機床制造商斯達拉格在EMO2023展會上展示其最新開發(fā)的 STC 1250 HD 五軸聯(lián)動加工中心，該中心配有帶靜壓軸承的臥式直線軸。這一技術實現(xiàn)了無摩擦滑動，從而可大大提升金屬去除率，改善動態(tài)性能，延長刀具壽命。
多年來，斯達拉格機床一直在航空航天工業(yè)和發(fā)電領域所需的結構件、多級葉片和機匣的經(jīng)濟性加工方面樹立標桿。憑借其卓越的靜態(tài)和動態(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)動重型加工。該系列機床配有斯達拉格自產(chǎn)的剛性極佳的機械主軸和緊湊型旋轉銑頭，可以使用更短、更穩(wěn)定的刀具，進而實現(xiàn)高效加工。為了進一步提高鈦合金加工的效率，斯達拉格重型加工專家們開展了廣泛的研究。瑞士斯達拉格公司試驗部主管伯恩哈德·金特（Bernhard Güntert）解釋道：“主要的難題在于機床的剛性和減振性能。這些因素對于可能的切削深度和刀具磨損狀況具有深遠的影響，并進一步影響經(jīng)濟效益?！?/span>
靜壓提升性能
最重要的測試結果顯示：就減振而言，靜壓導軌是無可匹敵的。斯達拉格在這方面已經(jīng)頗有經(jīng)驗。航空航天和透平機械銷售總監(jiān)瑞尼·洪格布勒（Rainer Hungerbühler）回顧道：“早在 15 年前，我們已經(jīng)有了采用靜壓導軌的加工中心。但是，這些機床的動態(tài)性能還有很多需要改進的地方，這就是為什么隨后的 STC 系列會采用滾柱導軌的原因。但考慮到如今的定制需求和我們已經(jīng)獲得的經(jīng)驗，我們希望重新啟用靜壓導軌?！彼裕惯_拉格開發(fā)人員重新研究了靜壓課題，并取得了非常不錯的結果。瑞尼·洪格布勒對此激動地表示：“我們的新型 STC 1250 HD 棒極了。第一批測試已經(jīng)證明，該產(chǎn)品為粗加工期間的金屬去除率樹立了一個全新的標桿。即使在動態(tài)性能方面也具有相當大的優(yōu)勢?！?/span>
技術幕后一窺
羅蘭多·森恩（Rolando Senn）是靜壓技術的首席設計師。他對這一技術作了如下解釋：“靜壓導軌的主要特點是在滑塊和床身或固定結構件之間形成永久油膜。這意味著導軌之間沒有接觸，滑塊在行程中不會產(chǎn)生摩擦?！睕]有摩擦，就不會產(chǎn)生磨損。而且，油膜還能減輕加工期間產(chǎn)生的振動。此外，更大的接觸面還確保了極大的剛性?！巴ㄟ^選擇帶有預緊輸送導軌的產(chǎn)品代替靜態(tài)開放系統(tǒng)，我們進一步加強了這一優(yōu)勢?！绷_蘭多·森恩解釋道。為了對這些優(yōu)勢進行分類，有必要了解其他導軌系統(tǒng)的主要特征。例如，液體動壓導軌[ad1] 和靜壓導軌具有許多類似的特性，但前者有一個主要的缺點：靜態(tài)時，導軌元件會彼此接觸。只有在元件移動時才能形成分離油膜，所以在啟動時必須克服靜摩擦，而它會引起不良粘滑效應。純滑動導軌也會出現(xiàn)粘滑效應，而且還會受到高摩擦影響并產(chǎn)生相應磨損。滾柱導軌不太容易產(chǎn)生摩擦和磨損，但其剛性和減振性能較差。此外，滾動過程中會產(chǎn)生輕微振動，可能會影響精加工的表面質(zhì)量。
粗加工的金屬去除率提升三倍
在粗加工時使用靜壓導軌可為用戶帶來巨大的優(yōu)勢。因與滾柱導軌相比，靜壓導軌的剛性和減振能力顯著提高，切削深度可提高三倍，因此，粗加工時間也可相應縮短。
減振后的效果是可以通過我們的聽覺和感覺來切實感受到的，或者換句話說：我們幾乎察覺不到機床的切削操作。在一次測試加工過程中，即使是經(jīng)驗豐富的機械工程師都對此感到驚訝不已。瑞尼·洪格布勒對此表示：“我們就站在機床旁邊，但幾乎察覺不到任何噪音或振動。只有通過窗口瞥一眼，我們才知道切削過程已經(jīng)開始；銑刀正在全速運轉，厚厚的鈦合金切屑四處飛濺?！痹诰庸げ僮髦?，靜壓軸承也為新型 STC 1250 HD 帶來了諸多益處。機床剛性增強后減輕了限制加加速度和加速度的立柱晃動。“為了提高動態(tài)性能，我們還對 STC 1250 HD 的結構進行了更穩(wěn)定的設計?！绷_蘭多·森恩補充道?！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。”更高的動態(tài)性能在更高的起動速度、加速度和更快的五軸運動中表現(xiàn)得尤為明顯，這也最終縮短了精加工時間。
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大大降低刀具磨損
在鈦合金加工中，刀具嚴重磨損是最大的成本因素之一。這一情況可以通過優(yōu)異的減振性能得到顯著的改善，換句話說，即使速度增加，刀具的使用壽命仍可大大延長。據(jù)羅蘭多·森恩表示，這一變化可以極大降低成本：“隨著機床的密集使用，節(jié)約的成本可以用來平衡靜壓產(chǎn)生的額外成本?！眱蓚€直線軸的無摩擦運動和微振動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)動加工中。斯達拉格通過在靜壓導軌上配備壓力和溫度傳感器來進一步優(yōu)化工藝。因此，用戶可以在加工過程中跟蹤導軌上的負荷，并使用記錄的數(shù)據(jù)做進一步的調(diào)整。
真正的價值在實踐中凸顯
以典型的結構件——一個尺寸為 80 × 300 × 1,220 mm 的框架門——為例，斯達拉格將其與之前的 STC 1250 進行了比較。這個由 Ti6Al4V 制成的 37.1 kg 鍛造件每側有 13 mm 余量，最終需要加工成 5.5 kg 的成品。加工要求：薄側壁和底板，高表面質(zhì)量。利用靜壓 STC 1250 HD，能夠縮短一半的粗加工時間，且將總加工時間減少 30%。這些數(shù)值還可用來計算另一個最初意想不到的優(yōu)勢——粗加工時降低的能耗。這是因為相較于之前，減半的粗加工時間為用戶（盡管耗電量增加了三分之一）節(jié)省了一半的驅動功率和一半的基本負荷（基本負荷包括冷卻潤滑劑系統(tǒng)、液壓裝置、氣動裝置、冷卻系統(tǒng)等的功耗）?？傊庸み@個案例組件的能耗減少了 33%。
另一優(yōu)勢：只需少量維護
由于沒有摩擦，靜壓系統(tǒng)的導軌不會產(chǎn)生磨損，而裝有滾柱導軌的系統(tǒng)則需要每隔五到十年花高價進行一次更換。此外，整個液壓系統(tǒng)維護工作簡單易行。以下簡要介紹一下靜壓軸承技術。
在斯達拉格 STC 1250 HD 上，靜壓裝置以 80 巴的壓力持續(xù)將油輸送到導向板的壓力腔中，在那里會產(chǎn)生動態(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。從導軌邊緣不斷溢出的油沿著床身流回收集容器，而另一個泵通過轉換過濾器將油輸送回靜壓裝置。斯達拉格很輕松地將靜壓油與其他油隔開，以免意外混合。羅蘭多·森恩解釋道：“我們還用靜壓油潤滑轉臺和其他軸承。即使少量油從這些組件中流出，也會進入靜壓油箱，不會造成任何損壞。如果隨著時間的推移，油量略有增加，您可以排掉一部分油，并用它們來清除排油塞處收集的雜質(zhì)?！?/span>
為了避免保養(yǎng)和維護，并確保安全流程，斯達拉格利用伸縮鋼罩和下方的風琴式防護罩兩種方式來保護導軌和相關靜壓回路免受污垢、水和切屑的影響。
斯達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。安裝在導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，損壞非常有限。
成本如何？
毋庸置疑，靜壓導軌相較滾柱導軌更貴，這一點可反映在購買機床時的成本上。但最終，單位成本才是最重要的。由于加工時間更短，通常在相對較短的時間內(nèi)即可收回前期的高成本。
