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1、课程名称：高速切削技术高速切削机床的技术 摘 要：主轴系统、进给系统、导轨技术、高性能CNC控制系统、高稳定性的机床支撑部件、高效的冷却系统、安全防护技术和状态检测技术等技术作为高速切削机床的主要技术，是评价高速切削机床的重要参考，这些技术是机械设计师在设计时主要应该解决技术。关键词：高速切削机床 电主轴 进给系统30 前言高速机床是实现高速加工的前提和基本条件。一个国家高速加工技术的水平，很大程度反映在高速机床的设计制造技术上。高速切削机床是基于现代刀具材料的发展,为满足航空、航天、汽车和模具等行业的发展需要而在数控铣床,加工中心的基础上发展起来的高效,高性能加工机床。因此,它的基本特征不仅
2、是切削速度高(是常规切削速度的510倍),进给/快移速度快(达40m/min至180m/min),加减速度大(现多为1g2g),而且还包含有刀具和或工件交换的时间短(在数秒至1秒以内)以及常常具有多轴联动功能等特点。高速切削机床的主要有主轴系统、进给系统、导轨技术、高性能CNC控制系统、高稳定性的机床支撑部件、高效的冷却系统、安全防护技术和状态检测技术等技术。1主轴系统 1.1高速电主轴单元机电一体化的主轴，即所谓电主轴。现代化的主轴是电机与主轴有机地结合成一体，采用电子传感器来控制温度，自有的水冷或油冷循环系统，使得主轴在高速下成为“恒温”；又由于使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使得主轴
3、可以免维护、长寿命、高精度。由于采用了机电一体化的主轴，减去了皮带轮、齿轮箱等中间环节，其主轴转速就可以轻而易举地达到042000r/min，甚至更高。不仅如此，由于结构简化，造价下降，精度和可靠性提高，甚至机床的成本也下降了。噪声、振动源消除，主轴自身的热源也消除了。电主轴是通过交流变频调速和矢量控制来实现主轴的宽调速的。它的优点不仅是简化了主传动结构，减少主传动系统的转动惯量，而且降低了功耗，提高了实现更高主轴速度和加减速度的能力，从而也可实现定角度的快速准仃(C轴控制)功能，这对高速加工机床是十分重要的。当然，高速主轴本身的设计制造会涉及许多特殊问题，如主轴(电机转子)支承的结构型式和润
4、滑方式，电机的发热和冷却措施，主轴和刀具的连接以及动平衡问题等，好在这些问题已有许多科研单位进行了研究和解决，高速电主轴单元在国内外均有了专门的生产厂家进行了专业化，系列化的生产，机床设计制造者只需根据加工对象要求，确定所需的主轴转速和扭矩范围来合理地选用就是了。1.2电主轴的基本参数 电主轴的基本参数和主要规格包括：套筒直径、最高转速、输出功率、转矩和刀具接口等，其中套筒直径为电主轴的主要参数。1.3电主轴的轴承 电主轴是高速、精密且承受较大径向和轴向切削负荷的旋转部件。其轴承首先必须满足高速运转的要求，并具有较高的回转精度和较低的温升；其次，必须具有尽可能高的径向和轴向刚度。此外，还要具有
5、较长的使用寿命，特别是保持精度的寿命。目前，电主轴主要采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。1.4电主轴的性能参数 电主轴的性能参数包括：最高转速、转矩和功率、精度和静刚度、临界转速、残余动不平衡值及验收振动速度值、噪声与套筒温升值、拉紧刀具的拉力值和松开刀具所需液（气）压最小、最大值、使用寿命、电主轴与刀具的接口。1.5电主轴的支持技术和装置 电动机驱动器、轴承润滑部件、压缩空气密封、电动机及前轴承外周的冷却部件、锥孔吹净装置及其控制、安全报警及其他装置。1.6电主轴的选用 从最终用户的实际需要出发根据实际可行的切削规范，对多个典型工件的多个典型工序多做计算，少做估算不要单纯依
6、靠样本来选用，而应多与供应商的销售服务专家深入交谈，多了解客户需求以求得最佳方案注意正确选择轴承类型与润滑方式。2 高速进给系统2.1概述 高速进给系统是高速加工机床极其重要的组成部份，目前对高速机床进给系统的要求可概括为：高速度、高加速度、高精度、高可靠性和高安全性和合理的成本。高速切削机床的直线进给按构造原理可分为电-机伺服系统和直线电机驱动的系统两种。2.2电-机伺服直线进给系统 当前广泛应用的电-机伺服直线进给系统，通常由变频调速电机、机械传动环节、机床滑台和位置调节测量系统组成，带有数字式变频接口的同步电动机越来越多地用作驱动源。为了抵消几何误差和提高直线运动的动态性能，同步电动机通
7、过抗扭的小惯量联轴节同滚珠丝杆传动副相连。如果需要变速或减小惯量力矩以适应电机特性，可以应用齿形带传动。为了优化高速传动滚珠丝杆的定位，最好使用特制的向心推力球轴承。成型滚动导轨能够满足高速导向的要求。直接或间接位置测量光学系统采用增量式计数，通过应用特殊的插值方法，可以使测量分辨率在(4060)m/min 进给速度下达到1m以内。上述组件的任意组合可能导致局部发生矛盾的作用，会影响高速进给系统的功效，需要仔细选择优化。 2.3直线电机驱动的进给系统 要达到高的轨迹精度，要求相应提高进给系统的动态性能KV，电-机伺服进给系统就碰到了极限。它的机械传动件刚度较低，会导致突出的机械谐振。直线电机驱
8、动的进给系统固有频率f600s-1，比电-机伺服进给系统的固有频率f=(40120)s-1提高数倍。加上定位精度高和调节频带宽，运动速度高和加速能力极强，直接直线驱动尤其在测量系统中、激光和高速切削加工中得到应用。 直线电机由原始级和次级部件两个要素构成，原始级部件常用旋转式电机的定子来比拟。次级部件是永久磁铁所在之处或者异步电机中作为反应件工作的那部分。直线电机也有同步和异步之分。同步电机的次级部件必须在整个进给长度上配装有相对昂贵的永久磁铁。需要量比旋转式电机多许多倍。另一个缺点是失电时仍具有磁吸引力，而且很难通过罩盖阻切止屑粘附在次级部件上，加大了装配和去屑的难度。异步电机的次级部件由短
9、路棒组成，制造上价廉物美，在行程很长时明显比永久磁铁励磁的电机便宜。同步电机的基本优点是持续进给力较高，次级部件中无电功率损失。能否可靠地保护次级部件避免在生产时受到切屑影响，将决定同步电机在金属切削机床上的应用。 通过位置的时间微分或者借助状态观察器估计，可以确定直线电机进给系统的进给速度。同旋转式电机相比，当进给速度较高时，由于所谓的长度末端效应直线电机的运动可能发生偏差。 3 导轨技术 高速机床普遍采用了线性的滚动导轨，代替过去的滑动导轨，其移动速度、摩擦阻力、动态响应，甚至阻尼效果都发生了质的改变。导轨的精度寿命较之过去提高几倍。配合使用了数字伺服驱动电机，其进给和快速移动速度已经从过
10、去最高的6m/min，提高到了现在的2060m/min，新型机床使用直线电机，进给和快移速度可达120m/min。4 高性能CNC控制系统 高速切削加工要求CNC控制系统有快速处理数据的能力，来保证高速加工时的插补精度。一般要求程序段传送速率1.620ms，RS232系列数据接口19.2Kbit/s(20ms)，Ethernet数据传送200Kbit/s(1.6ms)。新一代的高性能CNC控制系统采用32位或64位CPU，程序段处理时间短至1.6ms。日立精机机床公司开发的万能用户接口的开放式CNC系统，能将机床CNC操作系统软件和因特网连接，进行信息交换。5 高稳定性的机床支撑部件高速切削机
11、床的床身等支撑部件应具有很好的动、静刚度，热刚度和最佳的阻尼特性。大部分机床都采用高质量、高刚性和高抗张性的灰铸铁作为支撑部件材料；有的机床采用高阻尼特性的人造大理石床身，以增加其抗振性和热稳定性，不但保证机床精度稳定，也防止切削时刀具振颤；采用封闭式床身设计，整体铸造床身，对称床身结构并配有密布的加强筋，如德国Deckel Maho公司的桥式结构或龙门结构的DMC系列高速立式加工中心。6 高效的冷却系统 高速切削中机床的主轴、滚珠丝杠、导轨等产生大量的热，如不进行有效的冷却，将会严重影响机床的精度。大多采用强力高压、高效的冷却系统，使用温控循环水或其他介质来冷却主轴电动机、主轴轴承、滚珠丝杠
12、、直线电动机、液压油箱等。日立精机机床公司VS系列CNC高速铣就采用此润滑脂，具有良好的使用及经济效果。7 安全防护技术 机床安全门罩高速切削机床普遍采用全封闭式安全门罩，高强度透明材料制成的观察窗等更完备的安全保障措施，来保证机床操作者及机床周围现场人员的安全，避免机床、刀具和工件等有关设施受到损伤。在CNC系统中开发了机床智能识别功能，识别并避免可能引起重大事故的工况，保证产品的产量和质量。8 状态检测技术高精度、高速度的传感检测技术，这包括：位置检测、刀具状态检测、工件状态检测、机床工况监测等技术。9 结束语本文仅对于制造高速切削机床中所需的部分技术有一个简单的介绍，作为比较重要的主轴系统和进给系统做了比较详细的介绍，导轨技术、高性能CNC控制系统、高稳定性的机床支撑部件、高效的冷却系统、安全防护技术和状态检测技术等技术仅做了一般性的介绍 。通过本文能够对高速切削机床的技术有一个大概的了解。参 考 文 献1 张伯霖，等高速切削技术及其应用M北京：机械工业出版社，20032 虞付进电主轴技术的应用及发展趋势J机电工程，2003(6) 3 施维高速数控机床的结构特点J现代制造工程，2006(3)：135138 4 陈玮，邹莉高速切削中的刀具材料J现代制造工程，2006(12)：138141
