高速切削的關(guān)鍵技術(shù)

1、高速切削的關(guān)鍵技術(shù)高速切削機(jī)床高速切削技術(shù)是在機(jī)床結(jié)構(gòu)及材料、機(jī)床設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高速主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高 性能CNC控制系統(tǒng)、高性能刀夾系統(tǒng)、高性能刀具材料及刀具設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高效高精度測(cè)量 測(cè)試技術(shù)、高速切削機(jī)理、高速切削工藝等相關(guān)的硬件與軟件技術(shù)的基礎(chǔ)之上綜合而成的。因此， 高速切削加工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，由機(jī)床、刀具、工件、加工工藝、切削過(guò)程監(jiān)控及切削機(jī) 理等方面形成了高速切削技術(shù)的研究體系，如圖9 一 3所示。按其內(nèi)容、特點(diǎn)和相互關(guān)系可分 為技術(shù)原理、基礎(chǔ)技術(shù)、單元技術(shù)和總體技術(shù)4個(gè)層次，如圖9 一 4所示。其中技術(shù)原理通過(guò) 高速切削試驗(yàn)和理論分析揭示高速切削加工機(jī)理，對(duì)高速加

2、工過(guò)程中的變形、力、溫度、摩擦和 磨損規(guī)律及高速加工系統(tǒng)各部分的穩(wěn)定性、可靠性等進(jìn)行分析；基礎(chǔ)技術(shù)和單元技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速 切削技術(shù)的關(guān)鍵，包括材料技術(shù)，構(gòu)件、元件及部件的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，控制和監(jiān)測(cè)方法；總體 技術(shù)是各單元技術(shù)按應(yīng)用特征和技術(shù)性能的進(jìn)一步集成。刀具壽命切削力圳屑形成機(jī)瞟安全防護(hù)切部愀刀力形狀刀柄結(jié)構(gòu)行 ri m 1v %動(dòng)平衡| CAD/CAMN編程撕工參數(shù)工藝伏化加工特征工件材料溫控系統(tǒng)換刀裝置高速主軸進(jìn)給機(jī)何基本結(jié)構(gòu)者卻系統(tǒng)圖9-3高速切削加工系統(tǒng)1W盤(pán)刀具的 材料技術(shù)71具凡何嚎數(shù).號(hào)連接結(jié)構(gòu):f;電主軸:電動(dòng)機(jī)、軸承卜膏適傳動(dòng)件、支承件傳感器、信息姓理技術(shù)刀具設(shè)計(jì)制造及動(dòng)平

3、衡主軸掌元技術(shù)進(jìn)給單元技術(shù)高速CNC技術(shù)藍(lán)息忘散與 安全技術(shù)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)及工藝憂(yōu)化1系統(tǒng)1系統(tǒng)1.恭統(tǒng)1系統(tǒng)1總體技術(shù)技術(shù)原理原理與條件摩際虧磨楚門(mén)動(dòng)態(tài)持倏切削力, 溫度、變形渤高速切削研究體系實(shí)現(xiàn)高速切削的最關(guān)鍵技術(shù)是研究開(kāi)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(lái)，開(kāi)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)床基本結(jié)構(gòu)機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)有床身、底座和立柱等，高速切削會(huì)產(chǎn)生很大的附加慣性力.因而機(jī)床床身、 立柱等必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和高水平的阻尼特性。很多高速機(jī)床的床身和立柱材料采用聚 合物混凝土或人造花崗巖，這種材料阻尼特性為鑄鐵的710倍，密度只有鑄鐵的1/3

4、。提高 機(jī)床剛性的另一個(gè)措施是改革床體結(jié)構(gòu)，如將立柱和底座合為一個(gè)整體，使得機(jī)床可以依靠自身 的剛性來(lái)保持機(jī)床精度。.高速主軸高速主軸是高速切削最關(guān)鍵零件之一，目前主軸轉(zhuǎn)速在1000020000r/ min的加工中心越來(lái) 越普及，轉(zhuǎn)速高達(dá)l00000r / min、200000r / min、250000r / min的實(shí)用高速主軸也正在研制開(kāi) 發(fā)中。高速主軸由于轉(zhuǎn)速極高，主軸零件在離心力作用下產(chǎn)生振動(dòng)和變形，高速運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦和大功 率內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱會(huì)引起高溫和變形，所以必須嚴(yán)格控制。為此對(duì)高速主軸提出如下性能要 求：高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速范圍;足夠的剛性和較高的回轉(zhuǎn)精度，良好的熱穩(wěn)定性;大功率; 先

5、進(jìn)的潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng);可靠的主軸監(jiān)測(cè)系統(tǒng).傳統(tǒng)的齒輪、傳動(dòng)帶變速主傳動(dòng)系統(tǒng)由于本身的 振動(dòng)、噪聲等原因已不能適應(yīng)要求，高速主軸采用了交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的“內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)”集成 化結(jié)構(gòu)，減少了傳動(dòng)部件，具有更高的可靠性。高速主軸要在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)升降速，在指定位 置快速準(zhǔn)停，這就要求主軸具有很高的角加速度。為此，將主軸電機(jī)和主軸合二為一，制成電主 軸，實(shí)現(xiàn)無(wú)中間環(huán)節(jié)的直接傳動(dòng)。電主軸是高速主軸單元的理想結(jié)構(gòu)，它的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就是機(jī)床 主軸，機(jī)床主軸單元的殼體就是電動(dòng)機(jī)座，實(shí)現(xiàn)了變頻電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。并采用了電 子傳感器來(lái)控制溫度，自帶水冷或油冷循環(huán)系統(tǒng)，使主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)保持“恒溫”。冷卻水溫

6、控 制系統(tǒng)，在環(huán)境溫度10 40r的條件下，一般可控制在20 25r范圍內(nèi)某一設(shè)定溫度，精度為 士0.7 r 特殊要求可達(dá)士0.3 r。同時(shí)使用油霧潤(rùn)滑、混合陶瓷軸承等新技術(shù)，使主軸可免維護(hù)、長(zhǎng)壽命、高精度，如圖9 一 5所示。主輔定子圖9-5電主軸結(jié)構(gòu)高速精密軸承是高速主軸單元的核心。為了適應(yīng)高速切削加工，高速切削機(jī)床的主軸設(shè)計(jì)采 用了先進(jìn)的主軸軸承和潤(rùn)滑、散熱等新技術(shù)。目前高速主軸主要采用混合陶瓷軸承、磁懸浮軸承 和液體動(dòng)靜壓軸承三種形式。主軸軸承潤(rùn)滑對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的提高起著重要作用，高速主軸一般采用 油空氣潤(rùn)滑或噴油潤(rùn)滑。采用油空氣潤(rùn)滑后，軸承的DN值（主軸軸承孔徑與最大轉(zhuǎn)速的乘積）將 比脂

7、潤(rùn)滑提高20 % 50 9。噴油潤(rùn)滑的軸承極限轉(zhuǎn)速可達(dá)（2 . 3 2 . 5 ） X1000000r / min。3.高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)高速切削時(shí)，為了保持刀具每齒進(jìn)給量基本不變，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，進(jìn)給速度也必須大 幅度地提高。目前高速切削進(jìn)給速度已高達(dá)50- 120m / min，要實(shí)現(xiàn)并準(zhǔn)確控制這樣高的進(jìn)給 速度，對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌、滾珠絲杠、伺服系統(tǒng)、工作臺(tái)結(jié)構(gòu)等提出了新的要求.而且，由于機(jī)床上直 線(xiàn)運(yùn)動(dòng)行程一般較短，高速加工機(jī)床必須實(shí)現(xiàn)較高的進(jìn)給加減速才有意義。為了適應(yīng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)高 速化的要求，在高速加工機(jī)床上主要采用如下措施：1）采用新型直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌，直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌中球軸承與鋼導(dǎo)軌之間接觸面積很小

8、，其摩擦系數(shù) 僅為槽式導(dǎo)軌的1 / 20左右，而且使用直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌后，“爬行”現(xiàn)象可大大減少；）高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用小螺距大尺寸高質(zhì)量滾珠絲杠或粗螺距多頭滾珠絲杠，其目的是在不 降低精度的前提下獲得較高的進(jìn)給速度和進(jìn)給加減速度；）高速進(jìn)給伺服系統(tǒng)已發(fā)展為數(shù)字化、智能化和軟件化，高速切削機(jī)床已開(kāi)始采用全數(shù)字 交流伺服電動(dòng)機(jī)和控制技術(shù)；）為了盡量減少工作臺(tái)重量但又不損失剛度，高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)通常采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料;）為提高進(jìn)給速度，更先進(jìn)、更高速的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)。直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)是把 旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿徑向剖開(kāi)，然后拉直演變而成，是使電能直接轉(zhuǎn)變成直線(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種推力裝置。 在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用

9、直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)就消除了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)之間的一切機(jī)械中間傳 動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，從而實(shí)現(xiàn)了所謂的“零傳動(dòng)”。同時(shí)，為保證推力 平穩(wěn)，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的布局一般應(yīng)做成對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)用于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖9 一6所示。此結(jié)構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械接觸的磁墊懸浮導(dǎo)軌，即利用直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)、定件兼作機(jī) 床導(dǎo)軌副。由于實(shí)現(xiàn)了 “零傳動(dòng)”，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)消除了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙、彈性變形等間題， 減少了傳動(dòng)摩擦力，幾乎沒(méi)有反向間隙。直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)具有高加、減速特性，加速度可達(dá)29，為 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的10 20倍，進(jìn)給速度為傳統(tǒng)的4- 5倍，采用直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有單位面積 推力大、易產(chǎn)生高

10、速運(yùn)動(dòng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)不需維護(hù)等明顯優(yōu)點(diǎn)。12 34567 g圖9-6機(jī)床進(jìn)培系統(tǒng)典型靖構(gòu)1一刪溫元件2K隙輸測(cè)元件 3工作臺(tái)4、5光撤頂滑尺6、7 電動(dòng)機(jī)動(dòng)件.定件8一制冷機(jī)蒸發(fā)管9一氣隙1Q床身直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和在機(jī)床中的位置也帶來(lái)了一些不利因素。發(fā)熱、負(fù)載干擾、防磁和 垂直進(jìn)給中的自重等問(wèn)題。因此直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)一般都須配備冷卻系統(tǒng)，使用摩擦阻尼很小 的導(dǎo)軌，如磁墊懸浮或滾動(dòng)導(dǎo)軌。對(duì)自重問(wèn)題除使用配重塊和自鎖等裝置外，還必須同時(shí)在電動(dòng) 機(jī)馭動(dòng)模塊和伺服控制電路上采取相應(yīng)的措施。直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)不僅本身昂貴，再加上這些措施，成 本就更高。4 .高速CNC控制系統(tǒng)數(shù)控高速切削加工要求CNC控制系統(tǒng)

11、具有快速數(shù)據(jù)處理能力和高的功能化特性，以保證在 高速切削時(shí)（特別是在4 ? 5軸坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工復(fù)雜曲面時(shí)）仍具有良好的加工性能。高速CNC數(shù) 控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力有兩個(gè)重要指標(biāo)：一是單個(gè)程序段處理時(shí)間，為了適應(yīng)高速，要求單個(gè)程 序段處理時(shí)間要短，為此，需使用32位CPU和64位CPU，并采用多處理器;二是插補(bǔ)精度， 為了確保高速下的插補(bǔ)精度，要有前饋和大數(shù)目超前程序段處理功能，此外，還可采用NURBS插 補(bǔ)、回沖加速、平滑插補(bǔ)、鐘形加減速等輪廓控制技術(shù)。高速切削加工CNC系統(tǒng)的功能特征包 括：加減預(yù)插補(bǔ);前饋控制; 精確矢量補(bǔ)償; 最佳拐角減速度。5 .高速切削機(jī)床冷卻系統(tǒng)在高速切削條件下，單位

12、時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的大量熱切屑不僅干擾切削工作的正常進(jìn)行，還可能造 成機(jī)床、刀具和工件的熱變形。解決的辦法是采用強(qiáng)力高壓、高效的冷卻系統(tǒng)（如高壓噴射裝置）， 把大流量的高壓冷卻液直接射向切削部位，對(duì)切削區(qū)供給壓力為7MPa、流量達(dá)60L/min的高 壓冷卻液，使冷卻液以“瀑布”方式從機(jī)床頂部淋向工作臺(tái)，把大量熱切屑沖離工作臺(tái)。高速切削機(jī)床安全防護(hù)與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)高速切削的速度相當(dāng)高，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)40000r / min時(shí)，若有刀片崩裂，掉下來(lái)的刀具碎 片就像出膛的子彈。因此，對(duì)高速切削引起的安全問(wèn)題必須充分重視.從總體上講，高速切削的 安全保障包括以下諸方面：機(jī)床操作者及機(jī)床周?chē)F(xiàn)場(chǎng)人員的安全保障;避免

13、機(jī)床、刀具、 工件及有關(guān)設(shè)施的損傷;識(shí)別和避免可能引起重大事故的工況.在機(jī)床結(jié)構(gòu)方面，機(jī)床設(shè)有安 全保護(hù)墻和門(mén)窗。刀片，特別是抗變強(qiáng)度低的材料制成的機(jī)夾刀片，除結(jié)構(gòu)上防止由于離心力作 用產(chǎn)生飛離外，還要進(jìn)行極限轉(zhuǎn)速的測(cè)定。刀具夾緊、工件夾緊必須絕對(duì)安全可靠，因此工況監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)的可靠性就變得非常重要。機(jī)床及切削過(guò)程的監(jiān)測(cè)包括切削力監(jiān)測(cè)，機(jī)床主軸功率監(jiān)側(cè)， 主軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)，刀具破損監(jiān)測(cè)，主軸軸承狀況監(jiān)測(cè)，電器控制系統(tǒng)過(guò)程穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)等。高速切削機(jī)床換刀裝置高速切削機(jī)床取消了換刀機(jī)械手，刀庫(kù)與工件并排放置，刀庫(kù)只作回轉(zhuǎn)分度運(yùn)動(dòng)，由主軸部 件作前后、上下、左右的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)來(lái)放刀和取刀。換刀時(shí)間雖比普通機(jī)床略有增加，