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高速切削的技术装备

高速切削的技术装备 2011年12月04日 来源： 摘 要：介绍了高速切削机床及其伺服系统、控制系统、刀具和配套装备，以便正确选购使用有关技术装备，并充分发挥其作用。关键词：高速切削；伺服系统；控制系统；切削刀具；配套装备高速切削(High Speed Cutting-HSC)概念起源于德国切削物理学家Carl Salomn的著名切削实验及其物理引伸。他认为一定的工作材料对应有一个临界切削速度，其切削温度最高。

在常规切削范围内(见图1A区)切削温度Tv随着切削速度Vc的增大而提高，当切削速度到达临界切削速度后，切削速度再增大，切削温度反而下降(见图1C区)，所以越过B区，在高速区C区进行切削，则可用现有的刀具进行高速切削，从而大大地减少切削工时，成倍提高机床的生产率，同时提高加工质量管理，并可用于切削各种硬、韧性、难加工材料的工件。因此，自上世纪80年代以来，国外在制造业的模具、航空、航天、汽车、精密机械、光学和家电等许多部门中，开始广泛应用该先进技术、取得了很大的成效。目前，面对日益加剧的国际竟争，国内广大企业迫切需要对HSC加工技术有比较全面的了解，以便能正确选购有关技术装备，并充分发挥其作用，获得予期的经济效益。1 高速切削机床为了适应粗精加工，轻重切削和快速移动，同时保证高精度(定位精度±0.005mm)，性能良好的机床是实现高速切削的关键因素。其关键技术有以下几项：1.1 高速主轴高速主轴是高速切削机床的核心部件，随着对主轴转速要求的不断提高，传统的齿轮——皮带变速传动系统由于本身的振动、噪音等原因已不能适应要求，取而代之的是一种新颖的功能部件——电主轴，它将主轴电机与机床主轴合二为一，实现了主轴电机与机床主轴的一体化。电主轴采用了电子传感器来控制温度，自带水冷或油冷循环系统，使主轴在高速旋转时保持恒温，一般可控制在20°~25°范围内某一设定温度，精度为± 0.7°，同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使主轴免维护、长寿命、高精度。1.2 高速精密轴承高速轴承是高速切削机床的核心，是决定高速主轴寿命和负载容量的最关键部件。1.2.1 磁悬浮轴承它是用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来，其转速可达45000r/min，功率为20kW，精度高，易实现实时诊断和在线监控，是理想的支承元件，但其价格较高。1.2.2 液体动静压轴承采用流体动、静力相结合的办法，使主轴在油膜支撑中旋转，具有径、轴向跳动小、刚性好、阻尼特性好，适于粗、精加工，寿命长的优点。但其无通用性，维护保养较困难。1.2.3混合陶瓷轴承用氮化硅制的滚珠与钢制轨道相组合，是目前在高速切削机床主轴上使用最多的支承元件，在高速转动时离心力小，刚性好，温度低，寿命长，功率可达80kW，转速高达150000r/min，它的标准化程度高，便于维护，价格低。1.3 高速伺服系统为了实现高速切削加工，机床不但要有高速主轴，还要有高速的伺服系统，这不仅是为了提高生产效率，也是维持高速切削中刀具正常工作的必要条件，否则会造成刀个的急剧磨损与升温，破坏工件加工的表面质量。1.3.1 直线电机伺服系统直线电机是使电能直接转变成直线机械运动的一种推力装置，将机床进给传动链的长度缩短为零，它的动态响应性能敏捷、传动刚度高、精度高、加减速度大，行程不受限制、噪音低、成本较高，在加速度大于1g的情况下，是伺服系统的唯一选择。1.3.2 滚珠丝杠驱动装置滚珠丝杠仍是高速伺服系统的主要驱动装置，用AC伺服电机直接驱动，并采用液压轴承，进给速度可达40~60m/min，其加速度可超过0.6g，成本较低，仅为直线电机的1/2.5。1.4 高性能的CNC控制系统高速切削机床优良的力学性能，必须通过它优良的控制性能才能够充分发挥。高速主轴，高速伺服系统都与控制技术的发展密不可分。用于HSC的计算机数控(CNC)系统必须具有很高的运算速度和精度，以及快速响应的伺服控制。HSC机床的CNC系统在相同一段时间内需要计算处理的数据比普通数控机床的CNC系统多得多，就要求前者的计算处理容量和速度大大提高，其CNC系统的硬件，采用功能强大的个人计算机器人配置。例如奔腾芯片，64MB内存，1-10GB硬盘等，使程序块的执行时间降低到3~0.5μs。在此基础上配备空间螺旋线、抛物线和样条插补功能、速度预控制功能，数字化自动平滑运动轨迹功能、加速和制动时的急动速度监控功能等等，使工件加工质量在高速切削时得到明显改善。相应地，伺服系统则发展为数字化、智能化和软件化，使伺服系统与CNC系统在A/D—D/A转换中不会有丢失或延迟现象，尤其是全数字交流伺服电机和控制技术已得到广泛应用，该技术的主要特点为具有优异的动力学特征、无漂移、极高的轮廓精度，从而保证了高进给速度加工的要求。2 高速切削刀具刀具是机械加工重要的技术装备之一。因易消耗，一旦机床性能获得确定，就成为注意力的焦点。由于离心惯性力随着转速升高而迅速增大，高速主轴端部同刀柄头部的给合在结构和尺寸方面有许多特别之处。目前基本采用HSK形式和系列，需要根据机床主轴参数来确定刀柄参数，使它们相符吻合。由于切削和进给速度高，HSC加工中刀具的寿命一般会降纸，需要从刀具材料、几何参数、悬伸长度以及切削参数、切削几何关系、走刀路线、润滑冷却等各方面采取措施，尽可能减少寿命的降纸。HSC加工应用的刀具材料主要有硬质合金涂层、陶瓷、聚晶立方氮化硼和聚晶金刚石等几大类。HSC刀具与普通刀具前后角相比，一般HSC比普通切削的前角约小10°，后角约大5°~8°。同时HSC刀具的切削部位应尽量短，以提高刀具的刚性和减小刀刃的破损率。总之，应根据工件材料、工件的批量大小、机床主轴参数等来选择刀柄、刀具材料及刀具的几何尺寸。3 HSC机床的配套装备(1)为了缩短辅助工时，绝大多数HSC机床都配有15~30刀位以上的刀具库和自动换刀装置，成为HSC加工中心。(2)冷却润滑系统是不可少的配套装备，其中包含自动对机床各部进行冷却润滑的功能和排屑功能，需单独考虑的是刀具的冷却润滑装置，例如风冷装置或油雾润滑冷却装置，并需要兼顾吹屑功能。(3)电子手轮和CAD/CAM系统与高速CNC系统的接口，是影响到机床操作控制性能的必要配套装置。(4)能够自动测量刀具的直径、长度和进行破损检测的激光或红外线系统。(5)测头能够安装到主轴上用以探测工件轮廓型面的红外线测量装置。(6)为了减少发生故障后，停机等待修复的时间，在机床台数多、利用率高的情况下，备用一根高速主轴。(7) HSC机床的安全防护装置，包括硬件和软件，要保证即使在发生刀具破裂而高速弹飞出来的极端情况下，仍然能够可靠地保护操作使用者的人身安全，并且能够预防机床部件、刀具、工件之间产生意外的干涉碰撞。高速切削的技术装备涉及众多高新技术，必须根据本单位产品的材料、精度、批量等来选择相匹配的技术装备，使其在生产中充分发挥作用。参考文献1 张永强. 高速切削及其关键技术的发展现状态. 航空精密制造技术. 1998,(1)2 TOM. Beard Make Machine Moving Faster Modevn MachineShop. 19973 罗辉国. 高速加工的实现与应用. 航空精密制造技术. 2001,(2)4 倪其民等. 高速切削技术研究. 机械制造. 1999,(4)(end)

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