《高速切削的关键技术——高速切削机床》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高速切削的关键技术——高速切削机床（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、高速切削的关键技术高速切削机床高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高 性能 CNC 控制系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量 测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等相关的硬件与软件技术的基础之上综合而成的。因此， 高速切削加工是一个复杂的系统工程，由机床、刀具、工件、加工工艺、切削过程监控及切削机 理等方面形成了高速切削技术的研究体系，如图 9 一 3 所示。按其内容、特点和相互关系可分 为技术原理、基础技术、单元技术和总体技术4 个层次，如图9 一 4 所示。其中技术原理通过 高速切削试验和理论分析揭示高速切削加工机
2、理，对高速加工过程中的变形、力、温度、摩擦和 磨损规律及高速加工系统各部分的稳定性、可靠性等进行分析;基础技术和单元技术是实现高速 切削技术的关键，包括材料技术，构件、元件及部件的设计和制造技术，控制和监测方法;总体 技术是各单元技术按应用特征和技术性能的进一步集成。| CAD/CAMkNC编程X撕工参数工艺优化”I数据库刀真寿超切削力安全防护稳定件CNCKa切謝桝高速主軸进给机惭刀柄结构动平衡装御定位夹紧王杵林料混控系统换刀装置基本結构擀却黨统图9-3胡連切削加工系统审雀刀具的开貝几Ofej |电主輪，电L高速倩动传感器A信与连接结构I动机.轴承r件、支承杵A息处理拽术!刀具设计剖遭及动平衡
3、主軸单元技釆髙速 进给单沅技术f CNCg术安全按术工艺数据库及工艺优化累统1春统1系统1总体 技术技术原理条件磨损-高速丽. 幼态炖性切削力、 温度、变形謝卜4高速切削研究体系实现高速切削的最关键技术是研究开发性能优良的高速切削机床，自 20 世纪 80 年代中期 以来，开发高速切削机床便成为国际机床工业技术发展的主流。1 . 高速切削机床基本结构机床的基本结构有床身、底座和立柱等，高速切削会产生很大的附加惯性力.因而机床床身、 立柱等必须具有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。很多高速机床的床身和立柱材料采用聚 合物混凝土或人造花岗岩，这种材料阻尼特性为铸铁的 710 倍，密度只有铸铁的1
4、 / 3 。提高 机床刚性的另一个措施是改革床体结构，如将立柱和底座合为一个整体，使得机床可以依靠自身 的刚性来保持机床精度。2 . 高速主轴高速主轴是高速切削最关键零件之一，目前主轴转速在 1000020000r / min 的加工中心越来 越普及，转速高达 l00000r / min 、200000r / min 、250000r / min 的实用高速主轴也正在研制开 发中。高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦和大功 率内装电动机产生的热会引起高温和变形，所以必须严格控制。为此对高速主轴提出如下性能要 求：高转速和高转速范围;足够的刚性和较高的回转精度
5、，良好的热稳定性;大功率; 先进的润滑和冷却系统;可靠的主轴监测系统传统的齿轮、传动带变速主传动系统由于本身的 振动、噪声等原因已不能适应要求，高速主轴采用了交流伺服电机直接驱动的“内装电动机”集成 化结构，减少了传动部件，具有更高的可靠性。高速主轴要在极短时间内实现升降速，在指定位 置快速准停，这就要求主轴具有很高的角加速度。为此，将主轴电机和主轴合二为一，制成电主 轴，实现无中间环节的直接传动。电主轴是高速主轴单元的理想结构，它的电动机转子就是机床 主轴，机床主轴单元的壳体就是电动机座，实现了变频电动机与机床主轴的一体化。并采用了电 子传感器来控制温度，自带水冷或油冷循环系统，使主轴在高速
6、旋转时保持“恒温”。冷却水温控 制系统，在环境温度1040C的条件下，一般可控制在2025C范围内某一设定温度，精度为 士 0 7 C，特殊要求可达士 0 3 C。同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使主轴可免维护、长寿命、高精度，如图 9 一 5 所示。晤_皿一-刀柄轴啟生轴定子玲却铀出口圈9-5电主轴结构高速精密轴承是高速主轴单元的核心。为了适应高速切削加工，高速切削机床的主轴设计采 用了先进的主轴轴承和润滑、散热等新技术。目前高速主轴主要采用混合陶瓷轴承、磁悬浮轴承 和液体动静压轴承三种形式。主轴轴承润滑对主轴转速的提高起着重要作用，高速主轴一般采用 油空气润滑或喷油润滑。采用油空气
7、润滑后，轴承的 DN 值(主轴轴承孔径与最大转速的乘积)将 比脂润滑提高 20 % 50 %。喷油润滑的轴承极限转速可达(2 . 3 2 . 5 ) X1000000r / min 。3 . 高速进给机构高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大 幅度地提高。目前高速切削进给速度已高达 50 120m / min ，要实现并准确控制这样高的进给 速度，对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求.而且，由于机床上直 线运动行程一般较短，高速加工机床必须实现较高的进给加减速才有意义。为了适应进给运动高 速化的要求，在高速加工机床上主要采用如下措
8、施：1)采用新型直线滚动导轨，直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积很小，其摩擦系数 仅为槽式导轨的 1 / 20 左右，而且使用直线滚动导轨后，“爬行”现象可大大减少;2 ) 高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠或粗螺距多头滚珠丝杠，其目的是在不 降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度;3 ) 高速进给伺服系统已发展为数字化、智能化和软件化，高速切削机床已开始采用全数字 交流伺服电动机和控制技术;4 ）为了尽量减少工作台重量但又不损失刚度，高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料 ;5 ） 为提高进给速度，更先进、更高速的直线电动机已经发展起来。直线电动机的实质是把 旋转电动
9、机沿径向剖开，然后拉直演变而成，是使电能直接转变成直线机械运动的一种推力装置。 在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动就消除了从电动机到工作台之间的一切机械中间传 动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，从而实现了所谓的“零传动”。同时，为保证推力 平稳，直线电动机的布局一般应做成对称结构，直线电动机用于机床进给系统的典型结构如图9 一 6 所示。此结构也可实现无机械接触的磁垫悬浮导轨，即利用直线电动机的动、定件兼作机 床导轨副。由于实现了“零传动”，直线电动机消除了机械传动系统的间隙、弹性变形等间题， 减少了传动摩擦力，几乎没有反向间隙。直线电动机具有高加、减速特性，加速度可达 29 ，为
10、 传统驱动装置的 10 20 倍，进给速度为传统的 4 5 倍，采用直线电动机驱动，具有单位面积 推力大、易产生高速运动、机械结构不需维护等明显优点。1234567 g图96机床进给系统典型结构1制温元件2气晾检備元件 3工存合氣5光栅顶滋尺氣7电动机动件.定件8制冷机熬发管9气爐 M床身直线电动机本身的结构和在机床中的位置也带来了一些不利因素。发热、负载干扰、防磁和 垂直进给中的自重等问题。因此直线电动机伺服系统一般都须配备冷却系统，使用摩擦阻尼很小 的导轨，如磁垫悬浮或滚动导轨。对自重问题除使用配重块和自锁等装置外，还必须同时在电动 机驭动模块和伺服控制电路上采取相应的措施。直线电动机不仅
11、本身昂贵，再加上这些措施，成 本就更高。4 . 高速 CNC 控制系统数控高速切削加工要求 CNC 控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性，以保证在 高速切削时（特别是在4 ? 5 轴坐标联动加工复杂曲面时）仍具有良好的加工性能。高速 CNC 数 控系统的数据处理能力有两个重要指标：一是单个程序段处理时间，为了适应高速，要求单个程 序段处理时间要短，为此，需使用 32 位 CPU 和 64 位 CPU ，并采用多处理器;二是插补精度， 为了确保高速下的插补精度，要有前馈和大数目超前程序段处理功能，此外，还可采用 NURBS 插 补、回冲加速、平滑插补、钟形加减速等轮廓控制技术。高速切削加
12、工CNC系统的功能特征包 括：加减预插补;前馈控制; 精确矢量补偿; 最佳拐角减速度。5 .高速切削机床冷却系统在高速切削条件下，单位时间内产生的大量热切屑不仅干扰切削工作的正常进行，还可能造 成机床、刀具和工件的热变形。解决的办法是采用强力高压、高效的冷却系统（如高压喷射装置）， 把大流量的高压冷却液直接射向切削部位，对切削区供给压力为7MPa、流量达60L/min的高 压冷却液，使冷却液以“瀑布”方式从机床顶部淋向工作台，把大量热切屑冲离工作台。6 .高速切削机床安全防护与实时监控系统高速切削的速度相当高，当主轴转速达40000r / min时，若有刀片崩裂，掉下来的刀具碎 片就像出膛的子
13、弹。因此，对高速切削引起的安全问题必须充分重视.从总体上讲，高速切削的 安全保障包括以下诸方面：机床操作者及机床周围现场人员的安全保障;避免机床、刀具、 工件及有关设施的损伤;识别和避免可能引起重大事故的工况在机床结构方面，机床设有安 全保护墙和门窗。刀片，特别是抗变强度低的材料制成的机夹刀片，除结构上防止由于离心力作 用产生飞离外，还要进行极限转速的测定。刀具夹紧、工件夹紧必须绝对安全可靠，因此工况监 测系统的可靠性就变得非常重要。机床及切削过程的监测包括切削力监测，机床主轴功率监侧， 主轴转速监测，刀具破损监测，主轴轴承状况监测，电器控制系统过程稳定性监测等。7 .高速切削机床换刀装置高速切削机床取消了换刀机械手，刀库与工件并排放置，刀库只作回转分度运动，由主轴部 件作前后、上下、左右的直线运动来放刀和取刀。换刀时间虽比普通机床略有增加，但可靠性却 大大提高了。8 .高速切削机床温控系统机床的热特性是指机床结构在其内部热源和外部热源的作用下，产生结构变形和对加工精度 影响的特性，为了改善高速加工机床的热特性，一般采用温控循环水（或其他介质）来冷却主轴电 动机、主轴轴承、直线电动机、液压油箱、电气柜，有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件。 此外，还可采用低膨胀系数的铸铁来作高速机床的主轴箱体，以减少主轴的热伸长和主轴部件的 热变形。作者：黄岩模具 http:/ http:/
