高速切削机床

沈潇机械13-4高速切削机床2/5/20232

引言实现高速切削的最关键技术是研究开发性能优良的高速切削机床，自20世纪80年代中期以来，开发高速切削机床便成为国际机床工业技术发展的主流。高速切削机床是实现高速切削加工的必备的物质基础,具有高速、高效、高精度和高自动化的鲜明特点,其中高速铣床、加工中心尤为突出。它是一个集光机电和计算机技术于一体的高科技产品,是衡量一个国家制造业技术水平的核心标志,对一个国家的经济、科技及国防事业具有重大的影响。近年来,发达国家集了大量的人力物力进行研究和开发,取得了长足的进步2/5/20233

高速切削机床的起源20世纪30年代，最先由德国CarlSalomon博士首次提出的有关高速切削的概念。50年代后期开始，高速切削的试验又开始进入各种试验研究，高速切削的机理开始被科学家们所认识。Roeders公司以其200年模具制造经验,在1989年德国Roeders首先完成世界第一台高速加工中心,并提供技术数据予瑞士Mikron合作生产高速加工中心,直至1994年双方因维修服务问题终止合作,Roeders开始生产自己品牌高速机床,提供优质支持服务予世界广大客户。2/5/20234高速切削机床的现状(1)国外。日本、美国、德国和意大利等厂商现已成为世界上高速机床的主要提供者。目前国际上提供高速加工中心和NC机床设备的主要厂商，其代表性产品主要技术性能参数所能达到的水平比较如表1所示。2/5/202352/5/20236高速切削机床的现状(2)国内。目前国内几个主要厂家依靠自己的科研能力或通过引进先进技术生产的高速机床，其主要参数指标如表2所示。2/5/20238高速切削机床的优点(1)提高生产率：由于切削速度和进给速度都得到提高,即提高了单位时间的切削容积，相应也缩短了切削时间、提高了生产率(2)减小切削力在一定的切削率的前提下,由于提高切削速度,则切削力便下降,这是HSC工艺的独特优点。HSC工艺所带来的好处是对那些薄壁形、细长形及刚性弱的零件的切削十分有利,另外,也有利于解决刀具磨损,机床(3)振动小HSC的激振频率非常高,远离工艺系统的固有频率范围,因此有可能在“无振动”的条件下加工,这将使加工精度大大提高,同时加工质量也容易得到保证。据当时联邦德国的资料报道:他们的HSC铣削表面已近似达到磨削的质量。4)热变形小,大量的切削热由切屑带走,所以工件温度低,热变形小。2/5/20239高速切削机床具备的要素排屑冷却安全高速主轴进给系统润滑系统冷却系统床体结构换刀装置热态特性和静、动态特性数控系统CNC2/5/202310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技术与电机变频、闭环矢量控制、交流伺服控制等技术相结合，可以满足车削、铣削、镗削、钻削、磨削等金属切削加工的需要。采用高速加工技术可以解决机械产品制造中的诸多难题，取得特殊的加工精度和表面质量，因此这项技术在各类装备制造业中得到越来越广泛的应用，正在成为当今金切加工的主流技术。高精度、高转速数控机床主轴单元是承载高速切削技术的主体之一，是高精度、高效率高档数控机床的核心功能部件，是航空航天、汽车、船舶、精密模具、精密机械等尖端产品制造领域所需高档加工母机的核心部件。目前国内外电主轴技术的发展十分迅速，各生产厂商都在高可靠性、节能性、高精度、高加工效率、环保性、智能化等方面进行持续的科技攻关，以期形成自身的特色，占领电主轴技术发展的制高点2/5/202311高速主轴的优点（1）功率大、转速高。目前单独实现电主轴的高转速或大功率在技术上已经不存在难题，但要同时实现高转速和大功率，则存在相当的技术难度。围绕高速电主轴技术，世界各国的公司展开了激烈竞争。（2）采用高速高刚度轴承。国外高速精密主轴均采用高速高刚度轴承，主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。美国Ingersoll公司采用液体动静压轴承，最高转速达到40000r／min；瑞士

IBAG公司磁悬浮轴承最高200000r／min。目前国内高速电主轴用轴承主要采用国产的钢质角接触球轴承，但寿命有待进一步提高。部分高性能电主轴，仍需进口轴承。2/5/202312高速主轴的优点3）精密加工与精密装配工艺。精密加工和精密装配工艺是电主轴的核心技术之—。电主轴的上轴、前后轴承盖等的制造工艺要求非常高。为了保证电主轴在高速运转时的回转精度和刚度，这些数控机床的关键零件必须进行精密加工或超精密加工，其尺寸误差一般在微米级或更小；对同轴度、垂直度和表面粗糙度也都有极严格的要求［11］。为了制造这些高精度零件，国外电主轴的专业制造厂都装备有成套的高精度加工设备，如高精度数控车削中心、精密数控外圆磨床、高精度加工中心、高精度数控内圆磨床等，同时还配备了高精度测试设备。在国内，如陶瓷轴承、异步型电动机转子等电主轴的关键零件制造中的关键问题还没有得到很好的解决，影响了数控机床的制造水平。（4）配套控制系统水平。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。例如，瑞士Fischer公司和德国Hofmann公司生产电主轴配套的在线自动平衡系统，可以在线自动校正偏心，大幅度降低电主轴高速运行情况下的振动；SKF公司和NSK公司生产的轴承油气润滑系统，可以通过定时定量控制进气量保证轴承的润滑和温升控制在正常水平2/5/202313伺服系统按照伺服系统的控制方式，可以把数控系统分为以下几类：⑴开环控制数控系统这类数控系统不带检测装置，也无反馈电路，以步进电动机为驱动元件。CNC装置输出的进给指令（多为脉冲接口）经驱动电路进行功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依此通电/断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机转动，再经机床传动机构（齿轮箱，丝杠等）带动工作台移动。这种方式控制简单，价格比较低廉，从70年代开始，被广泛应用于经济型数控机床中。⑵半闭环控制数控系统位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位置（直线位移），由于闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节，由这些环节造成的误差不能由环路所矫正，其控制精度不如全闭环控制数控系统，但其调试方便，成本适中，可以获得比较稳定的控制特性，因此在实际应用中，这种方式被广泛采用。2/5/202314伺服系统⑶全闭环控制数控系统位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置（直线位移），并将其与CNC装置计算出的指令位置（或位移）相比较，用差值进行调节控制。这类控制方式的位置控制精度很高，但由于它将丝杠、螺母副及机床工作台这些连接环节放在闭环内，导致整个系统连接刚度变差，因此调试时，其系统较难达到高增益，即容易产生振荡。。2/5/202315伺服系统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。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。滚珠丝杠分为内循环和外循环两种。特点：(1)滑动丝杠副和驱动力相比1/3(2)高精度的保证(3)微进给可能(4)无侧隙、刚性高(5)高速进给可能直线电机伺服系统2/5/202318高效的冷却系统高速切削中机床的主轴、滚珠丝杠、导轨等产生大量的热，如不进行有效的冷却，将会严重影响机床的精度。大多采用强力高压、高效的冷却系统，使用温控循环水或其他介质来冷却主轴电动机、主轴轴承、滚珠丝杠、直线电动机、液压油箱等。Yamazen公司将压力为6.8MPa的冷却液通过主轴中心孔，对机床主轴、刀具和工件进行冷却。日本日立精机公司研制开发出通过在中空的滚珠丝杠中传输冷却液，达到冷却丝杠稳定加工目的的滚珠丝杠冷却器。为了避免导轨受温升的影响，日立公司和轴承商联合研制出Eeo-Eeo的导轨润滑脂，该润滑脂润滑和冷却效果好，无有害物质，能进行自动润滑及不需专用设备等特点。日立精机机床公司VS系列CNC高速铣就采用此润滑脂，具有良好的使用及经济效果。2/5/202319数控系统CNC数字控制系统简称，英文名称为NumericalControlSystem，早期是与计算机并行发展演化的，用于控制自动化加工设备的，由电子管和继电器等硬件构成具有计算能力的专用控制器的称为硬件数控（HardNC）。20世纪70年代以后，分离的硬件电子元件逐步由集成度更高的计算机处理器代替，称为计算机数控系统。计算机数控（Computerizednumericalcontrol，简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置，用于控制自动化加工设备的专用计算机系统。CNC系统由数控程序存储装置（从早期的纸带到磁环，到磁带、磁盘到计算机通用的硬盘）、计算机控制主机（从专用计算机进化到PC体系结构的计算机）、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成。由于逐步使用通用计算机，数控系统日趋具有了软件为主的色彩，又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与网络连接及进行远程通信的功能。2/5/202320世界上的数控系统种类繁多，形式各异，组成结构上都有各自的特点。这些结构特点来源于系统初始设计的基本要求和硬件和软件的工程设计思路。对于不同的生产厂家来说，基于历史发展因素以及各自因地而异的复杂因素的影响，在设计思想上也可能各有千秋。例如，在上世界90年代，美国Dynapath系统采用小板结构，热变形小，便于板子更换和灵活结合，而日本FANUC系统则趋向大板结构，减少板间插接件，使之有利于系统工作的可靠性。然而无论哪种系统，它们的基本原理和构成是十分相似的。一般整个数控系统由三大部分组成，即控制系统，伺服系统和位置测量系统。控制系统硬件是一个具有输入输出功能的专用计算机系统，按加工工件程序进