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1、改造方法和過程
改造前，這臺二手設(shè)備的購置成本為同類新機床的20%。我們在安裝這臺機床時加高了立柱，使得工件通過高度可以達到800。同時還對它進行了數(shù)控化改造，廢除了原數(shù)顯裝置，加裝了西門子802D數(shù)控系統(tǒng)，將各軸直流電機改為西門子1FK7 103同步伺服電機，拖板導(dǎo)軌改為貼塑導(dǎo)軌，保留原主軸及主軸電機，并將原主軸控制電路改為歐陸590+直流驅(qū)動器。改造后的機床能夠提供最大2.8KNM的強大主軸扭矩和各軸22KN的強勁進給力，定位精度和重復(fù)定位精度在全行程內(nèi)可達0.03mm。可以勝任一些需要強力切削的板類、機架類和箱體類零件的生產(chǎn)。
第一次改造后，隨著企業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)從簡單的結(jié)構(gòu)類零件逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮推嚹＞?。這類產(chǎn)品與結(jié)構(gòu)類零件相比，雖然加工的強力切削要求降低了，但體積不亞于結(jié)構(gòu)件，輪廓加工更復(fù)雜，毛坯余量更少，材料強度和硬度往往更高，同時尺寸精度和表面要求也遠高于結(jié)構(gòu)件。原來具有優(yōu)勢地位的強力切削工藝因為切削力大，切削熱量大，零件變形嚴重，表面質(zhì)量差等缺點，在模具加工領(lǐng)域越來越?jīng)]有用武之地。在訂單期限的壓力下急切需要找到一個僅需少量資金和時間投入便可以應(yīng)對新的產(chǎn)品生產(chǎn)的解決方案。
高速銑削時，型面是由刀具以進給率f，沿跨步距為p的一致性軌跡族在零件表面上切削形成的。以鋼件切削為例，若采用?10二刃TiN和TiCN復(fù)合涂層的球頭刀，切削速度可達275M/min左右，切削深度可達0.5到1.6mm，每刃進給量可達0.4到0.8mm左右。經(jīng)計算，主軸轉(zhuǎn)速在9000rpm左右，若每刃進給量為0.5mm沿軌跡方向的進給率也在9000mm/min左右。若跨步距離取0.5mm，則一個50mm寬的面需要往復(fù)切削100次才能夠完成?？梢娺@要求各軸作高速度，高頻率，低變化量的往復(fù)運動，這對機床的功率，運動部件的動剛度，慣量和伺服特性的匹配有較高的要求，同時也對導(dǎo)軌的耐磨性和各軸的重復(fù)定位精度提出很高的要求。
經(jīng)過第一次改造的BΦ3-8M龍門銑床已經(jīng)具備了較高的剛性和較高的重復(fù)定位精度，其巨大的床身適合大型模具的裝夾。只要將原主軸改成高速主軸，原滑枕改為貼塑導(dǎo)軌，再配以可靠的冷卻潤滑裝置,再投少量經(jīng)費便可以將原機床改造成一臺大型高速銑床。如果從該機床買入時算起，設(shè)備的總投入約為三百萬元，而市場上同類新機床的價格約為一千萬元以上。
從加工零件輪廓的曲面來分析，絕大部分零件只需使用?10的球頭刀和?25的牛鼻刀就可以完成加工。參考DIN6589-1（如圖3）選擇10000 rpm的主軸可以保證較高的性能價格比。因此第二次改造廢除了原主軸所有相關(guān)部件，包括BT50主軸、主軸傳動箱、換檔液壓裝置、主軸電機及直流驅(qū)動裝置。引進了臺灣羅翌的D4001型高速主軸和西門子1PH7 135-2NF00-0LJ0主軸電機。
D4001主軸是一款直連式主軸，它與主軸電機通過漸開線連軸器直接連接，傳動無間隙，剛性高，允許一定的徑向和軸向安裝誤差，設(shè)計轉(zhuǎn)速達到10000rpm。它具有BT40刀柄適配器，其高速軸承采用專用潤滑脂潤滑，無需外接潤滑油。軸承安裝空間通入低壓氣幕防止外部異物進入污染軸承。冷卻方式為油冷。抓刀機構(gòu)采用蝶形彈簧拉緊刀柄，回轉(zhuǎn)油缸松開刀柄，回轉(zhuǎn)缸進油通過氣液轉(zhuǎn)換缸增壓，有兩個接近開關(guān)檢測松刀和抓刀的位置，保證旋轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)缸處在正確位置。主軸尾端有高壓空氣接口，換刀時可以通入高壓空氣，吹走切屑和冷卻液，保證主軸錐孔干凈。該主軸還具有切削液噴淋接口和主軸內(nèi)冷接口。這次改造專門圍繞該主軸的工作條件增加了主軸循環(huán)冷卻油路和流量檢測裝置，氣幕壓力監(jiān)控裝置等重要的輔助裝置。
1PH7 135-2NF00-0LC0主軸電機是一款具有增強最高轉(zhuǎn)速設(shè)計的緊湊型感應(yīng)伺服電機，額定功率18.5KW，峰值功率24KW，提供117Nm扭矩，編碼器線數(shù)為2048線，軸頭帶鍵槽，全鍵經(jīng)過平衡實驗，額定轉(zhuǎn)速1500rpm，最高轉(zhuǎn)速可達10000rpm，調(diào)速范圍為0到10000rpm。軸承經(jīng)過精心挑選，可以支持連續(xù)切削或短期60%占空比的斷續(xù)切削。該電機無需額外潤滑措施，電機尾部裝有冷卻風機，提供強制風冷。
由于廢除了原主軸變速箱和主軸電機，所以滑枕部件總重量大大減輕，不僅如此這次改造還將滑枕導(dǎo)軌改為貼塑導(dǎo)軌，減小了摩擦系數(shù)，增加了阻尼比，使之更好地為高速切削服務(wù)。經(jīng)實測，滑枕空載時電機負載電流由原來額定電流的13%下降到3%。
為了保證高速切削正常進行，還為該機增加了大流量冷卻泵，冷卻液采用嘉實多的EP690，這是一種高分子水溶性冷卻液，密度及其接近水，對于絕大多數(shù)材料都有很好的附著性，冷卻和潤滑效果非常好?？褂托院头e壓性也非常好，濃度高于6%時還具有防銹作用。這種冷卻液購置成本雖高，但其優(yōu)秀的保質(zhì)性能可以保證冷卻液長期使用而不變質(zhì)，從而避免排污造成環(huán)境污染還省去了排污成本，因此其長期使用成本還是較低的。
因為高速切削過程會產(chǎn)生大量的切屑，單位時間內(nèi)高的切屑切除量需要高效率的切屑處理和清除裝置。高壓大流量切削液不但可以冷卻機床的加工區(qū)，而且也是一種行之有效的清理切屑的方法，但它會對環(huán)境造成嚴重污染。
另一方面，這臺機床是從一臺普通龍門銑床改造而來的，其工作空間是開放的，在高速切削時，會有大量切屑四處亂飛，這不但會惡化工作環(huán)境，更有嚴重的安全隱患，所以就在被加工零件周圍配上了防爆圍欄，并在工作臺周圍加裝了泄水槽和切屑攔截網(wǎng)。這樣，切屑和冷卻液被圍欄攔下，被吸收了動能后淌到工作臺上，再順梯形槽流入泄水槽，最后切屑被攔截網(wǎng)攔截，而冷卻液流回水箱。
二、結(jié)論
通過BΦ3-8M龍門銑的兩次改造我們可以發(fā)現(xiàn)：機床數(shù)控化改造不僅是一種解決一般維修手段無法修復(fù)的故障，提高自動化程度，升級換代等作用的方法，而且更是一種引入先進工藝，技術(shù)更新的重要途徑。在這個案例中BΦ3-8M龍門銑的第一次為數(shù)控化改造，第二次為工藝化改造。第二次改造時緊扣高速切削的要求，考慮了主軸，進給機構(gòu)，冷卻和排屑系統(tǒng)，和安全防護措施。改造后的機床，主軸能夠提供10000rpm的轉(zhuǎn)速117NM的扭矩，具有0.003/300的徑向圓跳動精度和0.003的軸向跳動精度。各移動軸最高15M/min的切削速度和快進速度。各軸重復(fù)定位精度全行程達到0.03mm以內(nèi)。實現(xiàn)了通過整合原有設(shè)備具有優(yōu)勢工藝性能的部件和新的工藝裝備，使得原機床具有了新的工藝能力。
改造后的機床具有了大型汽車模具高效率加工的能力。同時改造過程，還為客戶實現(xiàn)了高價值回報，低成本投入，低準備周期的目標。
該機的臺面兩端還有可利用空間，可以增加刀架和換刀宏程序便可以極低的成本使該機具有自動換刀功能。另外，從汽車模具加工的工藝細節(jié)的角度來看，汽車模具輪廓比較復(fù)雜，切削余量分布不均勻，若采用定進給率編程方法進行切削，刀具的切削條件因為余量的變化而時刻發(fā)生著變化甚至突變，在這種情況下，包括刀具、機床和夾具在內(nèi)的整個工藝系統(tǒng)可能在大多數(shù)切削行程內(nèi)處于較低利用率狀態(tài)，也可能突然處于超負荷使用狀態(tài)。對于這種情況可以增加切削狀態(tài)監(jiān)控和進給自動修調(diào)的軟件來可靠地和及時地對現(xiàn)場性能的監(jiān)督，提高加工生產(chǎn)效率并降低加工成本，對工件、切削刀具和機床進行保護，避免損壞最大限度地提高對機床及刀具的利用率提高工件的加工質(zhì)量。目前使用較為廣泛的軟件有OMAT自動優(yōu)化軟件，據(jù)統(tǒng)計在全球汽車行業(yè)使用該軟件可以提高生產(chǎn)效率20%到40%左右。由此可見，若針對工藝細節(jié)作進一步改進，同樣的設(shè)備還有相當可觀的潛力可以挖掘。
