沈瀟機械13-4高速切削機床2/5/20232

引言實現高速切削的最關鍵技術是研究開發(fā)性能優(yōu)良的高速切削機床，自20世紀80年代中期以來，開發(fā)高速切削機床便成為國際機床工業(yè)技術發(fā)展的主流。高速切削機床是實現高速切削加工的必備的物質基礎,具有高速、高效、高精度和高自動化的鮮明特點,其中高速銑床、加工中心尤為突出。它是一個集光機電和計算機技術于一體的高科技產品,是衡量一個國家制造業(yè)技術水平的核心標志,對一個國家的經濟、科技及國防事業(yè)具有重大的影響。近年來,發(fā)達國家集了大量的人力物力進行研究和開發(fā),取得了長足的進步2/5/20233

高速切削機床的起源20世紀30年代，最先由德國CarlSalomon博士首次提出的有關高速切削的概念。50年代后期開始，高速切削的試驗又開始進入各種試驗研究，高速切削的機理開始被科學家們所認識。Roeders公司以其200年模具制造經驗,在1989年德國Roeders首先完成世界第一臺高速加工中心,并提供技術數據予瑞士Mikron合作生產高速加工中心,直至1994年雙方因維修服務問題終止合作,Roeders開始生產自己品牌高速機床,提供優(yōu)質支持服務予世界廣大客戶。2/5/20234高速切削機床的現狀(1)國外。日本、美國、德國和意大利等廠商現已成為世界上高速機床的主要提供者。目前國際上提供高速加工中心和NC機床設備的主要廠商，其代表性產品主要技術性能參數所能達到的水平比較如表1所示。2/5/202352/5/20236高速切削機床的現狀(2)國內。目前國內幾個主要廠家依靠自己的科研能力或通過引進先進技術生產的高速機床，其主要參數指標如表2所示。2/5/20238高速切削機床的優(yōu)點(1)提高生產率：由于切削速度和進給速度都得到提高,即提高了單位時間的切削容積，相應也縮短了切削時間、提高了生產率(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工藝的獨特優(yōu)點。HSC工藝所帶來的好處是對那些薄壁形、細長形及剛性弱的零件的切削十分有利,另外,也有利于解決刀具磨損,機床(3)振動小HSC的激振頻率非常高,遠離工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍,因此有可能在“無振動”的條件下加工,這將使加工精度大大提高,同時加工質量也容易得到保證。據當時聯邦德國的資料報道:他們的HSC銑削表面已近似達到磨削的質量。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。2/5/20239高速切削機床具備的要素排屑冷卻安全高速主軸進給系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)床體結構換刀裝置熱態(tài)特性和靜、動態(tài)特性數控系統(tǒng)CNC2/5/202310高速主軸高速主軸是高速切削機床的核心部件，隨著對主軸轉速要求的不斷提高，傳統(tǒng)的齒輪——皮帶變速傳動系統(tǒng)由于本身的振動、噪音等原因已不能適應要求，取而代之的是一種新穎的功能部件——電主軸，它將主軸電機與機床主軸合二為一，實現了主軸電機與機床主軸的一體化電主軸技術與電機變頻、閉環(huán)矢量控制、交流伺服控制等技術相結合，可以滿足車削、銑削、鏜削、鉆削、磨削等金屬切削加工的需要。采用高速加工技術可以解決機械產品制造中的諸多難題，取得特殊的加工精度和表面質量，因此這項技術在各類裝備制造業(yè)中得到越來越廣泛的應用，正在成為當今金切加工的主流技術。高精度、高轉速數控機床主軸單元是承載高速切削技術的主體之一，是高精度、高效率高檔數控機床的核心功能部件，是航空航天、汽車、船舶、精密模具、精密機械等尖端產品制造領域所需高檔加工母機的核心部件。目前國內外電主軸技術的發(fā)展十分迅速，各生產廠商都在高可靠性、節(jié)能性、高精度、高加工效率、環(huán)保性、智能化等方面進行持續(xù)的科技攻關，以期形成自身的特色，占領電主軸技術發(fā)展的制高點2/5/202311高速主軸的優(yōu)點（1）功率大、轉速高。目前單獨實現電主軸的高轉速或大功率在技術上已經不存在難題，但要同時實現高轉速和大功率，則存在相當的技術難度。圍繞高速電主軸技術，世界各國的公司展開了激烈競爭。（2）采用高速高剛度軸承。國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靜壓軸承，特殊場合采用空氣潤滑軸承和磁懸浮軸承。美國Ingersoll公司采用液體動靜壓軸承，最高轉速達到40000r／min；瑞士

IBAG公司磁懸浮軸承最高200000r／min。目前國內高速電主軸用軸承主要采用國產的鋼質角接觸球軸承，但壽命有待進一步提高。部分高性能電主軸，仍需進口軸承。2/5/202312高速主軸的優(yōu)點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轉時的回轉精度和剛度，這些數控機床的關鍵零件必須進行精密加工或超精密加工，其尺寸誤差一般在微米級或更??；對同軸度、垂直度和表面粗糙度也都有極嚴格的要求［11］。為了制造這些高精度零件，國外電主軸的專業(yè)制造廠都裝備有成套的高精度加工設備，如高精度數控車削中心、精密數控外圓磨床、高精度加工中心、高精度數控內圓磨床等，同時還配備了高精度測試設備。在國內，如陶瓷軸承、異步型電動機轉子等電主軸的關鍵零件制造中的關鍵問題還沒有得到很好的解決，影響了數控機床的制造水平。（4）配套控制系統(tǒng)水平。這些控制系統(tǒng)包括轉子自動平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補償精密控制系統(tǒng)等。例如，瑞士Fischer公司和德國Hofmann公司生產電主軸配套的在線自動平衡系統(tǒng)，可以在線自動校正偏心，大幅度降低電主軸高速運行情況下的振動；SKF公司和NSK公司生產的軸承油氣潤滑系統(tǒng)，可以通過定時定量控制進氣量保證軸承的潤滑和溫升控制在正常水平2/5/202313伺服系統(tǒng)按照伺服系統(tǒng)的控制方式，可以把數控系統(tǒng)分為以下幾類：⑴開環(huán)控制數控系統(tǒng)這類數控系統(tǒng)不帶檢測裝置，也無反饋電路，以步進電動機為驅動元件。CNC裝置輸出的進給指令（多為脈沖接口）經驅動電路進行功率放大，轉換為控制步進電動機各定子繞組依此通電/斷電的電流脈沖信號，驅動步進電動機轉動，再經機床傳動機構（齒輪箱，絲杠等）帶動工作臺移動。這種方式控制簡單，價格比較低廉，從70年代開始，被廣泛應用于經濟型數控機床中。⑵半閉環(huán)控制數控系統(tǒng)位置檢測元件被安裝在電動機軸端或絲杠軸端，通過角位移的測量間接計算出機床工作臺的實際運行位置（直線位移），由于閉環(huán)的環(huán)路內不包括絲杠、螺母副及機床工作臺這些大慣性環(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)控制數控系統(tǒng)，但其調試方便，成本適中，可以獲得比較穩(wěn)定的控制特性，因此在實際應用中，這種方式被廣泛采用。2/5/202314伺服系統(tǒng)⑶全閉環(huán)控制數控系統(tǒng)位置檢測裝置安裝在機床工作臺上，用以檢測機床工作臺的實際運行位置（直線位移），并將其與CNC裝置計算出的指令位置（或位移）相比較，用差值進行調節(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、螺母副及機床工作臺這些連接環(huán)節(jié)放在閉環(huán)內，導致整個系統(tǒng)連接剛度變差，因此調試時，其系統(tǒng)較難達到高增益，即容易產生振蕩。。2/5/202315伺服系統(tǒng)1直線電機伺服系統(tǒng),直線電機是使電能直接轉變成直線機械運動的一種推力裝置，將機床進給傳動鏈的長度縮短為零，它的動態(tài)響應性能敏捷、傳動剛度高、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滾珠絲杠驅動裝置,滾珠絲杠仍是高速伺服系統(tǒng)的主要驅動裝置，用AC伺服電機直接驅動，并采用液壓軸承，進給速度可達40~60m/min，其加速度可超過0.6g，成本較低，僅為直線電機的1/2.5。滾珠絲杠分為內循環(huán)和外循環(huán)兩種。特點：(1)滑動絲杠副和驅動力相比1/3(2)高精度的保證(3)微進給可能(4)無側隙、剛性高(5)高速進給可能直線電機伺服系統(tǒng)2/5/202318高效的冷卻系統(tǒng)高速切削中機床的主軸、滾珠絲杠、導軌等產生大量的熱，如不進行有效的冷卻，將會嚴重影響機床的精度。大多采用強力高壓、高效的冷卻系統(tǒng)，使用溫控循環(huán)水或其他介質來冷卻主軸電動機、主軸軸承、滾珠絲杠、直線電動機、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，對機床主軸、刀具和工件進行冷卻。日本日立精機公司研制開發(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。為了避免導軌受溫升的影響，日立公司和軸承商聯合研制出Eeo-Eeo的導軌潤滑脂，該潤滑脂潤滑和冷卻效果好，無有害物質，能進行自動潤滑及不需專用設備等特點。日立精機機床公司VS系列CNC高速銑就采用此潤滑脂，具有良好的使用及經濟效果。2/5/202319數控系統(tǒng)CNC數字控制系統(tǒng)簡稱，英文名稱為NumericalControlSystem，早期是與計算機并行發(fā)展演化的，用于控制自動化加工設備的，由電子管和繼電器等硬件構成具有計算能力的專用控制器的稱為硬件數控（HardNC）。20世紀70年代以后，分離的硬件電子元件逐步由集成度更高的計算機處理器代替，稱為計算機數控系統(tǒng)。計算機數控（Computerizednumericalcontrol，簡稱CNC）系統(tǒng)是用計算機控制加工功能，實現數值控制的系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)根據計算機存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數值控制功能，并配有接口電路和伺服驅動裝置，用于控制自動化加工設備的專用計算機系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)由數控程序存儲裝置（從早期的紙帶到磁環(huán)，到磁帶、磁盤到計算機通用的硬盤）、計算機控制主機（從專用計算機進化到PC體系結構的計算機）、可編程邏輯控制器（PLC）、主軸驅動裝置和進給（伺服）驅動裝置（包括檢測裝置）等組成。由于逐步使用通用計算機，數控系統(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，易于實現復雜的數控功能，使用、維護也方便，并具有與網絡連接及進行遠程通信的功能。2/5/202320世界上的數控系統(tǒng)種類繁多，形式各異，組成結構上都有各自的特點。這些結構特點來源于系統(tǒng)初始設計的基本要求和硬件和軟件的工程設計思路。對于不同的生產廠家來說，基于歷史發(fā)展因素以及各自因地而異的復雜因素的影響，在設計思想上也可能各有千秋。例如，在上世界90年代，美國Dynapath系統(tǒng)采用小板結構，熱變形小，便于板子更換和靈活結合，而日本FANUC系統(tǒng)則趨向大板結構，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成是十分相似的。一般整個數控系統(tǒng)由三大部分組成，即控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)和位置測量系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)硬件是一個具有輸入輸出功能的專用計算機系統(tǒng)，按加工工件程序進