高速切削加工的優(yōu)勢

1高速切削加工的定義高速機械零件的概念可以追溯到20世紀20年代末，德國丘姆j.saloon博士進行了著名的高速機械零件模型試驗。1931年4月，著名的高速機械零件理論發(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，切割加工也無法進行。然而，如果切割速度進一步提高，超過此速度范圍，切割速度將降低，切割強度將降低。他認為，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,以刀具夾持裝置達到平衡要求時的速度來定義高速切削加工.根據(jù)ISO1940標準,主軸轉(zhuǎn)速高于8000r/min為高速切削加工.(3)德國Darmstadt工業(yè)大學生產(chǎn)工程與機床研究所(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)計的觀點,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(5～2000)×105mm·r/min時為高速切削加工.(5)從刀具和主軸的動力學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)用機械,這些機械幾乎沒有不經(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、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)濟效益.高速切削加工技術(shù)為機械制造企業(yè)快速響應(yīng)市場信息提供了強有力的支持,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,其切削機理與常規(guī)切削不同.由于切削機理的改變,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床的生產(chǎn)率.(4)加工精度高.由于高切削速度和高進給率,使機床的激振頻率遠高于“機床-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超高速切削是機床發(fā)展的主流根據(jù)Salomon的高速切削理論,當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、高進給速度與加速度為主要特征.美國于1960年前后開始進行超高速切削試驗,試驗將刀具裝在農(nóng)炮里,從滑臺上射向工件,或?qū)⒐ぜ斪髯訌椛湎蚬潭ǖ牡毒?1977年,在一臺帶有高頻電主軸的加工中心上進行了高速切削試驗.1984年,德國國家研究技術(shù)部組織了以Darmstadt工業(yè)大學的生產(chǎn)工程與機床研究所和41家公司參加的兩項聯(lián)合研究計劃,全面、系統(tǒng)地研究了超高速切削機床、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)濟效益.日本于20世紀60年代就著手超高速切削機理的研究,日本學者發(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80年代以來對高速切削刀具壽命與切削力,高速切削機理,高速硬切削和切屑形成機理,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)和快速進給系統(tǒng),高溫合金的高速切削等進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12000r/min,數(shù)控車床的主軸最高轉(zhuǎn)速提高到6000r/min,快速進給速度最高達40m/min,換刀時間減少到1.5s.2005年的北京機床展覽會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)控機床.機床最高主軸轉(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,快進速度為30～120m/min,換刀時間為3～5s.齒輪機床的主軸轉(zhuǎn)速也已提高到9000～12000r/min.目前已有主軸最高轉(zhuǎn)速為150000r/min,快速進給達120m/min,換刀時間為0.7～1.5s的坐標磨削加工中心.國外高速機床,轉(zhuǎn)速為20000～150000r/min,主軸功率10～40kW,高速磨床的切削速度達到120m/s,進給工作臺加速度達25～50m/s2.進給速度高達30～120m/min.超高速切削代表了機床高效、高精度、高柔性的發(fā)展方向,將越來越成為切削技術(shù)和機床的發(fā)展主流.4高速加工機床單元技術(shù)實現(xiàn)高速切削加工的核心研究內(nèi)容主要有:高速切削機理、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,其中高速機床是實現(xiàn)高速加工的前提和基礎(chǔ)條件.性能良好的機床是實現(xiàn)高速切削的基礎(chǔ).現(xiàn)在工業(yè)發(fā)達國家都把生產(chǎn)高速機床作為其重要的發(fā)展目標,高速機床的生產(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)水平的重要標志.高速機床技術(shù)主要包括高速單元技術(shù)和機床整機技術(shù).高速加工機床能否達到理想加工狀態(tài),主要取決于高速加工機床的關(guān)鍵單元.高速加工機床單元技術(shù)的研究內(nèi)容主要包括:高速主軸單元、高速進給系統(tǒng)和高速CNC控制系統(tǒng)等.高速機床整機技術(shù)研究內(nèi)容主要包括:機床床身、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先進技術(shù)的綜合應(yīng)用,它是一項復(fù)雜的綜合技術(shù).高速主軸單元和高速進給系統(tǒng)的性能將直接影響高速切削的功效,也關(guān)系著高速機床能否成功.因此對高速主軸單元和高速進給系統(tǒng)進行研究,確定其靜動態(tài)性能,研究其高速機床性能的影響是非常必要的,也是高速機床成功設(shè)計的保障.4.1高速主軸單元的選取高速主軸部件是高速機床最為關(guān)鍵部件之一,同時高速主軸單元的設(shè)計是實現(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值可以達到1.0×106mm·r/min.進入20世紀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,Dn值可以達到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)速僅達到20000r/min,且只能承受輕負載.磁懸浮軸承支撐的電主軸可以在5000～80000r/min的轉(zhuǎn)速下運行上萬小時,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,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,高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的摩擦熱和大功率內(nèi)裝電機產(chǎn)生的熱會引起溫升和熱變形,將直接影響機床的最終的加工性能,因此必須對其進行嚴格控制.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,機床主軸快速準停非常困難.高速加工機床主軸系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上幾乎都是采用交流伺服電機直接驅(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)軸器把電機與主軸直接聯(lián)接,另一種是把電機轉(zhuǎn)子和主軸做成一體.目前,多數(shù)高速機床主軸采用內(nèi)裝式電機主軸(Build-inMotorSpindle),簡稱“電主軸”.電主軸采用無外殼電機,將帶有冷卻套的電機定子裝配在主軸單元的殼體內(nèi),轉(zhuǎn)子和機床主軸的旋轉(zhuǎn)部件做成一體,主軸的變速完全通過交流變頻控制實現(xiàn),將變頻電機和機床主軸合二為一.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:(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;(4)電主軸機械結(jié)構(gòu)簡單,轉(zhuǎn)動慣量小,快速響應(yīng)性好,能實現(xiàn)很高的速度、加速度和定角度的快速準停.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,達到這個要求最經(jīng)濟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.高速機床主軸單元的動態(tài)性能在很大程度上決定了機床的加工質(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40000r/min.目前,一些主軸電機廠商已達到了提供專門作為電主軸用的電機定子和轉(zhuǎn)子,由機床廠裝配到主軸配件上以實現(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)了木工機械用的風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.高精度硅片切割機用電主軸,促進了電子工業(yè)的設(shè)備更新和進步.利用高速電主軸的優(yōu)良性能,還可以開發(fā)多種高性能的試驗機.4.2高速切削的目高速機床必須同時具有高速主軸系統(tǒng)和高速進給系統(tǒng),這不僅是為了提高生產(chǎn)率,也是為了達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.在進行高速切削時,為了保證零件的加工精度,隨著機床轉(zhuǎn)速的提高,進給速度也必須大幅度提高,以便保證刀具每齒進給量不變;另一方面,由于大多數(shù)零件在機床上加工的工作行程不長,一般只有幾十毫米到幾百毫米,進給系統(tǒng)只有在很短的時間內(nèi)達到高速和在很短的時間內(nèi)實現(xiàn)準停才有意義.為了實現(xiàn)高速進給,除了可以繼續(xù)采用經(jīng)過改進的滾珠絲杠副外,最近幾年又出現(xiàn)了采用直線電機驅(qū)動和基于并聯(lián)機構(gòu)的新型高速進給方式,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給系統(tǒng).4.2.1滾珠絲杠副傳動的改進措施從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+滾珠絲杠”至今仍然是加工中心和其他數(shù)控機床進給系統(tǒng)采用的主要形式.滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)采用交流伺服電機驅(qū)動,進給加速度可以達到1g,進給速度可以達到40～60m/min,定位精度可以達到20～25μm.相對于采用直線電機驅(qū)動的進給系統(tǒng),采用旋轉(zhuǎn)電機帶動滾珠絲杠的進給方案,因為受工作臺的慣性以及滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)限制,能夠?qū)崿F(xiàn)的進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),這樣可以強制通冷卻液來降低絲杠溫升.高速滾珠絲杠在運轉(zhuǎn)時,由于摩擦產(chǎn)生溫升,造成絲杠的熱變形,將直接影響高速機床的加工精度.采用滾珠絲杠強行冷卻技術(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.為了更加合理地利用伺服電機,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,避免高速運轉(zhuǎn)受臨界轉(zhuǎn)速的限制.改進后的滾珠絲杠進給速度一般不超過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現(xiàn)的高速進給系統(tǒng)與采用直線電機驅(qū)動的進給系統(tǒng)相比,可以大幅度降低成本.日本精工已經(jīng)研制出了進給速度高達100m/min的滾珠絲杠.采取的改進措施主要有采用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),改進滾道形狀等.從而實現(xiàn)了進給系統(tǒng)的高速、高剛度以及高承載能力.4.2.2直線電機的使用直線電機驅(qū)動實現(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,可獲得高精度的高速移動,并具有極好的穩(wěn)定性.直線電機的實質(zhì)是把旋轉(zhuǎn)電機徑向剖切開,然后拉直演變而成.直線電機的轉(zhuǎn)子和工作臺固定聯(lián)結(jié),定子則安裝在機床床身上,在機床進給系統(tǒng)中采用直線電機后可以把機床進給傳動鏈的長度縮短為零,從而實現(xiàn)所謂的“零傳動”.從1845年CharlesWheastone發(fā)明世界上第一臺直線電機以來,直線電機在運輸機械、儀器儀表、計算機外部設(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的數(shù)控機床是1993年德國Ex-cell-O公司在漢諾威機床博覽會上展出的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,最高的進給速度可以達到60m/min,進給加速度可以達到1g.美國Ingersoll公司在其生產(chǎn)的HVM8加工中心的三個移動坐標軸的驅(qū)動上使用了永磁式直線電機,進給最高速度達76.2m/min,進給加速度達(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,三軸的進給速度均達到70m/min,加速度達到1g.在CIM’97上德國西門子公司曾作了120m/min直線電機高速進給表演,該公司直線電機最大的進給速度可達200m/min,最大推力可達6600N,最大位移為504mm.目前直線電機加速度可達2.5g以上,進給速度輕而易舉就可以達到160m/min以上,定位精度高達0.5～0.05μm.使用直線電機驅(qū)動具有如下的優(yōu)點:(1)快速響應(yīng)(2)殼體的剛性(3)高度定位(4)進給速度快，減速速度(5)直線電機的缺陷直線電機的結(jié)構(gòu)本身也存在著一些不利因素,如直線電機的磁場是敞開的,尤其是采用永磁式直線電機時,要在機床床身上安裝一排磁力強大的永久磁鐵.因此必須采取適當?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)電機相比,直線電機的效率和功率因數(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)電機的高.另外,直線電機特別是直線感應(yīng)電動機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)定或改變電機的有關(guān)特性來減小或消除這種影響.雖然采用直線電機驅(qū)動的數(shù)控機床需要解決如上問題,但是目前在加速度大于1g的情況下,直線電機仍是唯一的選擇.4.2.3串聯(lián)虛擬軸結(jié)構(gòu)機床的特點傳統(tǒng)機床的結(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動部件,這不但要消耗大量的材料和能源,也制約了機床進給速度和加速度的進一步提高.刀具和工件之間的相對運動誤差是由各坐標軸運動誤差線性疊加而成,機床結(jié)構(gòu)的非對稱還導(dǎo)致受力和受熱的不均勻,這些都影響機床的加工精度.為了克服傳統(tǒng)機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床進給機構(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.具有這種進給機構(gòu)的機床也被稱為并聯(lián)運動機床.1994年在芝加哥國際機床博覽會上,首次展出了由這種機構(gòu)實現(xiàn)的多坐標進給運動的數(shù)控機床和加工中心,引起國際機床界的轟動,被認為是機床結(jié)構(gòu)的重大革命.和傳統(tǒng)的串聯(lián)式機床比,并聯(lián)機床具有以下優(yōu)點:(1)它比剛度高(2)快速啟動(3)復(fù)合滾動軸承機構(gòu)設(shè)計并聯(lián)機床是實現(xiàn)高速進給的一種嶄新的運動機構(gòu),有非常好的應(yīng)用前景.但是由于并聯(lián)機床結(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)的機床運動范圍很小,很難同時實現(xiàn)立臥加工,做出的機床往往體積大而實用的工作空間小,這是六桿機床發(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)機床,這種結(jié)構(gòu)機床可以在很大程度上解決工作空間小的問題.并聯(lián)機床另一個比較嚴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、精度高的復(fù)合滾動關(guān)節(jié)部件是發(fā)展并聯(lián)機床的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)問題.并聯(lián)機床的數(shù)控編程和誤差補償比較復(fù)雜,并聯(lián)機床的自動編程,特別是自動補償?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床主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和進給加減速非常高,因此對高速加工機床的控制系統(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,主軸電機仍然是采用矢量控制技術(shù)的變頻調(diào)速交流電機,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,以及進一步優(yōu)化矢量控制技術(shù).在高速機床中使用的主軸數(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準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構(gòu)的可靠性下降,刀具整體不平衡量的影響加強.為了滿足高速機床的加工要求,德國開發(fā)出HSK連接方式,對刀具進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、較強斷層能力和經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的切削幾何角度.高速切削加工要求刀具材料與被加工材料的化學親合力要小,并具有優(yōu)異的機械性能、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),促進高速切削技術(shù)的進步和應(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晶粒硬質(zhì)合金刀具等,它們各有特點,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計算機設(shè)計機床支撐技術(shù)主要指機床的支撐構(gòu)件的設(shè)計及制造技術(shù).高速機床設(shè)計的關(guān)鍵是如何在降低運動部件慣量的同時,保持基礎(chǔ)支撐部件的高靜剛度、動剛度和熱剛度.通過計算機輔助設(shè)計,特別是應(yīng)用有限元分析及優(yōu)化設(shè)計理論,能獲得質(zhì)量輕、剛度高的機床床身、立柱和工作臺結(jié)構(gòu).對精密高速機床,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.機床部件的高速運動、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-力耦合不均勻強應(yīng)力場中的能量轉(zhuǎn)換機制、切削變形規(guī)律;切削加工過程中的力學與傳熱學行為,熱-力耦合不均勻強場模型;刀具與工件之間的摩擦學行為,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)量的形成機理、加工精度及其與切削條件之間的關(guān)系;“機床-刀具-工件-夾具”高速切削系統(tǒng)的動力學特性與穩(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,主要是一個跨因為航空工業(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行高速銑削,因為效率高、精度高和表面光潔度高,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