機(jī)床制造商斯達(dá)拉格在EMO2023展會(huì)上展示其最新開(kāi)發(fā)的 STC 1250 HD 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，該中心配有帶靜壓軸承的臥式直線軸。這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)摩擦滑動(dòng)，從而可大大提升金屬去除率，改善動(dòng)態(tài)性能，延長(zhǎng)刀具壽命。
多年來(lái)，斯達(dá)拉格機(jī)床一直在航空航天工業(yè)和發(fā)電領(lǐng)域所需的結(jié)構(gòu)件、多級(jí)葉片和機(jī)匣的經(jīng)濟(jì)性加工方面樹(shù)立標(biāo)桿。憑借其卓越的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，STC 系列非常適合鈦合金和高溫合金零件的五軸聯(lián)動(dòng)重型加工。該系列機(jī)床配有斯達(dá)拉格自產(chǎn)的剛性極佳的機(jī)械主軸和緊湊型旋轉(zhuǎn)銑頭，可以使用更短、更穩(wěn)定的刀具，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效加工。為了進(jìn)一步提高鈦合金加工的效率，斯達(dá)拉格重型加工專家們開(kāi)展了廣泛的研究。瑞士斯達(dá)拉格公司試驗(yàn)部主管伯恩哈德·金特（Bernhard Güntert）解釋道：“主要的難題在于機(jī)床的剛性和減振性能。這些因素對(duì)于可能的切削深度和刀具磨損狀況具有深遠(yuǎn)的影響，并進(jìn)一步影響經(jīng)濟(jì)效益?！?/span>
靜壓提升性能
最重要的測(cè)試結(jié)果顯示：就減振而言，靜壓導(dǎo)軌是無(wú)可匹敵的。斯達(dá)拉格在這方面已經(jīng)頗有經(jīng)驗(yàn)。航空航天和透平機(jī)械銷售總監(jiān)瑞尼·洪格布勒（Rainer Hungerbühler）回顧道：“早在 15 年前，我們已經(jīng)有了采用靜壓導(dǎo)軌的加工中心。但是，這些機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能還有很多需要改進(jìn)的地方，這就是為什么隨后的 STC 系列會(huì)采用滾柱導(dǎo)軌的原因。但考慮到如今的定制需求和我們已經(jīng)獲得的經(jīng)驗(yàn)，我們希望重新啟用靜壓導(dǎo)軌?！彼裕惯_(dá)拉格開(kāi)發(fā)人員重新研究了靜壓課題，并取得了非常不錯(cuò)的結(jié)果。瑞尼·洪格布勒對(duì)此激動(dòng)地表示：“我們的新型 STC 1250 HD 棒極了。第一批測(cè)試已經(jīng)證明，該產(chǎn)品為粗加工期間的金屬去除率樹(shù)立了一個(gè)全新的標(biāo)桿。即使在動(dòng)態(tài)性能方面也具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)?！?/span>
技術(shù)幕后一窺
羅蘭多·森恩（Rolando Senn）是靜壓技術(shù)的首席設(shè)計(jì)師。他對(duì)這一技術(shù)作了如下解釋：“靜壓導(dǎo)軌的主要特點(diǎn)是在滑塊和床身或固定結(jié)構(gòu)件之間形成永久油膜。這意味著導(dǎo)軌之間沒(méi)有接觸，滑塊在行程中不會(huì)產(chǎn)生摩擦?！睕](méi)有摩擦，就不會(huì)產(chǎn)生磨損。而且，油膜還能減輕加工期間產(chǎn)生的振動(dòng)。此外，更大的接觸面還確保了極大的剛性?！巴ㄟ^(guò)選擇帶有預(yù)緊輸送導(dǎo)軌的產(chǎn)品代替靜態(tài)開(kāi)放系統(tǒng)，我們進(jìn)一步加強(qiáng)了這一優(yōu)勢(shì)?！绷_蘭多·森恩解釋道。為了對(duì)這些優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分類，有必要了解其他導(dǎo)軌系統(tǒng)的主要特征。例如，液體動(dòng)壓導(dǎo)軌[ad1] 和靜壓導(dǎo)軌具有許多類似的特性，但前者有一個(gè)主要的缺點(diǎn)：靜態(tài)時(shí)，導(dǎo)軌元件會(huì)彼此接觸。只有在元件移動(dòng)時(shí)才能形成分離油膜，所以在啟動(dòng)時(shí)必須克服靜摩擦，而它會(huì)引起不良粘滑效應(yīng)。純滑動(dòng)導(dǎo)軌也會(huì)出現(xiàn)粘滑效應(yīng)，而且還會(huì)受到高摩擦影響并產(chǎn)生相應(yīng)磨損。滾柱導(dǎo)軌不太容易產(chǎn)生摩擦和磨損，但其剛性和減振性能較差。此外，滾動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生輕微振動(dòng)，可能會(huì)影響精加工的表面質(zhì)量。
粗加工的金屬去除率提升三倍
在粗加工時(shí)使用靜壓導(dǎo)軌可為用戶帶來(lái)巨大的優(yōu)勢(shì)。因與滾柱導(dǎo)軌相比，靜壓導(dǎo)軌的剛性和減振能力顯著提高，切削深度可提高三倍，因此，粗加工時(shí)間也可相應(yīng)縮短。
減振后的效果是可以通過(guò)我們的聽(tīng)覺(jué)和感覺(jué)來(lái)切實(shí)感受到的，或者換句話說(shuō)：我們幾乎察覺(jué)不到機(jī)床的切削操作。在一次測(cè)試加工過(guò)程中，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的機(jī)械工程師都對(duì)此感到驚訝不已。瑞尼·洪格布勒對(duì)此表示：“我們就站在機(jī)床旁邊，但幾乎察覺(jué)不到任何噪音或振動(dòng)。只有通過(guò)窗口瞥一眼，我們才知道切削過(guò)程已經(jīng)開(kāi)始；銑刀正在全速運(yùn)轉(zhuǎn)，厚厚的鈦合金切屑四處飛濺。”在精加工操作中，靜壓軸承也為新型 STC 1250 HD 帶來(lái)了諸多益處。機(jī)床剛性增強(qiáng)后減輕了限制加加速度和加速度的立柱晃動(dòng)?！盀榱颂岣邉?dòng)態(tài)性能，我們還對(duì) STC 1250 HD 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更穩(wěn)定的設(shè)計(jì)?！绷_蘭多·森恩補(bǔ)充道?！爸拔覀兪褂玫氖侵睆綖?63 mm 的滾珠絲杠，現(xiàn)在 HD 上使用的是直徑為 80 mm 的滾珠絲杠。這意味著截面積增加了 61%，其將按 1:1 的比例并入軸向的剛性中?！备叩膭?dòng)態(tài)性能在更高的起動(dòng)速度、加速度和更快的五軸運(yùn)動(dòng)中表現(xiàn)得尤為明顯，這也最終縮短了精加工時(shí)間。
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大大降低刀具磨損
在鈦合金加工中，刀具嚴(yán)重磨損是最大的成本因素之一。這一情況可以通過(guò)優(yōu)異的減振性能得到顯著的改善，換句話說(shuō)，即使速度增加，刀具的使用壽命仍可大大延長(zhǎng)。據(jù)羅蘭多·森恩表示，這一變化可以極大降低成本：“隨著機(jī)床的密集使用，節(jié)約的成本可以用來(lái)平衡靜壓產(chǎn)生的額外成本。”兩個(gè)直線軸的無(wú)摩擦運(yùn)動(dòng)和微振動(dòng)的消除還有利于保證精度和提高表面質(zhì)量，尤其是在頻繁更換方向的五軸聯(lián)動(dòng)加工中。斯達(dá)拉格通過(guò)在靜壓導(dǎo)軌上配備壓力和溫度傳感器來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化工藝。因此，用戶可以在加工過(guò)程中跟蹤導(dǎo)軌上的負(fù)荷，并使用記錄的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的調(diào)整。
真正的價(jià)值在實(shí)踐中凸顯
以典型的結(jié)構(gòu)件——一個(gè)尺寸為 80 × 300 × 1,220 mm 的框架門——為例，斯達(dá)拉格將其與之前的 STC 1250 進(jìn)行了比較。這個(gè)由 Ti6Al4V 制成的 37.1 kg 鍛造件每側(cè)有 13 mm 余量，最終需要加工成 5.5 kg 的成品。加工要求：薄側(cè)壁和底板，高表面質(zhì)量。利用靜壓 STC 1250 HD，能夠縮短一半的粗加工時(shí)間，且將總加工時(shí)間減少 30%。這些數(shù)值還可用來(lái)計(jì)算另一個(gè)最初意想不到的優(yōu)勢(shì)——粗加工時(shí)降低的能耗。這是因?yàn)橄噍^于之前，減半的粗加工時(shí)間為用戶（盡管耗電量增加了三分之一）節(jié)省了一半的驅(qū)動(dòng)功率和一半的基本負(fù)荷（基本負(fù)荷包括冷卻潤(rùn)滑劑系統(tǒng)、液壓裝置、氣動(dòng)裝置、冷卻系統(tǒng)等的功耗）?？傊?，加工這個(gè)案例組件的能耗減少了 33%。
另一優(yōu)勢(shì)：只需少量維護(hù)
由于沒(méi)有摩擦，靜壓系統(tǒng)的導(dǎo)軌不會(huì)產(chǎn)生磨損，而裝有滾柱導(dǎo)軌的系統(tǒng)則需要每隔五到十年花高價(jià)進(jìn)行一次更換。此外，整個(gè)液壓系統(tǒng)維護(hù)工作簡(jiǎn)單易行。以下簡(jiǎn)要介紹一下靜壓軸承技術(shù)。
在斯達(dá)拉格 STC 1250 HD 上，靜壓裝置以 80 巴的壓力持續(xù)將油輸送到導(dǎo)向板的壓力腔中，在那里會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)壓力，從而在床身和滑塊之間形成一層 0.02 到 0.03 mm 的油膜間隙。從導(dǎo)軌邊緣不斷溢出的油沿著床身流回收集容器，而另一個(gè)泵通過(guò)轉(zhuǎn)換過(guò)濾器將油輸送回靜壓裝置。斯達(dá)拉格很輕松地將靜壓油與其他油隔開(kāi)，以免意外混合。羅蘭多·森恩解釋道：“我們還用靜壓油潤(rùn)滑轉(zhuǎn)臺(tái)和其他軸承。即使少量油從這些組件中流出，也會(huì)進(jìn)入靜壓油箱，不會(huì)造成任何損壞。如果隨著時(shí)間的推移，油量略有增加，您可以排掉一部分油，并用它們來(lái)清除排油塞處收集的雜質(zhì)?！?/span>
為了避免保養(yǎng)和維護(hù)，并確保安全流程，斯達(dá)拉格利用伸縮鋼罩和下方的風(fēng)琴式防護(hù)罩兩種方式來(lái)保護(hù)導(dǎo)軌和相關(guān)靜壓回路免受污垢、水和切屑的影響。
斯達(dá)拉格也已提前考慮了最壞的情況，即碰撞，并定義了初始磨損點(diǎn)。安裝在導(dǎo)軌中的壓力腔采用比床身軟得多的材料制成，因此可以吸收大部分能量。由于這些腔易于更換，所以在發(fā)生小事故時(shí)，損壞非常有限。
成本如何？
毋庸置疑，靜壓導(dǎo)軌相較滾柱導(dǎo)軌更貴，這一點(diǎn)可反映在購(gòu)買機(jī)床時(shí)的成本上。但最終，單位成本才是最重要的。由于加工時(shí)間更短，通常在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)即可收回前期的高成本。
