微型工具提供电动和气动主轴。微型工具是任何直径为1/8英寸(3.18毫米)或更小至0.001英寸(0.025毫米)的铣刀或钻头圆形工具。小直径的工具基本上是湿面条,非常容易折断。在转动钻头或铣刀时,工具的直径越小,有效旋转所需的旋转速度就越快。许多CNC机床仅以8,000至15,000 rpm的转速进行标准车刀精加工。根据Nottoli的说法,微型工具通常需要达到42,000 rpm。

“使用转速为8000 rpm的主轴的微型工具并不是最佳选择,因为您没有正确地排空芯片,没有获得正确的表面尺码,而只是破坏工具。这就是我们填补这个专业市场空白的地方。”他说。

根据Nottoli的说法,NSK可提供的主轴可以将任何机器与现有的刀架(例如CAT 40、50或BT)进行后装配。他说:“它使最终用户可以获得更高的速度,”他补充说:“这些是真正的主轴,而不是将现有主轴的速度转换成更高rpm的速度倍增器。他说,倍增器是“一个装有齿轮的盒子”。虽然它可以提供所需的速度和精度,并且标准工具的动力损耗最小,但它也会引入振动和热量。对于以亚微米为单位指定精度的微加工,这些是问题。”

“我们有用于车削中心和磨床或特制机器人的主轴,” Nottoli说:“如果是加工中心,我们的主轴将进入机床主轴[空间]并提供自己的旋转。” 加工中心提供轴定位,NSK主轴提供动力。

尽管气动和电动都有其应用,但诺托利还指出了电动的优势。“对于您来说,最好的选择就是用电。我们的电动机是闭环控制器中的无刷直流电。使用我们的控制器,一旦将速度调到千转,一旦切削工具啮合,它就将主轴保持在该速度。气动附件主轴不是这样,因为一旦它与零件啮合,转速通常就会下降。”他解释说:“我们可以尝试通过调节器来控制它。但是实际上并没有主动的反馈来控制它。”

来自NSK的最新电主轴iSpeed5拥有高达80,000 rpm的转速,最大输出功率为350W。这是一个完全可更换工具的系统,包括电主轴、限位块、气压开关和控制单元。当电源、冷却空气和控制信号与安装在机床主轴上的机电止动块接合时,就会向主轴提供动力,陶瓷轴承可实现这些高转速。

准确性,多功能性和控制性

伊利诺伊州Elk Grove的MC机械系统公司的全国产品经理和应用经理William Gillcrist同意,提高速度和功率对新主轴至关重要,同时也强调精度。

他说:“在高精度应用中,您必须确保刀具完全正确地旋转,因此轴承技术非常重要。” 他说:“采用高科技轴承使主轴跳动并最小化主轴的增长至关重要。这意味着当转速超过20,000时,陶瓷或空气轴承。同样重要的是更长的主轴寿命。主轴可能是机床上最昂贵的组件,将其像消耗品一样对待其底线。”

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根据MC机械公司的说法,控制径向或轴向热膨胀的系统至关重要。

但是,并非所有新的主轴技术都能以较小的轴承和较长的使用寿命实现高速,低跳动和低振动。仍然需要以较低的转速提供高扭矩和高金属去除率的主轴。这给轴承和组件施加了很大的压力。理想情况下,单个主轴可以提供高扭矩、低转速和低扭矩、高转速。我们看到的是更好的主轴,具有更高的扭矩和速度,以较低的速度提供扭矩,但仍然能够达到远高于30,000的更高转速。大多数人都希望高扭矩与长寿命主轴中的最高速度相结合。 他还提供了一个实用的技巧-高扭矩会限制主轴寿命。

补偿的另一个重要因素是热引起的膨胀。控制径向跳动很重要,但是主轴沿轴向的生长也很重要。“我们在出售的机器上看到的主要内容之一就是能够控制或适应任何主轴的增长,” Gillcrist解释说:“如果我试图在模具上保持真正的紧Z深度,则主轴不会波动。 他的答案是收集数据并通过机器控制进行补偿。”

根据Gillcrist的说法,最适合调节纺锤体生长的两种最常用方法是算法方法,即根据实验室收集的曲线根据温度和时间从数学上推断纺锤体生长,以及直接间隙传感法。

“由于传感器的改进,直接方法变得越来越实用。我们在某些机器上具有实时间隙检测功能,可以实时调整[位置],以了解是否有任何增长或变化,工具是否磨损或根本没有使用。如今,算法风格似乎并不那么理想。但是我们也有一家制造商在五轴环境中同时使用这两种产品,因此只要涉及到热/时间预测和实际间隙,他们就可以捕获所有信息。” Gillcrist说。

智能主轴,智能钻孔

数据变得如此重要的原因有很多,从闭环加工过程到将数据馈入智能工厂数据池。但是,为了使其有用,必须传输数据。

“连接性对主轴技术的发展至关重要。” PCI-SCEMM北美业务开发经理Max Paulet说:“该公司总部位于法国圣埃蒂安和俄亥俄州梅森,并与俄亥俄州洛林的Absolute Machine Tools合作。 我认为每个人都在通过收集非常接近切削刀具及其切削零件的数据来使机器更加智能,更加自主。”

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PCI-SCEMM的新型电主轴(可从北美的Absolute Machines Tools购买)集成了传感器和执行器,以监控切削过程并调整参数,以优化工具寿命和工件质量。

PCI-SCEMM现在提供其电主轴或e-SPINDLE,以将这些选项提供给机器制造商。它可从北美的Absolute Machine Tools获得。Paulet称,e-SPINDLE系统将传感器集成在切削刀具或刀柄上,而不是在主轴上。

他说:“传感器因此靠近切割区域或指定的测量区域,从而确保了高质量的数据收集和处理。具有灵活性,如果使用标准工具,则主轴将用作标准的非连接主轴。几乎可以使用任何类型的传感器,例如加速计、力度计、热电偶或运动产生设备,例如压电致动器、电驱动器或热驱动器。”

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哪种传感器对最终用户最有用?

根据Paulet所说:“振动,扭矩以及(在钻孔或铣削孔时)测量孔直径的传感器。振动测量是我们的开始,它非常强大;您可以通过振动来测量和控制许多影响,”他说:“通过在受控的过程中测量基线振动模式,与该振动目标的任何偏差都将带来问题。如果零件与工具之间的接触错误,工具损坏,不平衡或抖动,振动模式将警告控制器进行调整,或者在最坏的情况下,请关闭过程并警告操作员。”

Paulet说:“第二常见的传感器是扭矩。 扭矩变化再次提供有关过程出错的有用信息。模式的突然变化可以检测到震颤或工具损坏,以及预期的材料变化。”他说:“通过将扭矩与振动相结合,可以更加实时地了解该过程。”

他指出,这对于在钻孔中连接不同的材料很有用,例如在航空航天中常见的铝和碳纤维增强塑料(CFRP)。当钻头从铝切成CFRP切割成堆叠材料中的铝时,该控件足够智能,可以调节钻头。

Paulet指出,第三种最常见的传感器是在过程中测量直径。该公司使用激光测距仪,当切削工具在气缸孔内时进行连续测量,然后将数据发送给控制器,此时的实际直径是多少。

Paulet解释说:“通过测量过程中的直径,您可以调整该过程,并知道要去除多少材料或补偿主轴。这可以在微米范围内进行精确的钻孔和铣削。”

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Okuma生产用于其机床的主轴,例如该公司的CNC加工中心之一所示的主轴。

更好的机器,更好的主轴

Okuma Americas Corp.位于北卡罗来纳州夏洛特的产品专家销售经理Wade Anderson也指出了对更好的机器性能,可靠性和机器正常运行时间的需求。Okuma不仅制造机床,还制造进入其中的主轴。“随着(改进)性能的趋势,我看到转速和马力增加,这也意味着更高的扭矩,”安德森说:“并不是很久以前,当我使用装有10 hp(7.46 kW)主轴电机的机器时。现在,我们的机器可以运行30、40、60甚至75马力的主轴电机。 换算范围为22至56 kW。这不仅仅是主轴变得更好的情况。这些改进与机器和工具技术的改进相匹配。总之,这使制造商能够准确地切割难度更大的材料。”

来自主轴的更多功率是好的。它产生的热量不好。任何机器中最大的发热器之一就是主轴电机。通常,这是机床上最大的电动机之一。

Okuma如何控制热量?

他说:“我们将大量时间和精力集中在机器的热动力学和实时实时测量上。我们测量主轴温度,并通过热成像可以根据需要抵消机床的运动学特性。我们将此系统称为TAS(热活性稳定器),再加上我们专有的主轴冷却技术,它为我们提供了[创建]最热稳定的机器平台之一所需的工具。”

可靠性和机器正常运行时间如何?安德森(Anderson)警告说:“尽管为标称运行计算周期时间固然很好,但应将重点放在整个过程的效率上,尤其是在识别和消除意外停机方面。”他说:“如果我能使零件制造得非常快,那可能是在跳动机床,过早地将主轴撕裂了。 请记住,高扭矩的应用可能会造成影响主轴寿命的情况。如果突然因为机器损坏或主轴损坏而使机器停机,那么与花费较慢的循环时间相比,这将使我付出更多的代价。”

但是,周期太慢也会花费金钱。如何最好地优化周期时间?它需要数据,知识和判断力。Okuma提供了利用传感器数据,人工智能(AI)知识和判断力来优化金属切削工艺的能力。根据安德森的说法,以振动,马力和扭矩(创建指纹)等基本测量为新机器的过程设定基准是一个好主意。基于指纹,控制器可以检测过程何时偏离基线。

因此,机械师可以快速运行周期,从而更加保证机器在达到红线时将发送警报并自动进行干预,以防止灾难性的停机时间。工艺得到优化,成本得以控制。他说:“在故障发生之前进行预测可以提高制造过程的水平。”

现代世界中的车床和现场工具

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越来越多的制造商要求使用车床进行实时加工,其中包括用于数据监控的传感器以及多个主轴,如下所示。

看起来似乎违反直觉,但是在车床操作中车削刀具的能力可能很重要。根据定义,车床会转动工件,并使用静态工具在工件上切割圆柱形特征。但是,要在简单的车床上打孔或切割平面,机械师必须将零件从车床上移开并在CNC铣床上重新设置。

伊利诺斯州Prospect Heights的Platinum Tooling总裁Preben Hansen说:“实时工具使用机床的转塔驱动器。 在配备有活动工具的机器中,停止工件,接合旋转的切削工具,并钻孔或铣削平面。它们由机床的转塔驱动,您可以称其为主轴。想一想我们提供的是一种传动装置,即一组齿轮,这些齿轮使用车床刀塔中的电动机转动带电工具。这些带电工具可以根据应用程序需要的速度还是扭矩来调整齿轮速比。”

Platinum Tooling提供了Heimatec的现场工具。

客户要求什么?

“速度是最关键的功能。他们想更快地转换工具,”汉森说:“速度意味着金钱,所以这很有意义,但这不是他们想要的。“具有传感器的实时工具正变得同等重要,以便它们可以使用数据进行监视。现在要解决的问题很大。需要用于实时工具的主轴,以监视工作时间、速度、湿度和温度。”

汉森说:“热量对轴承有害,因此监测和控制温度意味着轴承和主轴的使用寿命更长。 湿度对设备也不利,湿度传感器可以发出警报以立即将其关闭,而不会造成任何灾难性的故障。”

这些基于传感器的系统的最终目标是什么?

他说:“更快的操作,对切割操作的实时监控,最终是熄灯操作。”

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