高速切削機(jī)床

1、沈?yàn)t 機(jī)械13-4高速切削機(jī)床4/3/20222引言引言實(shí)現(xiàn)高速切削的最關(guān)鍵技術(shù)是研究開發(fā)性能優(yōu)良的高速切削機(jī)床，自20世紀(jì)80年代中期以來，開發(fā)高速切削機(jī)床便成為國(guó)際機(jī)床工業(yè)技術(shù)發(fā)展的主流。高速切削機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速切 削加工的 必備的物質(zhì) 基礎(chǔ),具有高速、高效、高精度和高自動(dòng)化的鮮明特點(diǎn),其中高速銑床、加工中心尤為突出。它是一個(gè)集光機(jī) 電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于 一體的高科技產(chǎn)品,是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)技術(shù)水平的核心標(biāo)志,對(duì)一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)、科技及 國(guó)防事業(yè)具有重大的影響。近年來,發(fā)達(dá)國(guó)家集了大量的人力物力進(jìn)行研究和開發(fā),取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步4/3/20223高速切削機(jī)床的起源高速切削機(jī)床的起源20世紀(jì)30年代

2、，最先由德國(guó)CarlSalomon博士首次提出的有關(guān)高速切削的概念。50年代后期開始，高速切削的試驗(yàn)又開始進(jìn)入各種試驗(yàn)研究，高速切削的機(jī)理開始被科學(xué)家們所認(rèn)識(shí)。Roeders 公司以其 200 年模具制造經(jīng)驗(yàn) , 在 1989 年德國(guó) Roeders 首先完成世界第一臺(tái)高速加工中心 , 并提供技術(shù)數(shù)據(jù)予瑞士 Mikron 合作生產(chǎn)高速加工中心 , 直至 1994 年雙方因維修服務(wù)問題終止合作 , Roeders 開始生產(chǎn)自己品牌高速機(jī)床 , 提供優(yōu)質(zhì)支持服務(wù)予世界廣大客戶。4/3/20224高速切削機(jī)床的現(xiàn)狀(1)國(guó)外。日本、美國(guó)、德國(guó)和意大利等廠商現(xiàn)已成為世界上高速機(jī)床的主要提供者。目前國(guó)際

3、上提供高速加工中心和NC機(jī)床設(shè)備的主要廠商，其代表性產(chǎn)品主要技術(shù)性能參數(shù)所能達(dá)到的水平比較如表1所示。4/3/202254/3/20226高速切削機(jī)床的現(xiàn)狀(2)國(guó)內(nèi)。目前國(guó)內(nèi)幾個(gè)主要廠家依靠自己的科研能力或通過引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的高速機(jī)床，其主要參數(shù)指標(biāo)如表2所示。 4/3/20228高速切削機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)高速切削機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)(1)提高生產(chǎn)率：由于切削速度和進(jìn)給速度都得到提高,即提高了單位時(shí)間的切削容積，相應(yīng)也縮短 了切削時(shí)間、提高了生產(chǎn)率(2 )減小切削力在一定的切削率的前提下,由于提高切削速度,則切削力便下降,這是HSC工藝的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。HSC工藝所帶來的好處是對(duì) 那些薄壁形、細(xì)長(zhǎng)形及 剛性弱 的

4、零件的切削十分有利,另外,也有利 于解決 刀具磨損,機(jī) 床(3) 振動(dòng)小HSC的激振頻率非常高,遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍,因此有可 能在“無振動(dòng)”的條件下加工,這將使加工精度大大提高,同時(shí)加工質(zhì)量也容易得到保證。據(jù)當(dāng)時(shí)聯(lián)邦德國(guó)的資料報(bào)道:他們的HSC銑削表面 已近似達(dá)到磨削的質(zhì)量。4 )熱變形小,大量的切削熱由切屑帶走,所以工件溫度低,熱變形小。4/3/20229高速切削機(jī)床具備的要素高速切削機(jī)床具備的要素排屑冷卻安全高速主軸進(jìn)給系統(tǒng)潤(rùn)滑系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)床體結(jié)構(gòu)換刀裝置熱態(tài)特性和靜、動(dòng)態(tài)特性數(shù)控系統(tǒng)CNC4/3/202210高速主軸高速主軸高速主軸是高速切削機(jī)床的核心部件，隨著對(duì)主軸轉(zhuǎn)速要求的不

5、斷提高，傳統(tǒng)的齒輪皮帶變速傳動(dòng)系統(tǒng)由于本身的振動(dòng)、噪音等原因已不能適應(yīng)要求，取而代之的是一種新穎的功能部件電主軸，它將主軸電機(jī)與機(jī)床主軸合二為一，實(shí)現(xiàn)了主軸電機(jī)與機(jī)床主軸的一體化電主軸技術(shù)與電機(jī)變頻、閉環(huán)矢量控制、交流伺服控制等技術(shù)相結(jié)合，可以滿足車削、銑削、鏜削、鉆削、磨削等金屬切削加工的需要。 采用高速加工技術(shù)可以解決機(jī)械產(chǎn)品制造中的諸多難題，取得特殊的加工精度和表面質(zhì)量，因此這項(xiàng)技術(shù)在各類裝備制造業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，正在成為當(dāng)今金切加工的主流技術(shù)。高精度、高轉(zhuǎn)速數(shù)控機(jī)床主軸單元是承載高速切削技術(shù)的主體之一，是高精度、高效率高檔數(shù)控機(jī)床的核心功能部件，是航空航天、汽車、船舶、精密模具

6、、精密機(jī)械等尖端產(chǎn)品制造領(lǐng)域所需高檔加工母機(jī)的核心部件。目前國(guó)內(nèi)外電主軸技術(shù)的發(fā)展十分迅速，各生產(chǎn)廠商都在高可靠性、節(jié)能性、高精度、高加工效率、環(huán)保性、智能化等方面進(jìn)行持續(xù)的科技攻關(guān)，以期形成自身的特色，占領(lǐng)電主軸技術(shù)發(fā)展的制高點(diǎn)4/3/202211高速主軸的優(yōu)點(diǎn)高速主軸的優(yōu)點(diǎn)（1）功率大、轉(zhuǎn)速高。目前單獨(dú)實(shí)現(xiàn)電主軸的高轉(zhuǎn)速或大功率在技術(shù)上已經(jīng)不存在難題，但要同時(shí)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速和大功率，則存在相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度。圍繞高速電主軸技術(shù)，世界各國(guó)的公司展開了激烈競(jìng)爭(zhēng)。 （2）采用高速高剛度軸承。國(guó)外高速精密主軸均采用高速高剛度軸承，主要有陶瓷軸承和液體動(dòng)靜壓軸承，特殊場(chǎng)合采用空氣潤(rùn)滑軸承和磁懸浮軸承。美國(guó)I

7、ngersoll公司采用液體動(dòng)靜壓軸承，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到40000rmin；瑞士 IBAG公司磁懸浮軸承最高200000rmin。目前國(guó)內(nèi)高速 電主軸用軸承主要采用國(guó)產(chǎn)的鋼質(zhì)角接觸球軸承，但壽命有待進(jìn)一步提高。部分高性能電主軸，仍需進(jìn)口軸承 。4/3/202212高速主軸的優(yōu)點(diǎn)高速主軸的優(yōu)點(diǎn)3）精密加工與精密裝配工藝。精密加工和精密裝配工藝是電主軸的核心技術(shù)之。電主軸的上軸、前后軸承蓋等的制造工藝要求非常高。為了保證電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的回轉(zhuǎn)精度和剛度，這些數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵零件必須進(jìn)行精密加工或超精密加工，其尺寸誤差一般在微米級(jí)或更小；對(duì)同軸度、垂直度和表面粗糙度也都有極嚴(yán)格的要求 11 。為了制造這

8、些高精度零件，國(guó)外電主軸的專業(yè) 制造廠都裝備有成套的高精度加工設(shè)備，如高精度數(shù)控車削中心、精密數(shù)控外圓磨床、高精度加工中心、高精度數(shù)控內(nèi)圓磨床等，同時(shí)還配備了高精度測(cè)試設(shè)備。在國(guó)內(nèi)，如陶瓷軸承、異步型電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等電主軸的關(guān)鍵零件制造中的關(guān)鍵問題還沒有得到很好的解決，影響了 數(shù)控機(jī)床的制造水平。 （4）配套控制系統(tǒng)水平。這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子自動(dòng)平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤(rùn)滑與精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補(bǔ)償精密控制系統(tǒng)等。例如，瑞士Fischer公司和德國(guó)Hofmann公司生產(chǎn)電主軸配套的在線自動(dòng)平衡系統(tǒng)，可以在線自動(dòng)校正偏心，大幅度降低電主軸高速運(yùn)行情況下的振動(dòng)；SKF公司和NSK公司生產(chǎn)的軸承油氣潤(rùn)滑

9、系統(tǒng)，可以通過定時(shí)定量控制進(jìn)氣量保證軸承的潤(rùn)滑和溫升控制在正常水平4/3/202213伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)按照伺服系統(tǒng)的控制方式，可以把數(shù)控系統(tǒng)分為以下幾類：開環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)這類數(shù)控系統(tǒng)不帶檢測(cè)裝置，也無反饋電路，以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件。CNC裝置輸出的進(jìn)給指令（多為脈沖接口）經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大，轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各定子繞組依此通電/斷電的電流脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（齒輪箱，絲杠等）帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。這種方式控制簡(jiǎn)單，價(jià)格比較低廉，從70年代開始，被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中。半閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)位置檢測(cè)元件被安裝在電動(dòng)機(jī)軸端或絲杠軸端，通過角位移的測(cè)量間接計(jì)算出機(jī)床工作

10、臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行位置（直線位移），由于閉環(huán)的環(huán)路內(nèi)不包括絲杠、螺母副及機(jī)床工作臺(tái)這些大慣性環(huán)節(jié)，由這些環(huán)節(jié)造成的誤差不能由環(huán)路所矯正，其控制精度不如全閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)，但其調(diào)試方便，成本適中，可以獲得比較穩(wěn)定的控制特性，因此在實(shí)際應(yīng)用中，這種方式被廣泛采用。4/3/202214伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)全閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)位置檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，用以檢測(cè)機(jī)床工作臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行位置（直線位移），并將其與CNC裝置計(jì)算出的指令位置（或位移）相比較，用差值進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。這類控制方式的位置控制精度很高，但由于它將絲杠、螺母副及機(jī)床工作臺(tái)這些連接環(huán)節(jié)放在閉環(huán)內(nèi)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)連接剛度變差，因此調(diào)試時(shí)，其系統(tǒng)較難達(dá)到

11、高增益，即容易產(chǎn)生振蕩。4/3/202215伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)1直線電機(jī)伺服系統(tǒng),直線電機(jī)是使電能直接轉(zhuǎn)變成直線機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種推力裝置，將機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能敏捷、傳動(dòng)剛度高、精度高、加減速度大，行程不受限制、噪音低、成本較高，在加速度大于1g的情況下，是伺服系統(tǒng)的唯一選擇。 2滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置,滾珠絲杠仍是高速伺服系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)裝置，用AC伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，并采用液壓軸承，進(jìn)給速度可達(dá)4060m/min，其加速度可超過0.6g，成本較低，僅為直線電機(jī)的1/2.5。滾珠絲杠分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。特點(diǎn)：(1)滑動(dòng)絲杠副和驅(qū)動(dòng)力相比1/3(2)高精度的保證(3)微進(jìn)給可能

12、(4)無側(cè)隙、剛性高(5)高速進(jìn)給可能直線電機(jī)伺服系統(tǒng)4/3/202218高效的冷卻系統(tǒng)高效的冷卻系統(tǒng)高速切削中機(jī)床的主軸、滾珠絲杠 、導(dǎo)軌等產(chǎn)生大 量的熱，如不進(jìn)行有效的冷卻，將會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)床的精度。大多采用強(qiáng)力高壓、高效的冷卻系統(tǒng)，使用溫控循環(huán)水或其他介質(zhì)來冷卻主軸電動(dòng)機(jī)、主軸軸承、滾珠絲杠、直線電動(dòng)機(jī)、液壓油箱等。 Yamazen公司將壓力為6.8MPa的冷卻液通過主軸中心孔，對(duì)機(jī)床主軸、刀具和工件進(jìn)行冷卻。日本日立精機(jī)公司研制開發(fā)出通過在中空的滾珠絲杠中傳輸冷卻液，達(dá)到冷卻絲杠穩(wěn)定加工目的的滾珠絲杠冷卻器。為了避免導(dǎo)軌受溫升的影響，日立公司和軸承商聯(lián)合研制出Eeo-Eeo的導(dǎo)軌潤(rùn)滑脂，

13、該潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑和冷卻效果好，無有害物質(zhì)，能進(jìn)行自動(dòng)潤(rùn)滑及不需專用設(shè)備等特點(diǎn)。日立精機(jī)機(jī)床公司VS系列CNC高速銑就采用此潤(rùn)滑脂，具有良好的使用及經(jīng)濟(jì)效果。4/3/202219數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)CNC數(shù)字控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱，英文名稱為Numerical Control System，早期是與計(jì)算機(jī)并行發(fā)展演化的，用于控制自動(dòng)化加工設(shè)備的，由電子管和繼電器等硬件構(gòu)成具有計(jì)算能力的專用控制器的稱為硬件數(shù)控（Hard NC）。20世紀(jì)70年代以后，分離的硬件電子元件逐步由集成度更高的計(jì)算機(jī)處理器代替，稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computerized numerical control，簡(jiǎn)稱CNC）系統(tǒng)是

14、用計(jì)算機(jī)控制加工功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置，用于控制自動(dòng)化加工設(shè)備的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)由數(shù)控程序存儲(chǔ)裝置（從早期的紙帶到磁環(huán)，到磁帶、磁盤到計(jì)算機(jī)通用的硬盤）、計(jì)算機(jī)控制主機(jī)（從專用計(jì)算機(jī)進(jìn)化到PC體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)）、可編程邏輯控制器（PLC）、主軸驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給（伺服）驅(qū)動(dòng)裝置（包括檢測(cè)裝置）等組成。由于逐步使用通用計(jì)算機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)日趨具有了軟件為主的色彩，又用PLC代替了傳統(tǒng)的機(jī)床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)控功能，使用、維護(hù)也方便，

15、并具有與網(wǎng)絡(luò)連接及進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的功能。4/3/202220世界上的數(shù)控系統(tǒng)種類繁多，形式各異，組成結(jié)構(gòu)上都有各自的特點(diǎn)。這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來源于系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)的基本要求和硬件和軟件的工程設(shè)計(jì)思路。對(duì)于不同的生產(chǎn)廠家來說，基于歷史發(fā)展因素以及各自因地而異的復(fù)雜因素的影響，在設(shè)計(jì)思想上也可能各有千秋。例如，在上世界90年代，美國(guó)Dynapath系統(tǒng)采用小板結(jié)構(gòu)，熱變形小，便于板子更換和靈活結(jié)合，而日本FANUC系統(tǒng)則趨向大板結(jié)構(gòu)，減少板間插接件，使之有利于系統(tǒng)工作的可靠性。然而無論哪種系統(tǒng)，它們的基本原理和構(gòu)成是十分相似的。一般整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)由三大部分組成，即控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)和位置測(cè)量系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)硬件是一個(gè)具有輸入輸出功能的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，按加工工件程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，