万能外圆磨床结构改进设计--高速磨头无轴电机设计

I摘 要本文首先介绍了万能外圆磨床的结构及功用，并对高速加工进行了概述，进而对无轴承电机的研究现状进行分析，并阐述了对无轴承电机研究的意义；然后从无轴承电机的总体结构入手，对无轴承电机的机械结构及零部件进行了设计；与此同时又分析了无轴承电机中永磁偏置径向轴向磁轴承的工作原理，建立数学模型，以具体的参数要求为例，对其结构参数进行计算。最后总结全文内容，突出毕业设计工作的重点，对未来的工作进行展望。关键词：万能外圆磨床；高速加工；无轴承电机；磁轴承；数学建模IVAbstractThe paper introduced the construction and use of the grinding machine at first. Then study of high-speed machining, and study of non-bearing motor current situation analysis, and expounded on the significance of study of non-bearing motor; and then never start with the overall structure of the motor bearings on the non-bearing motor mechanical structure and components have been designed; At the same time and analyzed the non-bearing motor in the axial permanent magnet biased radial magnetic bearing works, a mathematical model to specific parameters required, for example, its structural parameters calculated. Last concluded full text, high-lighten the focus of graduate design work on the future work prospects.Key words: grinding machine；High-speed machining；Bearingless Motor or Self-bearing Motor；Magnetic Bearing；Mathematical M odelingVI目 录摘 要 .IIIAbstract.IV目 录 .VI1 绪论 .11.1 设计的总体要求 .11.2 M1432A 型万能外圆磨床总体描述 .21.2.1 机床的结构 .21.2.2 机床的总体布局 .21.2.3 机床的主要技术性能 .31.2.4 机床的机械传动系统 .31.3 基于高速加工技术的无轴承电机研究意义与现状 .41.3.1 基于高速加工技术的无轴承电机研究意义 .41.3.2 基于高速加工技术的无轴承电机研究现状 .61.4 无轴承电机的特点及应用 .71.4.1 无轴承电机的特点 .71.4.2 无轴承电机的应用 .71.5 无轴承电机的发展前景 .82 高速加工技术概述 .92.1 高速加工的定义 .92.1.1 高速加工中心的类型 .92.1.2 高速加工的特点 .92.2 高速加工的关键技术 .102.2.1 刀具技术 .102.2.2 机床技术 .112.2.3 CAM 软件 .123 高速加工技术中磁浮轴承主轴单元设计 .133.1 引言 .133.2 主轴单元轴承的组成 .153.2.1 机械系统 .153.2.2 磁轴承的偏磁回路 .153.2.3 控制回路系统 .153.3 永磁偏置轴承的结构及工作原理 .163.3.1 永磁偏置轴承的基本结构 .173.3.2 永磁偏置轴承的工作原理 .183.4 永磁偏置轴承的设计 .193.4.1 磁路计算的基本定律和公式罗列 .20VII3.4.2 永磁偏置轴承的等效磁路分析 .203.4.3 径向 轴向磁轴承的吸力方程 .223.4.4 径向 轴向磁轴承的承载能力 .233.4.5 径向 轴向混合磁轴承参数设计 .243.5 悬磁轴承的参数设计与校核 .273.5.1 选取永磁材料 .273.5.2 确定工作气隙磁感应强度 .273.5.3 磁极面积的计算 .273.5.4 求定子内径 .283.5.5 求磁极弧长及叠片厚度 .283.5.6 安匝数的计算 .283.5.7 匝数与电流的分配 .283.5.8 线径 .283.5.9 窗口面积的求取 .283.5.10 永久磁铁参数计算 .294 无轴承电机结构的设计 .304.1 设计的总体概况 .304.2 无轴承电机的结构设计 .304.2.1 转子结构设计 .304.2.2 转子上零件的布置 .314.3 无轴承电机的总体结构设计 .314.4 悬浮轴承的结构选择与设计 .324.4.1 磁悬浮轴承总体结构设计 .324.4.2 永磁偏置径向轴向磁轴承的总体结构设计 .334.5 无轴承电机结构件的结构设计 .334.5.1 定子与转子的设计 .334.5.2 传感器部件的设计 .344.5.3 机壳的设计 .354.5.4 工作轴的设计 .364.5.5 轴承端盖的设计 .365 结论与展望 .38致谢 .39参考文献 .40万能外圆磨床结构改进设计- 高速磨头无轴电机设计11 绪论1.1 设计的总体要求现代机械加工越来越需要提高效率，通常采用高速加工，主要是采用高速主轴，因而高速加工中无轴承电机的结构设计就显得很重要，本文正是基于万能外圆磨床适应于高速加工要求对高速主轴的无轴承电机结构设计，探寻磁悬浮在普通机床高速主轴中的应用，因其独具的悬浮机理和结构特点使之在生物工程、航空航天、高新能源、半导体制造业、食品加工以及医药卫生等领域也得到成功的应用。随着我国经济进一步发展，在很多特殊电气传动领域必将改变传统的传动和传输方式，对提高产品质量、降低成本、减少污染将会起到重要作用。因此，无轴承电机在我国具有很大的潜在应用市场，积极开展无轴承电机的研究和在普通机床上的应用具有现实和深远意义。外圆磨床分为普通外圆磨床和万能外圆磨床。在普通外圆磨床上可磨削外圆柱面和外圆锥面，在万能外圆磨床上还能磨削内圆柱面和内圆锥面和端面。外圆磨床的主要参数为最大的磨削直径。外圆磨床以两顶心为中心，以砂轮为刀具，将圆柱形钢件研磨出精密同心度的磨床（又叫顶心磨床或圆通磨床） 。外圆磨床的主机有床身、车头车尾、磨头、传动吸尘装置等部件构成。车头、磨头可调角度，用于修磨顶针及皮辊倒角专用夹具。本设计就是以 M1432A 型万能外圆磨床为例对原来的普通主轴进行优化设计，采用无轴承电机进行砂轮主轴的驱动。无轴承电机是典型的机电一体化产品，由于它具有上述诸多优良性能及其在众多工业领域内的应用前景，使得无轴承电机技术越来越受到国内外专家、学者的关注与重视。而我国对这一技术的研究尚不成熟，针对这种情况，我们在毕业设计中选择了这一课题。鉴于无轴承电机不但具有磁悬浮轴承的优点，而且比其他同功率的电机及支撑装置，体积小、重量轻、能耗小，对于提高高速及超高速运转机械的工作性能具有重要意义，本文就是基于这些问题提出的。对于一个典型的无轴承电机来说，它主要由机械、检测、控制三大主要部分组成，而控制系统是整个系统的关键，而合理的机械结构设计又是保证承载能力要求和运行稳定可靠的前提，所以，本设计主要对机械系统和控制系统进行分析和设计。文中以无轴承电机的永磁偏置径向轴向磁轴承本体结构的设计（机械部分）及控制系统为主要研究对象，设计出合理的结构参数和控制系统，并对系统的稳定性进行简要的分析。第一章介绍了基于高速加工技术的无轴承电机的研究意义及现状。此外还介绍了本设计的提出及主要内容的安排。第二章简单介绍了一下高速加工技术的发展现状及关键技术。第三章从基于高速加工技术的无轴承电机的总体结构入手，对无轴承电机的机械结构及零部件进行了设计。第四章分析了无轴承电机中永磁偏置径向轴向磁轴承的工作原理，建立了数学模型，并以具体的参数要求为例，对其结构参数进行计算。最后总结2全文内容，突出研究工作的重点，并对未来的工作进行展望。1.2 M1432A型万能外圆磨床总体描述1.2.1 机床的结构M1432A 型万能外圆磨床是普通精度等级万能外圆磨床，主要用于磨削圆柱形和圆锥形的外圆和内孔，还可以磨削阶梯轴的轴肩和端平面。机床应达到的加工精度和表面粗糙度如 表 1-1 M1432A 型万能外圆磨床（最大磨削长度1000mm）的加工质量所示。表 1-1 M1432A 型万能外圆磨床（最大磨削长度 1000mm）的加工质量加工方法、工件及其装夹方式 表面粗糙度 圆度公差 圆柱度公差精磨外圆 工件支承在前、后尖上，不用心架；工件尺寸：直径 60 mm 长度 500mm。Ra0.160.3 m 3m精磨外圆 工件装夹在夹盘上，不用中心架；工件尺寸：直径 50 mm，悬伸长度 150 mm。Ra0.160.32m精磨内孔 工件装夹在夹盘上，不用中心架；工件尺寸：孔径 62.5 mm，长度 125 mm。Ra0.320.63m5m5m这种机床适用于工具车间、机修车间和单件、小批生产车间。由于机床自动化程度较低，磨削效率不够高，所以，它不宜用于大批量生产车间。1.2.2 机床的总体布局M1432A 型万能外圆磨床由下列各主要部分组成，见图 1.1。1、床身 1：是磨床的基础支承件，它支承着工作台、头架、尾架、垫板及横向滑鞍、砂轮架等部件，使它们在工作时保持准确的相对位置。床身内腔用作液压油的油池。2、头架 2：用以装夹工件，并带动工件旋转。3、尾架 5：尾架顶尖和头架顶尖一起，用以支承工件。图 1.1 M1432 型万能外圆磨床外形图万能外圆磨床结构改进设计- 高速磨头无轴电机设计34、工作台 8：它由上工作台和下工作台两部分组成。上工作台可绕下工作台的心轴在水平面内调整至某一角度位置，用以磨削锥度较小的长圆锥面。工作台面上装有头架和尾架，它们同工作台一起沿床身导轨作纵向往复运动。5、砂轮架 4：用以支承并传动高速旋转的砂轮主轴。砂轮架装在滑鞍 6 上，当需要磨削短圆锥面时，砂轮架可以调整至一定的角度位置。6、内圆磨具 3：用以支承磨内孔的砂轮主轴。内圆磨具主轴由专门的电动机驱动。7、滑鞍 6 及横向进给机构：转动横进给手轮 7，可以使横进给机构带动滑鞍 6 及砂轮架沿床身垫板的导轨作横向移动。也可以利用液压装置，使滑鞍 6 作周期的自动切入进给。此外，在床身内还有液压传动装置。1.2.3 机床的主要技术性能外圆磨床的主要参数为磨削工件的最大直径，本机床的主参数为 320 mm。外圆磨削直径 8320 mm外圆最大磨削长度 1000 mm；1500 mm ；2000 mm内孔磨削直径 30100 mm内孔最大磨削长度 125 mm磨削工件最大重量 150kg砂轮尺寸 1P21外圆砂轮转速 1670r/min头架主轴转速 6 级： 25，50，80，112，160，224 r/min内圆砂轮转速 10000 r/min；15000 r/min砂轮架电动机功率 4 kW内圆磨电动机功率 1.1 kW电动机总功率 6.72 kW工作台纵向移动速度（液压无级调速）0.054m/min机床外形尺寸（三种规格） 3200，4500，5800 kg1.2.4 机床的机械传动系统M1432A 型机床，除工作台的纵向往复运动、砂轮架的快速进退及尾架顶尖套筒的缩回为液压传动外，其于运动都是机械传动的。机械传动系统如 图 1.2 M1432A 型万能外圆磨床传动系统图所示。头架（带动工件）的传动此传动链用于实现工件的圆周进给。运动由双速电动机驱动，经三级皮带传动，使头架的拨盘拨动工件，实现圆周进给。这时，主轴本身是不旋转的。4外圆砂轮的传动砂轮主轴的运动是砂轮架电动机（1440 r/min，4kw）经 4 根三角带直接传动的，使主轴获得 1670 r/min 的转速。内圆磨具的传动内圆磨具主轴由电动机（2840 r/min，1.1kw）经平皮带直接传动。更换平皮带轮，主轴可获得 2 种转速。内圆磨具装在内圆磨具支架上。为了保证工作安全，内圆磨具电动机的启动与内圆磨具支架的位置有联锁的作用，只有当支架翻到磨削内圆的工作位置时，电动机才能启动。此外，当支架翻到磨内圆位置时，砂轮架快速进退手柄就在原位置上自动联锁住，这时，砂轮架不能快速移动。1.3 基于高速加工技术的无轴承电机研究意义与现状目前金属切削加工仍是当今主要的机械加工方法，在机械制造业中有着重要的地位，但如何提高其效率、精度、质量成为传统机械加工面临的问题。20 世纪 90 年代，以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的高速加工（High Speed Machining，HSM）已经成为现代数控加工技术的重要发展方向之一，也是目前制造业一项快速发展的高新技术。本文即是从提高金属切削机床主轴转速的角度探讨一下无轴承电机的结构设计，希望能起到抛砖引玉的作用。1.3.1 基于高速加工技术的无轴承电机研究意义无轴承电机就是从磁路上将电机和磁悬浮轴承合为一体，利用电机的铁心同时作为磁悬浮轴承的铁心，也称磁悬浮电机。比起传统电机加磁悬浮轴承的结构，它体积小，图 1.2 M1432A 型万能外圆磨床传动系统图万能外圆磨床结构改进设计- 高速磨头无轴电机设计5而且由于电机的磁场被用作产生悬浮力的基础，磁悬浮电机还可以减少磁浮力所需要的电能，从而提高系统的效率。一些精密数控机床、涡轮分子泵、小型发电机或高速飞轮储能等装备中需要用大功率的高速超高速电动机（以下简称为电机）来驱动。我们知道，电机高速运转对机械轴承振动冲击大，机械轴承磨损快，大幅度缩短了轴承和电机使用寿命，为此用机械轴承来支承高速电机严重制约着电机向更高速度和更大功率方向发展。近 20 多年来发展起来的磁轴承（ Magnetic Bearing ) ，是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现转子和定子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。图 1.3 是由磁轴承支承的高速电机结构示意图。磁轴承支承的电机虽然具有突出的优点，但在不同的应用领域依然存在如下问题：（1）电机的转速和输出功率难以进一步提高；（2）磁轴承需要高性能的控制器、功率放大器和多个造价较高的精密位移传感器等，使磁轴承结构较为复杂、体积较大和成本较高，大大制约了由磁轴承支承的高速电机的使用范围和广泛应用。图 1.3 磁轴承支撑的电机结构图所谓无轴承电机（Bearingless Motor or Self-bearing Motor） ，并不是说不需要轴承来支承，而是不需单独设计或使用专门的机械轴承、气浮或液浮轴承。由于磁轴承结构与交流电机定子结构的相似性，把磁轴承中产生径向悬浮力的绕组叠加到电机的定子绕组上，构成无轴承电机（二自由度见图 1.4 ) ，保证电机定子等效绕组产生的磁场极对数 P1 与径向悬浮力绕组产生磁场极对数 P2 的关系为： ，悬浮力绕组产生的磁场和电机1P21定子绕组（或永磁体）产生的磁场合成一个整体，通过探索驱动电机转动的旋转力和径向悬浮力耦合情况以及解耦方法，独立控制电机的旋转和转子的稳定悬浮，实现电机的无轴承化。6图 1.4 无轴承电机的结构示意图无轴承电机一方面保持磁轴承支承的电机系统寿命长、无须润滑、无机械摩擦和磨损等优点外，还有望突破更高转速和大功率的限制，拓宽了高速电机的使用范围，与磁轴承支撑的高速电机相比具有下列优点：（1）径向悬浮力绕组叠加到电机的定子绕组上，不占用额外的轴向空间。一方面，电机轴向长度可以设计得较短，临界转速可以较高，电机转速仅受材料强度的限制，这样无轴承电机大大拓宽了高速电机的应用领域，特别是在体积小、转速高和寿命长的应用领域，如要求无粉尘、无润滑、小体积环境工作的计算机硬盘驱动器、微型高速机床等；另一方面，在同样长度的电机转轴情况下，输出功率将比磁轴承支承的电机有大幅度提高。 （2）结构更趋简单，维修更为方便，特别是电能消耗减少。传统的磁轴承需要静态偏置电流产生电磁力来维持转子稳定悬浮，而无轴承电机不再需要。径向悬浮力的产生是基于电机定子绕组产生的磁场，径向悬浮力控制系统的功耗只有电机功耗的 2%5%，这些优点特别适用于航空航天等高科技领域。基于无轴承电机高品质的性能，广阔的应用前景，对提高机械工业制造装备的水平，特别是提高航空航天器工作性能无疑具有现实和深远意义，其研究工作越来越受到国内外科技工作者的高度重视。1.3.2 基于高速加工技术的无轴承电机研究现状1、无轴承电机的发展状况无轴承电机起源及发展在费拉里斯和特斯拉发明多相交流系统后，19 世纪 80 年代中期，多沃罗沃尔斯基发明了三相异步电机，异步电机无需电刷和换向器，但长期高速运行，轴承维护保养仍是难题。二次世界大战后，直流磁轴承技术的发展，使得电机和传动系统无接触运行成为可能，但这种传动系统造价很高，因为铁磁性物体不可能在一个恒定磁场中稳定悬浮。主动磁轴承的发明，解决了这个难题，但用主动磁轴承支承刚性转子要在 5 个自由度上施加控制力，磁轴承体积大、结构复杂和造价高。20 世纪后半期，为了满足核能开发和利用，需要用超高速离心分离方法生产浓缩铀，磁轴承能满足高速电机支撑要求，于是在欧洲开始了研究各种磁轴承计划。1975 年，赫尔曼申请了无轴承电机专利，专利中提出了电机绕组极对数和磁轴承绕组极对数的关系万能外圆磨床结构改进设计- 高速磨头无轴电机设计7为1.用赫尔曼提出的方案，在那个年代是不可能制造出无轴承电机的。随着磁性材料磁性能进一步提高，为永磁同步电机奠定了有力竞争地位。同时，随着双极管的应用，以及和柏林格尔提出的无损开关电路结合，能够制造出满足无轴承电机要求的新一代高性能超级放大器。大约在 1985 年，具有快速和负载能力的功率开关器件和数字信号处理器的出现，使得已经提出 20 多年的交流电机矢量控制技术才得以实际应用，这样解决了无轴承电机数字控制的难题。瑞士苏黎世联邦工学院的比克尔在这些科技进步的基础上，于 20 世纪 80 年代后期才首次制造出无轴承电机。无轴承电机取得实际应用，关键性突破是 1998 年苏黎世联邦工学院的巴莱塔研制出无轴承永磁同步薄片电机，电机结构简单，大大降低了控制系统费用，在很多领域具有很大应用价值。我国已经开始重视研究无轴承电机，1999 年国家自然科学基金资助了无轴承电机的研究工作，南京航空航天大学、江苏理工大学和沈阳工业大学得到了支持并正在开展无轴承交流电机、无轴承片状电机等的研究。还有一些单位得到了省市有关部门基金的支持，也正在研究和探索这项高新技术。目前国内已发表了多篇综述及理论仿真研究的文章，对无轴承电机的研究成果还未进行公开报道。2、无轴承电机关键技术的研究现状就无轴承交流电机研究现状来看，目前仅停留在理论和样机实验阶段，离实用化还有一定的距离，但就研究初期成果所体现出来的优越性足以确信其潜在的使用价值。无轴承电机的控制系统是其核心关键技术，决定无轴承电机能否稳定可靠工作，目前制约其实用化的重要原因是控制问题。无轴承电机控制的困难在于该系统具有复杂的非线性强耦合特性，主要表现在（1）无轴承电机的电磁转矩和径向悬浮力之间存在藕合。如果不采取有效地解耦措施，无轴承电机不可能稳定运行，因此电磁转矩和径向悬浮力之间解耦控制是无轴承电机的基本要求；（2）无轴承电机的控制系统的设计必须考虑因磁饱和和温度变化等因素所引起的电机参数的变化。设计有效而实用的电机参数变化的控制系统，这也是一个难点。国外在这些方面研究中较具有代表性的方法，一种是针对无轴承异步电机和同步电机提出了一个近似线性化的基于矢量变换的控制算法来实现电磁转矩和径向悬浮力之间的解耦控制，但这种算法构造比较复杂，需要对多个磁链矢量进行控制，实现比较困难。另一种方法分析无轴承异步电机在负载条件下径向悬浮力和电磁转矩耦合的关系，提出了对电机电流的幅值和相角进行补偿来保持旋转磁场的平稳转动和幅值恒定，实现两者之间的解耦，试验表明提出的补偿措施能实现负载条件下电机的稳定工作，并依此针对异步电机提出个间接矢量控制方法。但目前提出的各种方法从解耦角度看，仅仅实现了电机的电磁转矩和径向悬浮力控制之间的静态解耦，还未实现完全的动态解耦，要确保无轴承电机在过渡阶段的稳定运行，只有实现两者之间的动态解耦才是根本的保证。另外文献提出的控制方法没有考虑电机参数的变化来设计控制算法，因此，考虑电机参数的非线性变化、磁路饱和对电机控制性能的影响，研究满足电机动态性能要求的控制器、实现无轴承电机的电磁转矩和径向悬浮力控制之间的动态解耦，是无轴承交流电机的研究重要课题之一。81.4 无轴承电机的特点及应用1.4.1 无轴承电机的特点无轴承电机是根据磁轴承与电机产生电磁力原理的相似性，把磁轴承中产生径向力的绕组安装在电机定子上，通过解耦控制实现对电机转矩和径向悬浮力的独立控制。无轴承电机具有磁悬浮磁轴承所有优点，需要免维修、长寿命运行，无菌、无污染以及有毒有害液体或气体的传输是无轴承电机典型应用场合。无轴承电机因为无需滑座，所以具有以下特征：（1）几乎不产生灰尘；（2）能够高速旋转；（3）能够耐极低温、真空等难以使用润滑油的环境；（4）噪声小；（5）基本上无摩擦损失。因此一直是研究的热点。1.4.2 无轴承电机的应用目前，无轴承电机得到了如下应用：1）半导体工业在蚀刻、制板、清洗或抛光等加工过程中需用腐蚀性化学液体，产品质量很大程度上取决于化学液体质量，液体输送泵是关键的一个环节。像酸液、有机溶剂等腐蚀的化学液体，泵必须无污染可靠传输，并且泵要具有抗腐蚀和耐一定温度的要求。传统气动和薄片泵寿命短，大多数耐温最高只有 100左右，运动阀和薄片仍然会产生少量的微粒，液体传输也存在着不均匀的脉动，影响了工艺处理质量。采用无轴承电机密封泵能解决传统传输中存在的缺陷，大大满足精密半导体器件生产工艺要求。目前，功率为 300W 的无轴承电机密封泵已经在半导体工业得到应用。2）化工领域放射性环境或高温辐射环境等恶劣条件下，用无轴承电机密封泵进行废料处理，能解决机械轴承磨损和维修的难题。在化学工业，对有效密封传输和生产系统的需求进一步提高，传统的转轴密封的密封泵，机械轴承需要润滑，据报道 80%的故障是由于密封失效引起的，20%是轴承、连接及其它故障。为了安全生产，免遭环境污染，使用无轴承电机密封泵是最佳选择。目前，苏黎世联邦工学院和 Sulzer 泵公司合作完成了功率为 30kW的无轴承密封泵样机的研制和测试工作，进入了试运行阶段。3）生命科学领域心脏是生命的永动机，一旦发生故障难以修复。利用人工心脏部分或全部替代心脏功能成为心脏病患者生命延续的福音。利用机械轴承的血泵会产生摩擦和发热，使血细胞破损，引起溶血、凝血和血栓，甚至危及病人生命。苏黎世联邦工学院和 Levitronix 公司研制成功的无轴承永磁电机驱动的血泵和可以移植到人体内的心脏左心室辅助装置已经在临床中应用。1.5 无轴承电机的发展前景万能外圆磨床结构改进设计- 高速磨头无轴电机设计9轴承电机，一方面具有磁悬浮轴承的优点，如无接触、无需润滑及无磨损等，可以用于真空技术、无菌车间、腐蚀性介质或非常纯净介质的传输；另一方面电机转速可以做得很高、功率也可以很大，特别适用于高速或超高速数控机床、涡轮分子泵、离心泵、压缩机、飞轮储能装置及小型发电设备等工业领域，特别是无轴承电机比其他同功率的电机及支撑装置，体积小、重量轻、能耗小，对于提高航空肮天器的工作性能具有重要意义。无轴承电机作为一种新型结构的电动机，发展才经历 10 多年时间，研究水平还远未达到系统完善的地步，但是，其研究的进程是飞速的，国外已纷纷研制出无轴承感应电机、无轴承片状电机、无轴承同步磁阻电机、无轴承永磁同步电机等实验样机。无轴承感应电机已用于密封泵（ Canned Pump ） 、计算机硬盘驱动装置；无轴承片状电机已用于人工心脏泵中，初步显示了无轴承电机对国民经济和人民生活质量提高等方面所起的作用，相信无轴承电机的研究成果用于机械工业、机器人及航空航天等领域会对国民经济产生巨大的影响。2 高速加工技术概述高速加工概念起源于德国切削物理学家卡尔萨洛蒙（Carl Salomon）著名的切削实验及其物理延伸，1929 年他进行了高速加工模拟实验，1931 年发表了高速加工理论，提出了高速加工假设。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；在常规切削范围内切削温度随着切削速度的增大而升高，当切削速度达到临界切削速度后，切削速度再增大，切削温度反而下降，人们将该曲线称为萨洛蒙曲线。这个理论给人们一个非常重要的启示：加工时如果能超过图中所示的 B 区，而在高速区进行切削，则有可能用现有的刀具进行高速加工，从而大大地减少加工时间，成倍地提高机床的生产率。这一理论的发现为人们提供了一种在低温低能耗条件下实现高效率切削金属的方法。2.1 高速加工的定义从高速加工技术诞生至今，人们很难为高速加工做一个明确的界定，因为高速加工并不能简单地用切削速度这一参数来定义，在不同的技术发展时期、对不同的切削条件、用不同的切削刀具、加工不同的工件材料，其合理的切削速度是不一样的。从切削机理角度看，高速加工时，切削温度应随切削速度的增大而降低；从切削技术角度看，高速加工是以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的加工技术，它所采用的切削参数要比传统工艺所采用的切削参数高几倍甚至几十倍。因此，目前通常把切削速度比常规切削速度高 510 倍以上的切削称为高速加工，但对于不同的材料、不同的切削方式，其高速加工的切削速度并不相同， 早期高速加工主要用于航空航天工业铝合金零件的加工，从 20 世纪 80 年代开始，由于高速加工机床功能部件（如高速主轴、进给系统）技术取得了一定的进展及对刀具技10术的深入研究，高速加工也开始应用于一般金属零件的加工。进入 90 年代后，由于高速加工机床许多关键部件研究取得突破，机床性能有了很大的提高，同时设备价格开始下降，高速加工技术受到了许多制造企业的关注。对于当今广泛使用的数控机床、加工中心等投资费用较高的加工装备，只有大幅度降低切削工时才能进一步提高其生产效率，而大幅度降低工时，只有通过提高切削速度和进给速度的方式才能实现，所以发展高速加工技术具有十分重要的意义。2.1.1 高速加工中心的类型高速加工机床有高速加工中心、高速车床、高速钻床、高速铣床、高速磨床等，其中高速加工中心最为典型。按高速机床必须具备高主轴转速和高进给速度与加速度的技术特征，通常将高速加工中心分为两类：以高转速为主要特征的高速加工中心，即 HSM（High Speed Machining）型，这类机床一般只具有高转速而没有高进给速度。以高移动速度为主要特征的高速加工中心, 即 HVM（High Velocity Machining）型，这类机床不仅具有高主轴转速，且具有高进给速度。2.1.2 高速加工的特点加工效率高： 由于切削速度高，进给速度一般也提高 510 倍，这样，单位时间材料切除率可提高 36 倍，因此加工效率大大提高。如高速铣削加工，当切削深度和每齿进给量保持不变时