高速切削加工的優(yōu)勢

高速切削加工的優(yōu)勢

1高速切削加工的定義高速機(jī)械零件的概念可以追溯到20世紀(jì)20年代末，德國丘姆j.saloon博士進(jìn)行了著名的高速機(jī)械零件模型試驗(yàn)。1931年4月，著名的高速機(jī)械零件理論發(fā)表在1號切割區(qū)域（見圖1的區(qū)域a）中。然而，如果切割速度增加到一定值的vcr，切割速度會再次增加，切割溫度會降低。此外，強(qiáng)調(diào)的vcr值與工作材料的類型有關(guān)。對于每個材料，有一個速度范圍（見圖1的區(qū)域b）。由于切割溫度高，超過刀材料的最佳溫度，任何鋒利的刀都無法承受，切割加工也無法進(jìn)行。然而，如果切割速度進(jìn)一步提高，超過此速度范圍，切割速度將降低，切割強(qiáng)度將降低。他認(rèn)為，對于某些材料，它們應(yīng)該有邊界的切削速度。在切削速度下，切割溫度最高，在高速切割區(qū)域進(jìn)行切割，可以使用現(xiàn)有的噴射刀，這可以顯著降低成本，提高機(jī)械服務(wù)的產(chǎn)量。大多數(shù)材料都有臨界速度，但不同材料的速度值不同。高速切削是一個相對的概念.由于不同的加工方式、不同工件有不同的高速切削范圍,所以很難就高速切削的速度范圍給出確切的定義.目前沿用的高速切削加工的定義主要有以下幾種:(1)1978年,CIRP(國際生產(chǎn)工程研究院)切削委員會提出的以線速度500～7000m/min的切削速度進(jìn)行加工為高速切削加工.(2)對銑削加工而言,以刀具夾持裝置達(dá)到平衡要求時的速度來定義高速切削加工.根據(jù)ISO1940標(biāo)準(zhǔn),主軸轉(zhuǎn)速高于8000r/min為高速切削加工.(3)德國Darmstadt工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)工程與機(jī)床研究所(PTW)提出將高于普通切削速度5～10倍的切削加工定義為高速切削加工.(4)從主軸設(shè)計(jì)的觀點(diǎn),以Dn值(主軸軸徑或主軸軸承內(nèi)徑尺寸D與主軸最大轉(zhuǎn)速n的乘積)來定義高速切削加工.Dn值達(dá)(5～2000)×105mm·r/min時為高速切削加工.(5)從刀具和主軸的動力學(xué)角度來定義高速切削加工.這種定義取決于刀具振動的主模式頻率.因此,高速切削加工不能簡單地用某一具體的切削速度值來定義.切削條件不同,高速切削速度范圍亦不同.1992年在CIRP會議上發(fā)表了不同材料大致可行的和發(fā)展的切削速度范圍,如圖2所示.可以說,目前各國的切削速度僅在高速階段,尚未達(dá)到CIRP所界定的超高速切削階段.2高速切削的優(yōu)越性現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)和工程領(lǐng)域都需要應(yīng)用機(jī)械,這些機(jī)械幾乎沒有不經(jīng)過切削加工的,即使沒有直接經(jīng)過切削加工,但其生產(chǎn)過程中所使用的模具、夾具等仍少不了要求切削加工.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對切削加工提出了越來越高的要求,如對加工效率、加工精度和表面質(zhì)量的要求,高速切削正是適應(yīng)這種需求而發(fā)展起來的加工技術(shù).目前,高速切削加工技術(shù)已在汽車、飛機(jī)、模具、輕工和信息等產(chǎn)業(yè)部門得到非常廣泛的應(yīng)用,并取得了巨大的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益.高速切削加工技術(shù)為機(jī)械制造企業(yè)快速響應(yīng)市場信息提供了強(qiáng)有力的支持,其發(fā)展與應(yīng)用是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢.高速切削速度比常規(guī)切削速度幾乎高出一個數(shù)量級,其切削機(jī)理與常規(guī)切削不同.由于切削機(jī)理的改變,而使高速切削加工呈現(xiàn)出許多自身的優(yōu)勢.與傳統(tǒng)的切削加工方法相比,高速切削具有無可比擬的優(yōu)越性,主要表現(xiàn)在:(1)切削力低.由于切削速度高,導(dǎo)致剪切變形區(qū)狹窄、剪切角增大、變形系數(shù)減小和切屑流出速度快,從而使切削變形減小、切削力降低.尤其是法向切削力,比常規(guī)切削低30%～90%.刀具耐用度可提高70%,特別適合細(xì)長件、薄壁類以及剛性差的工件加工.(2)熱變形小.在高速切削時,90%～95%以上的切削熱來不及傳給工件就被高速流出的切屑帶走,工件累計(jì)熱量極少,工件基本上保持冷態(tài),因而不會由于溫升導(dǎo)致熱變形,特別適合加工易熱變形的零件.(3)材料切除率高.由于切削速度的大幅度提高,進(jìn)給速度可提高到普通切削速度的5～10倍,這樣單位時間內(nèi)的材料切除率可以大大增加.故高速切削適用于材料切除率要求大的場合,如汽車、模具和航空航天等制造領(lǐng)域.同時機(jī)床快速空行程速度大幅度提高,這大大減少了非切削的空行程時間,從而極大地提高了機(jī)床的生產(chǎn)率.(4)加工精度高.由于高切削速度和高進(jìn)給率,使機(jī)床的激振頻率遠(yuǎn)高于“機(jī)床-工件-刀具”系統(tǒng)的固有頻率,工件處于平穩(wěn)振動切削狀態(tài),這就使零件加工能夠獲得較高的表面加工質(zhì)量.高速切削加工獲得的零件表面加工質(zhì)量幾乎可與磨削相比,且殘余應(yīng)力很小,故可以省去高速切削后的精加工工序.(5)降低加工成本.高速切削可以降低加工成本的主要原因包括:單件零件加工時間縮短;許多零件在常規(guī)加工時,需要粗、半精、精加工工序,有時加工后還需進(jìn)行手工研磨,而使用高速切削可使工件加工集中在一道工序中完成.這樣可以使加工成本大為降低,加工周期大為縮短.(6)高速切削可以加工難加工的材料.例如,航空和動力部門大量采用的鎳基合金、鈦合金,這類材料強(qiáng)度大、硬度高、耐沖擊,加工中容易硬化,切削溫度高,刀具磨損嚴(yán)重.如果采用高速加工,不但可以大幅度提高生產(chǎn)率,而且可以有效地減少刀具磨損,提高零件加工的表面質(zhì)量.3超高速切削是機(jī)床發(fā)展的主流根據(jù)Salomon的高速切削理論,當(dāng)切削速度超過被切削材料臨界切削速度時,切削溫度不再隨切削速度的提高而上升,切削抗力減小,刀具使用壽命延長,且以高切削速度、高切削精度、高進(jìn)給速度與加速度為主要特征.美國于1960年前后開始進(jìn)行超高速切削試驗(yàn),試驗(yàn)將刀具裝在農(nóng)炮里,從滑臺上射向工件,或?qū)⒐ぜ?dāng)作子彈射向固定的刀具.1977年,在一臺帶有高頻電主軸的加工中心上進(jìn)行了高速切削試驗(yàn).1984年,德國國家研究技術(shù)部組織了以Darmstadt工業(yè)大學(xué)的生產(chǎn)工程與機(jī)床研究所和41家公司參加的兩項(xiàng)聯(lián)合研究計(jì)劃,全面、系統(tǒng)地研究了超高速切削機(jī)床、刀具控制系統(tǒng)以及相關(guān)的工藝技術(shù),取得了國際公認(rèn)的高水平研究成果,并在德國工廠廣泛應(yīng)用,獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益.日本于20世紀(jì)60年代就著手超高速切削機(jī)理的研究,日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)在超高速切削時,絕大部分切削熱被切屑帶走,工件基本保持冷態(tài),其切屑比常規(guī)切屑熱得多.日本工業(yè)界善于吸收各國的研究成果并及時應(yīng)用到新產(chǎn)品開發(fā)中去,尤其在高速切削機(jī)床的研究和開發(fā)方面后來居上,現(xiàn)在已經(jīng)躍居世界領(lǐng)先地位.中國高速切削加工技術(shù)研究起步較晚.20世紀(jì)80年代以來對高速切削刀具壽命與切削力,高速切削機(jī)理,高速硬切削和切屑形成機(jī)理,鈦合金高速銑削、薄壁件高速銑削精度控制、鋁合金高速銑削表面溫度,高速主軸系統(tǒng)和快速進(jìn)給系統(tǒng),高溫合金的高速切削等進(jìn)行了初步研究并取得了令人鼓舞的成就.近年來,中國航空、汽車、模具等制造行業(yè)都不同程度地開始推廣應(yīng)用高速切削加工技術(shù),模具行業(yè)和航空工業(yè)應(yīng)用較多.“九五”、“十五”期間,中國高速、高效切削機(jī)床基礎(chǔ)理論和數(shù)控技術(shù)的研究水平有了大幅度提高,加工中心主軸轉(zhuǎn)速普遍提高到8000r/min,最高可達(dá)12000r/min,數(shù)控車床的主軸最高轉(zhuǎn)速提高到6000r/min,快速進(jìn)給速度最高達(dá)40m/min,換刀時間減少到1.5s.2005年的北京機(jī)床展覽會CIMT2005以高效率、高精度為主旋律,所展出的國外展品基本都是高速數(shù)控機(jī)床.機(jī)床最高主軸轉(zhuǎn)速普遍從1999年的8000～12000r/min提高到18000～24000r/min.現(xiàn)在加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般為20000～32000r/min,快進(jìn)速度為30～120m/min,換刀時間為3～5s.齒輪機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速也已提高到9000～12000r/min.目前已有主軸最高轉(zhuǎn)速為150000r/min,快速進(jìn)給達(dá)120m/min,換刀時間為0.7～1.5s的坐標(biāo)磨削加工中心.國外高速機(jī)床,轉(zhuǎn)速為20000～150000r/min,主軸功率10～40kW,高速磨床的切削速度達(dá)到120m/s,進(jìn)給工作臺加速度達(dá)25～50m/s2.進(jìn)給速度高達(dá)30～120m/min.超高速切削代表了機(jī)床高效、高精度、高柔性的發(fā)展方向,將越來越成為切削技術(shù)和機(jī)床的發(fā)展主流.4高速加工機(jī)床單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速切削加工的核心研究內(nèi)容主要有:高速切削機(jī)理、高速加工技術(shù)、高速加工用刀具技術(shù)、高速加工工藝技術(shù)以及高速加工測試技術(shù)等,其中高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速加工的前提和基礎(chǔ)條件.性能良好的機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速切削的基礎(chǔ).現(xiàn)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家都把生產(chǎn)高速機(jī)床作為其重要的發(fā)展目標(biāo),高速機(jī)床的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平已經(jīng)成為衡量一個國家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志.高速機(jī)床技術(shù)主要包括高速單元技術(shù)和機(jī)床整機(jī)技術(shù).高速加工機(jī)床能否達(dá)到理想加工狀態(tài),主要取決于高速加工機(jī)床的關(guān)鍵單元.高速加工機(jī)床單元技術(shù)的研究內(nèi)容主要包括:高速主軸單元、高速進(jìn)給系統(tǒng)和高速CNC控制系統(tǒng)等.高速機(jī)床整機(jī)技術(shù)研究內(nèi)容主要包括:機(jī)床床身、冷卻系統(tǒng)、安全措施和加工環(huán)境等.高速切削是以主軸高速化為核心的多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的綜合應(yīng)用,它是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合技術(shù).高速主軸單元和高速進(jìn)給系統(tǒng)的性能將直接影響高速切削的功效,也關(guān)系著高速機(jī)床能否成功.因此對高速主軸單元和高速進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行研究,確定其靜動態(tài)性能,研究其高速機(jī)床性能的影響是非常必要的,也是高速機(jī)床成功設(shè)計(jì)的保障.4.1高速主軸單元的選取高速主軸部件是高速機(jī)床最為關(guān)鍵部件之一,同時高速主軸單元的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高速加工的最關(guān)鍵技術(shù)之一.早期的主軸單元結(jié)構(gòu)簡單,主軸由兩套軸向預(yù)緊的面對面安裝的圓錐滾子軸承來支承,因此具有較大的軸向和徑向承載能力.該種主軸單元的速度性能受到一定的限制,Dn值可以達(dá)到0.6×106mm·r/min.隨著空心圓錐滾子軸承和液壓擋邊圓錐滾子軸承的出現(xiàn),主軸單元的Dn值可以達(dá)到1.5×106mm·r/min,但是生產(chǎn)成本明顯提高.1955年SKF提出了著名的主軸單元支承結(jié)構(gòu),徑向載荷采用內(nèi)錐面雙列圓柱滾子軸承來承受,軸向載荷采用雙向推力角接觸球軸承來承受,Dn值可以達(dá)到1.0×106mm·r/min.進(jìn)入20世紀(jì)80年代,出現(xiàn)了工作端采用三套主軸軸承支承的結(jié)構(gòu),Dn值可以達(dá)到1.8×106mm·r/min,但是主軸支撐剛度有所降低,可以采用多組軸承組合的方法來改善.近年來主軸單元的結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn),Dn值可以達(dá)到2.5×106mm·r/min.目前,國內(nèi)外主軸軸承的結(jié)構(gòu)形式主要有內(nèi)外圈都是單擋邊結(jié)構(gòu)、內(nèi)圈單擋邊結(jié)構(gòu)外圈雙擋邊結(jié)構(gòu).高速軸承采用外圈引導(dǎo)保持架,雙擋圈能夠使保持架受力均衡,有利于轉(zhuǎn)速的提高.在設(shè)計(jì)上普遍采用小直徑球,材料采用氮化硅陶瓷球來提高軸承的速度、剛度和精度性能.與全鋼的軸承相比,陶瓷軸承具有更高的滾動疲勞壽命,Dn值可以超過4.5×106mm·r/min.目前國外超高速機(jī)床主軸軸系一般選用的軸承有:陶瓷球軸承、靜壓軸承、動靜壓軸承、氣浮軸承、磁懸浮軸承.其中陶瓷球軸承的壽命最多也只有數(shù)千小時,這是超高速切削技術(shù)應(yīng)用的一大制約.國產(chǎn)陶瓷球軸承的轉(zhuǎn)速僅達(dá)到20000r/min,且只能承受輕負(fù)載.磁懸浮軸承支撐的電主軸可以在5000～80000r/min的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行上萬小時,但其主軸的支撐剛度較低,難以應(yīng)用于銑削加工.液體動靜壓軸承則擁有動壓軸承和靜壓軸承的優(yōu)點(diǎn),剛度和精度高,其理論壽命為無限長,有較大的應(yīng)用潛力,但目前設(shè)計(jì)的模型多是基于層流、不可壓縮流體、等黏度假設(shè),有很大的局限性.高速主軸潤滑軸承中流體的內(nèi)摩擦功耗使溫度上升.采用低黏度介質(zhì),如水潤滑,使溫升有所改善,但其高速剪切下的熱特性、水的腐蝕作用及高速紊流下氣泡的產(chǎn)生對軸承穩(wěn)定性的影響等問題有待于深入解決,才能形成設(shè)計(jì)制造技術(shù).高速主軸在離心力作用下產(chǎn)生振動和變形,高速運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的摩擦熱和大功率內(nèi)裝電機(jī)產(chǎn)生的熱會引起溫升和熱變形,將直接影響機(jī)床的最終的加工性能,因此必須對其進(jìn)行嚴(yán)格控制.高速主軸單元的類型主要有電主軸、氣動主軸、水動主軸.不同類型的主軸輸出功率相差較大.高速主軸要在極短的時間內(nèi)完成升降速,并在指定的位置快速準(zhǔn)停,這要求主軸具有很高的角加速度.主軸的驅(qū)動如果通過皮帶等中間環(huán)節(jié),不僅會在高速狀態(tài)打滑、產(chǎn)生振動和噪音,而且增加了轉(zhuǎn)動慣量,機(jī)床主軸快速準(zhǔn)停非常困難.高速加工機(jī)床主軸系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上幾乎都是采用交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動的集成結(jié)構(gòu)形式.集成化主軸有兩種形式:一種是通過聯(lián)軸器把電機(jī)與主軸直接聯(lián)接,另一種是把電機(jī)轉(zhuǎn)子和主軸做成一體.目前,多數(shù)高速機(jī)床主軸采用內(nèi)裝式電機(jī)主軸(Build-inMotorSpindle),簡稱“電主軸”.電主軸采用無外殼電機(jī),將帶有冷卻套的電機(jī)定子裝配在主軸單元的殼體內(nèi),轉(zhuǎn)子和機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)部件做成一體,主軸的變速完全通過交流變頻控制實(shí)現(xiàn),將變頻電機(jī)和機(jī)床主軸合二為一.電主軸系統(tǒng)主要包括高速主軸軸承、無外殼主軸電機(jī)及其控制模塊、潤滑冷卻系統(tǒng)、主軸刀柄接口等.電主軸具有如下主要特點(diǎn):(1)電主軸系統(tǒng)取消了高精密齒輪等傳動件,消除了傳動誤差;(2)減小了主軸的振動和噪聲,提高了主軸的回轉(zhuǎn)精度.電動機(jī)內(nèi)置于主軸兩支撐之間,可以較大地提高主軸系統(tǒng)的剛度,也就提高了系統(tǒng)的固有頻率,從而提高了其臨界轉(zhuǎn)速.電主軸可以確保正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速,保證高速回轉(zhuǎn)時的安全;(3)電主軸采用交流變頻調(diào)速和矢量控制,具有輸出功率大、調(diào)速范圍寬和功率-扭矩特性好的特點(diǎn);(4)電主軸機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單,轉(zhuǎn)動慣量小,快速響應(yīng)性好,能實(shí)現(xiàn)很高的速度、加速度和定角度的快速準(zhǔn)停.高速加工的最終目的是為了提高生產(chǎn)率,因此要求主軸在最短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速的速度變化,也就是要求主軸回轉(zhuǎn)時具有極大的角加速度,達(dá)到這個要求最經(jīng)濟(jì)的方法就是采用電主軸.電主軸的主要參數(shù)包括:主軸最高轉(zhuǎn)速和恒功率范圍、主軸的額定功率和最大扭矩、主軸軸承直徑和前后軸承跨距.在高速主軸單元中,由于機(jī)床既要完成粗加工,又要完成精加工,因此對主軸單元提出了較高的靜剛度和工作精度要求.高速機(jī)床主軸單元的動態(tài)性能在很大程度上決定了機(jī)床的加工質(zhì)量和切削能力.國外關(guān)于電主軸的研究開展較早,現(xiàn)已逐漸應(yīng)用到機(jī)械制造業(yè)中.美國福特公司和Ingersoll公司聯(lián)合推出的HVM800臥式加工中心的大功率電主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min,由靜止升至最高轉(zhuǎn)速僅需15s.瑞士DIXI公司生產(chǎn)的WAHLIW50型臥式加工中心,采用電主軸結(jié)構(gòu),主軸轉(zhuǎn)速為30000r/min.日本三井精機(jī)公司生產(chǎn)的HT3A臥式加工中心,采用陶瓷軸承支撐的電主軸,主軸轉(zhuǎn)速達(dá)40000r/min.目前,一些主軸電機(jī)廠商已達(dá)到了提供專門作為電主軸用的電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子,由機(jī)床廠裝配到主軸配件上以實(shí)現(xiàn)高速主軸單元.我國電主軸的研制和開發(fā)始于20世紀(jì)60年代,主要種類是內(nèi)表面磨削電主軸.這種電主軸功率小、剛度低,由于采用無內(nèi)圈式向心推力球軸承,限制了高速電主軸生產(chǎn)的社會化和商品化.70年代后期至80年代,在高速主軸軸承成功開發(fā)的基礎(chǔ)上,研制了高剛度、高速電主軸,被應(yīng)用于各種內(nèi)圓磨床和各個機(jī)械制造領(lǐng)域.我國高速電主軸由磨削用轉(zhuǎn)向銑削用是從20世紀(jì)80年代末開始的,它不僅能加工各種復(fù)雜模具,而且開發(fā)了木工機(jī)械用的風(fēng)冷式高速銑削電主軸,推動了高速電主軸在銑削中的應(yīng)用.此外,食品工業(yè)的固體飲料、染化行業(yè)的染料、醫(yī)藥工業(yè)的藥品等粉狀和粒狀物質(zhì)均需用高速離心干燥技術(shù)來生產(chǎn),而高速離心干燥設(shè)備也需要高速電主軸.高精度硅片切割機(jī)用電主軸,促進(jìn)了電子工業(yè)的設(shè)備更新和進(jìn)步.利用高速電主軸的優(yōu)良性能,還可以開發(fā)多種高性能的試驗(yàn)機(jī).4.2高速切削的目高速機(jī)床必須同時具有高速主軸系統(tǒng)和高速進(jìn)給系統(tǒng),這不僅是為了提高生產(chǎn)率,也是為了達(dá)到高速切削中刀具正常工作的條件,否則會造成刀具急劇磨損,破壞加工工件的表面質(zhì)量.在進(jìn)行高速切削時,為了保證零件的加工精度,隨著機(jī)床轉(zhuǎn)速的提高,進(jìn)給速度也必須大幅度提高,以便保證刀具每齒進(jìn)給量不變;另一方面,由于大多數(shù)零件在機(jī)床上加工的工作行程不長,一般只有幾十毫米到幾百毫米,進(jìn)給系統(tǒng)只有在很短的時間內(nèi)達(dá)到高速和在很短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停才有意義.為了實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給,除了可以繼續(xù)采用經(jīng)過改進(jìn)的滾珠絲杠副外,最近幾年又出現(xiàn)了采用直線電機(jī)驅(qū)動和基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型高速進(jìn)給方式,從結(jié)構(gòu)、性能到總體布局來看,三種方式都有很大的差別,形成了三種截然不同的高速進(jìn)給系統(tǒng).4.2.1滾珠絲杠副傳動的改進(jìn)措施從1958年美國K&T公司生產(chǎn)出世界上第一臺加工中心以來,“旋轉(zhuǎn)電動機(jī)+滾珠絲杠”至今仍然是加工中心和其他數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用的主要形式.滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動,進(jìn)給加速度可以達(dá)到1g,進(jìn)給速度可以達(dá)到40～60m/min,定位精度可以達(dá)到20～25μm.相對于采用直線電機(jī)驅(qū)動的進(jìn)給系統(tǒng),采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動滾珠絲杠的進(jìn)給方案,因?yàn)槭芄ぷ髋_的慣性以及滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)限制,能夠?qū)崿F(xiàn)的進(jìn)給速度和加速度比較小.對于采用滾珠絲杠副的傳動系統(tǒng),為了提高進(jìn)給加速度,可以采取以下措施:(1)加大滾珠絲杠直徑以提高其剛度,且絲杠內(nèi)部做成空心結(jié)構(gòu),這樣可以強(qiáng)制通冷卻液來降低絲杠溫升.高速滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)時,由于摩擦產(chǎn)生溫升,造成絲杠的熱變形,將直接影響高速機(jī)床的加工精度.采用滾珠絲杠強(qiáng)行冷卻技術(shù),對保持滾珠絲杠副溫度的恒定有非常重要的作用.該項(xiàng)措施對于提高大中型滾珠絲杠的性能有非常重要的作用.(2)選用大額定扭矩的伺服電機(jī).為了更加合理地利用伺服電機(jī),采用多頭大導(dǎo)程滾珠絲杠.(3)對于關(guān)鍵軸采用雙伺服電機(jī)和雙滾珠絲杠同步驅(qū)動.另外,為了減小高速下滾珠的自旋速度和公轉(zhuǎn)速度,可以采用小直徑的氮化硅陶瓷球,并且采用特殊樹脂材料造成的保持架把滾珠分離開來,減小滾珠之間的摩擦、碰撞和擠壓,減少絲杠的發(fā)熱和引起的噪聲.也可以采用絲杠固定、螺母旋轉(zhuǎn)的工作方式,避免高速運(yùn)轉(zhuǎn)受臨界轉(zhuǎn)速的限制.改進(jìn)后的滾珠絲杠進(jìn)給速度一般不超過60～80m/min,加速度小于1.5g.它在高速加工中心上的應(yīng)用仍受到一定的限制.采用滾珠絲杠副傳動實(shí)現(xiàn)的高速進(jìn)給系統(tǒng)與采用直線電機(jī)驅(qū)動的進(jìn)給系統(tǒng)相比,可以大幅度降低成本.日本精工已經(jīng)研制出了進(jìn)給速度高達(dá)100m/min的滾珠絲杠.采取的改進(jìn)措施主要有采用16～32mm大導(dǎo)程,提高滾珠循環(huán)部分零件質(zhì)量,采用多頭螺紋以增加有效圈數(shù),改進(jìn)滾道形狀等.從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給系統(tǒng)的高速、高剛度以及高承載能力.4.2.2直線電機(jī)的使用直線電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)了無接觸直接驅(qū)動,避免了滾珠絲杠、齒輪和齒條傳動中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛度不足等缺點(diǎn),可獲得高精度的高速移動,并具有極好的穩(wěn)定性.直線電機(jī)的實(shí)質(zhì)是把旋轉(zhuǎn)電機(jī)徑向剖切開,然后拉直演變而成.直線電機(jī)的轉(zhuǎn)子和工作臺固定聯(lián)結(jié),定子則安裝在機(jī)床床身上,在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中采用直線電機(jī)后可以把機(jī)床進(jìn)給傳動鏈的長度縮短為零,從而實(shí)現(xiàn)所謂的“零傳動”.從1845年CharlesWheastone發(fā)明世界上第一臺直線電機(jī)以來,直線電機(jī)在運(yùn)輸機(jī)械、儀器儀表、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備以及磁懸浮列車等各行各業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用.國外第一個采用直線電機(jī)的數(shù)控機(jī)床是1993年德國Ex-cell-O公司在漢諾威機(jī)床博覽會上展出的HSC240高速加工中心,該加工中心采用了德國Indramat公司開發(fā)成功的感應(yīng)式直線驅(qū)動電機(jī),最高的進(jìn)給速度可以達(dá)到60m/min,進(jìn)給加速度可以達(dá)到1g.美國Ingersoll公司在其生產(chǎn)的HVM8加工中心的三個移動坐標(biāo)軸的驅(qū)動上使用了永磁式直線電機(jī),進(jìn)給最高速度達(dá)76.2m/min,進(jìn)給加速度達(dá)(1～1.5)g.意大利Vigolzone公司生產(chǎn)的高速臥式加工中心,三軸采用直線電機(jī),三軸的進(jìn)給速度均達(dá)到70m/min,加速度達(dá)到1g.在CIM’97上德國西門子公司曾作了120m/min直線電機(jī)高速進(jìn)給表演,該公司直線電機(jī)最大的進(jìn)給速度可達(dá)200m/min,最大推力可達(dá)6600N,最大位移為504mm.目前直線電機(jī)加速度可達(dá)2.5g以上,進(jìn)給速度輕而易舉就可以達(dá)到160m/min以上,定位精度高達(dá)0.5～0.05μm.使用直線電機(jī)驅(qū)動具有如下的優(yōu)點(diǎn):(1)快速響應(yīng)(2)殼體的剛性(3)高度定位(4)進(jìn)給速度快，減速速度(5)直線電機(jī)的缺陷直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)本身也存在著一些不利因素,如直線電機(jī)的磁場是敞開的,尤其是采用永磁式直線電機(jī)時,要在機(jī)床床身上安裝一排磁力強(qiáng)大的永久磁鐵.因此必須采取適當(dāng)?shù)母舸糯胧?否則對其磁場周圍的灰塵和切屑有吸收作用.與同容量的旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比,直線電機(jī)的效率和功率因數(shù)要低,尤其在低速時比較明顯,但從整個裝置和系統(tǒng)來看,由于采用直線電機(jī)后省去中間傳動裝置,系統(tǒng)的效率有時還是比采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的高.另外,直線電機(jī)特別是直線感應(yīng)電動機(jī)的起動推力受電源電壓的影響較大,故需要采取有關(guān)措施保證電源的穩(wěn)定或改變電機(jī)的有關(guān)特性來減小或消除這種影響.雖然采用直線電機(jī)驅(qū)動的數(shù)控機(jī)床需要解決如上問題,但是目前在加速度大于1g的情況下,直線電機(jī)仍是唯一的選擇.4.2.3串聯(lián)虛擬軸結(jié)構(gòu)機(jī)床的特點(diǎn)傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)一般都是由床身、工作臺、立柱、導(dǎo)軌、主軸箱等部件串聯(lián)而成的非對稱的布局,因此機(jī)床結(jié)構(gòu)不但要承受拉壓載荷,而且還要承受彎扭載荷.為了保證機(jī)床的整體剛度,只能采用結(jié)構(gòu)比較笨重的支撐部件和運(yùn)動部件,這不但要消耗大量的材料和能源,也制約了機(jī)床進(jìn)給速度和加速度的進(jìn)一步提高.刀具和工件之間的相對運(yùn)動誤差是由各坐標(biāo)軸運(yùn)動誤差線性疊加而成,機(jī)床結(jié)構(gòu)的非對稱還導(dǎo)致受力和受熱的不均勻,這些都影響機(jī)床的加工精度.為了克服傳統(tǒng)機(jī)床布局上固有的缺陷,滿足高速加工的要求,近年來出現(xiàn)了一種全新概念的機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)——并聯(lián)虛擬軸結(jié)構(gòu),它的基本工作原理是建立在1964年由英國人Steward設(shè)計(jì)并獲得專利的六桿結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,一般稱為Steward平臺.具有這種進(jìn)給機(jī)構(gòu)的機(jī)床也被稱為并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床.1994年在芝加哥國際機(jī)床博覽會上,首次展出了由這種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的多坐標(biāo)進(jìn)給運(yùn)動的數(shù)控機(jī)床和加工中心,引起國際機(jī)床界的轟動,被認(rèn)為是機(jī)床結(jié)構(gòu)的重大革命.和傳統(tǒng)的串聯(lián)式機(jī)床比,并聯(lián)機(jī)床具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)它比剛度高(2)快速啟動(3)復(fù)合滾動軸承機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給的一種嶄新的運(yùn)動機(jī)構(gòu),有非常好的應(yīng)用前景.但是由于并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)上的限制,其在應(yīng)用過程中也存在一定的問題,比如有效的工作空間比較小,六軸完全并聯(lián)的機(jī)床運(yùn)動范圍很小,很難同時實(shí)現(xiàn)立臥加工,做出的機(jī)床往往體積大而實(shí)用的工作空間小,這是六桿機(jī)床發(fā)展初期普遍存在的問題.近年來各個國家都在大力發(fā)展混聯(lián)機(jī)床,這種結(jié)構(gòu)機(jī)床可以在很大程度上解決工作空間小的問題.并聯(lián)機(jī)床另一個比較嚴(yán)重的問題是加工精度不高,其原因主要有桿件熱變形以及鉸關(guān)節(jié)制造精度的提高十分困難.研究開發(fā)結(jié)構(gòu)尺寸小、承載能力強(qiáng)、精度高的復(fù)合滾動關(guān)節(jié)部件是發(fā)展并聯(lián)機(jī)床的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)問題.并聯(lián)機(jī)床的數(shù)控編程和誤差補(bǔ)償比較復(fù)雜,并聯(lián)機(jī)床的自動編程,特別是自動補(bǔ)償?shù)碾y度和工作量都是比較重要和困難的工作.4.3高速響應(yīng)特性的要求高速加工機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和進(jìn)給加減速非常高,因此對高速加工機(jī)床的控制系統(tǒng)提出了更高的要求.用于高速切削的數(shù)控裝置必須具備很高的運(yùn)算速度和精度.采用快速響應(yīng)的伺服控制,以滿足復(fù)雜型腔的高速度加工要求.目前,主軸電機(jī)仍然是采用矢量控制技術(shù)的變頻調(diào)速交流電機(jī),但必須優(yōu)化現(xiàn)有的技術(shù),如采用性能更好的半導(dǎo)體器件和處理速度更高的處理器,以及進(jìn)一步優(yōu)化矢量控制技術(shù).在高速機(jī)床中使用的主軸數(shù)字控制系統(tǒng)和數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng),應(yīng)具有高速響應(yīng)特征.對于主軸單元控制系統(tǒng),不僅要求控制主軸電機(jī)時有很高的快速響應(yīng)特性,而且要求主軸支承系統(tǒng)也應(yīng)該有很好的動態(tài)響應(yīng)特性.采用液壓或磁懸浮軸承時,要能夠根據(jù)不同的加工材料、不同的刀具材料,以及加工過程的動態(tài)變化自動調(diào)整相關(guān)參數(shù).加工精度檢測裝置應(yīng)選用具有高跟蹤特性和分辨率的檢測組件.在高速加工中,輸入的控制程序一般仍是標(biāo)準(zhǔn)ISONC代碼.但在高速條件下,傳統(tǒng)的NC程序存在很多問題,諸如應(yīng)采用特殊的編程方法,使切削數(shù)據(jù)適合高速主軸的功率特征曲線的問題;如何解決高速加工時CAD/CAM高速通信時的可靠性問題等.4.4高速切削刀具對于高速旋轉(zhuǎn)類刀具來說,刀具結(jié)構(gòu)的安全性和動平衡精度是至關(guān)重要的.當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過10000r/min時,一方面由于離心力的作用,使主軸傳統(tǒng)的7:24錐度產(chǎn)生擴(kuò)張,刀具的定位精度和連接剛性下降,甚至發(fā)生連接部的咬合現(xiàn)象;另一方面常用的刀片夾緊機(jī)構(gòu)的可靠性下降,刀具整體不平衡量的影響加強(qiáng).為了滿足高速機(jī)床的加工要求,德國開發(fā)出HSK連接方式,對刀具進(jìn)行高等級平衡以及主軸自動平衡的系統(tǒng)技術(shù).HSK連接方式能夠保證在高旋轉(zhuǎn)的情況下具有很高的接觸剛度,夾緊可靠且重復(fù)定位精度高.主軸自動平衡系統(tǒng)能把由刀具殘余不平衡和配合誤差引起的振動降低90%以上.近幾年開發(fā)了不少適合于高速切削的刀具,采用強(qiáng)度高的刀體材料和零件少、簡單、安全的刀體結(jié)構(gòu),同時具有較短切削刃,較大刀尖角、較強(qiáng)斷層能力和經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的切削幾何角度.高速切削加工要求刀具材料與被加工材料的化學(xué)親合力要小,并具有優(yōu)異的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、抗沖擊和耐磨損.隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展,刀具技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展,許多適應(yīng)高速切削刀具的結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn),促進(jìn)高速切削技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用.目前用于高速加工的刀具材料主要包括金剛石(PCD)、立方氮化硼(PCBN)、陶瓷刀具、TiC(N)基硬質(zhì)合金(金屬陶瓷)、硬質(zhì)合金涂層刀具和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具等,它們各有特點(diǎn),適于加工的工件材料范圍也不同.PCD刀具包括金剛石復(fù)合刀片和金剛石涂層刀具,主要用于有色金屬和非金屬的超高速加工,但由于價格昂貴又不能加工鋼、鐵等黑色金屬致使其高速加工的應(yīng)用受到很大的限制.立方氮化硼(PCBN)刀具可分為整體PCBN刀片、單面PCBN復(fù)合刀片和單刃PCBN復(fù)合刀片,根據(jù)PCBN含量及黏結(jié)劑的不同,可用于鑄鐵、淬硬鋼、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金以及某些高溫合金的高速加工,并可實(shí)現(xiàn)“以車代磨”、“以銑代拋”的高速干切削和硬切削,是目前比較理想的高速切削刀具材料,但PCBN刀具不適于加工鐵素體材料,成本也很高.陶瓷刀具主要有Al2O3基、Si3N4基以及Sialon三大類,具有很高的硬度、耐磨性、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性,也是一種比較理想的高速硬切削刀具材料,但其強(qiáng)度、韌性及抗熱震性較差,在高速加工中容易發(fā)生破損.刀具的發(fā)展主要集中在以下兩個方面:一是研制新的鍍膜材料和鍍膜方法,以提高刀具的抗磨損性;二是開發(fā)新型的高速切削刀具,特別是那些形狀比較復(fù)雜的刀具.4.5計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)機(jī)床支撐技術(shù)主要指機(jī)床的支撐構(gòu)件的設(shè)計(jì)及制造技術(shù).高速機(jī)床設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何在降低運(yùn)動部件慣量的同時,保持基礎(chǔ)支撐部件的高靜剛度、動剛度和熱剛度.通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),特別是應(yīng)用有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)理論,能獲得質(zhì)量輕、剛度高的機(jī)床床身、立柱和工作臺結(jié)構(gòu).對精密高速機(jī)床,國內(nèi)外有的采用聚合物混凝土來制造床身和立柱,也有的將立柱和底座采用鑄鐵整體鑄造而成,還有的采用鋼板焊接件,并將阻尼材料填充其內(nèi)腔以提高抗振性,均取得了很好的效果.4.6.2.2基于小流量的切削液和高速噴射的切屑處理輔助單元技術(shù)包括快速工件裝夾、安全裝置、高效冷卻潤滑液過濾、切屑處理和工件清潔等技術(shù).高速切削會產(chǎn)生大量的切屑,這需要高效的切屑處理和清除裝置.高壓大流量的切削液不但可以冷卻機(jī)床的加工區(qū),而且還是一種行之有效的清除切屑的方法,但它會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染.使用切削液并不是對任何場合的高速切削都適用.機(jī)床部件的高速運(yùn)動、大量高速流出的切屑及高速噴射的切削液等都要求高速機(jī)床有一個足夠大的密封工作室.工作室的倉壁一定要能吸收噴射的能量.防護(hù)裝置必須有靈活的控制系統(tǒng),以保證操作人員在不直接接觸切削區(qū)情況下的操作安全.4.7刀具表面織構(gòu)與加工工藝的關(guān)系高速切削加工過程的熱-力耦合不均勻強(qiáng)應(yīng)力場中的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制、切削變形規(guī)律;切削加工過程中的力學(xué)與傳熱學(xué)行為,熱-力耦合不均勻強(qiáng)場模型;刀具與工件之間的摩擦學(xué)行為,及其與刀具磨損、破損規(guī)律和刀具壽命之間的關(guān)系;加工表面質(zhì)量的形成機(jī)理、加工精度及其與切削條件之間的關(guān)系;“機(jī)床-刀具-工件-夾具”高速切削系統(tǒng)的動力學(xué)特性與穩(wěn)定性及其對加工變形以及直接影響刀具壽命和加工表面質(zhì)量影響規(guī)律.5高速切削加工是一種新產(chǎn)品,主要是一個跨因?yàn)楹娇展I(yè)中多數(shù)零件都是從原材料中切除80%的多余材料而制成,所以高速加工技術(shù)首先在航空航天工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用.如今在汽車工業(yè)和模具工業(yè)中越來越多地采用高速加工.例如用小直徑立銑刀對模具型腔進(jìn)行高速銑削,因?yàn)樾矢?、精度高和表面光潔度?故可省去后續(xù)的電加工和手工研磨等工序,大大加快了新產(chǎn)品的開發(fā)周期.軍事