高速加工技术培训课件

1、1一、高速切削技术的概念与特征一、高速切削技术的概念与特征二、高速切削技术的特点及应用二、高速切削技术的特点及应用三、高速切削的关键技术三、高速切削的关键技术四、四、 高速切削机理高速切削机理五、五、 高速切削技术的现状以及发展趋势高速切削技术的现状以及发展趋势概要概要概要目录2高速加工技术：高速加工技术： 高速加工包括高速加工包括高速切削高速切削和和高速磨削高速磨削。 采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自动化制造设备，极大地提高材料的去除率，并保证加工精度和动化制造设备，极大地提高材料的去除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造

2、加工技术。加工质量的现代制造加工技术。 高速切削高速切削（High-speed Cutting）：）：采用比常规速度高得采用比常规速度高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。以切削速度和进给速度界定：以切削速度和进给速度界定： 高速加工的高速加工的切削速度和进给速度切削速度和进给速度为普通切削的为普通切削的510倍。倍。以主轴转速界定：高速加工的以主轴转速界定：高速加工的主轴转速主轴转速800010000 r/min。3在切削速度达到一个临界值之后的一个在切削速度达到一个临界值之后的一个范围内，切削速度增加，则切削温度下范围内，切削速度增加，则切

3、削温度下降。降。4高速加工高速加工切削速度切削速度刀具寿命刀具寿命切削力切削力图图4.8-1 所罗门（所罗门（Salomon）曲线）曲线 1960年前后美国空军和年前后美国空军和Lockheed飞机公司研究了用于轻飞机公司研究了用于轻合金材料的超高速铣削（切削速度达合金材料的超高速铣削（切削速度达15004500m/min） 德国，全面而系统研究超高速切削机床、刀具、控制系德国，全面而系统研究超高速切削机床、刀具、控制系统以及相关工艺技术，并广泛应用，获得好的经济效益统以及相关工艺技术，并广泛应用，获得好的经济效益 Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣，的理论与实验结果，引发了

4、人们极大的兴趣，并由此产生了并由此产生了“高速切削（高速切削（HSC）”的概念的概念 日本在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现日本在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已成为世界上超高速机床的主要提供者已成为世界上超高速机床的主要提供者 高速加工的产生和发展高速加工的产生和发展5 高速加工切削速度范围因不同的高速加工切削速度范围因不同的工件材料工件材料而异而异车削车削(Turing)：700-7000 m/min铣削铣削(Milling)：300-6000 m/min钻削钻削(Drilling)：200-1100 m/min磨削磨削(Grinding)：50-300 m/s镗削（

5、镗削（Boring）：）：35-75m/min 高速加工切削速度范围随高速加工切削速度范围随加工方法加工方法不同也有所不同不同也有所不同铝合金铝合金(Aluminum Alloy)：1000-7000 m/min铜铜(Cu)：900-5000 m/min钢钢(Steel)：500-2000 m/min灰铸铁灰铸铁(Gray cast iron)：800-3000 m/min钛钛(Ti)：100-1000m/min62.高速加工切削速度的范围高速加工切削速度的范围7 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异（图高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异（图1 1）高速与超高速切削速度范围高速与超高

6、速切削速度范围 10 100 1000 10000切削速度切削速度V（m/min）塑料塑料铝合金铝合金铜铜铸铁铸铁钢钢钛合金钛合金镍合金镍合金 由于刀具、工件材料和加工工艺的多由于刀具、工件材料和加工工艺的多样性，对高速切削不可能用一个确定的速样性，对高速切削不可能用一个确定的速度指标来定义。度指标来定义。 ISO1940ISO1940规定主轴转速大于规定主轴转速大于8000r/min8000r/min的加工形式为高速切削。的加工形式为高速切削。 现阶段一般把主轴转速在现阶段一般把主轴转速在10000r/min10000r/min以上的加工形式视为高速切削。以上的加工形式视为高速切削。8高速切

7、削的主轴临界转速高速切削的主轴临界转速 事实上，事实上，HSMHSM不是简单意义上的高切削速度。不是简单意义上的高切削速度。它应当被认为是用特定方法和生产设备进行加工的它应当被认为是用特定方法和生产设备进行加工的工艺。工艺。 93.HSM意义意义一、一、 高速切削技术的概念与特征高速切削技术的概念与特征二、二、 高速切削技术的特点及应用高速切削技术的特点及应用三、三、 高速切削关键技术高速切削关键技术四、高速切削机理四、高速切削机理五、高速切削技术的现状以及发展趋势五、高速切削技术的现状以及发展趋势概要概要10概要目录111.高速加工的特点高速加工的特点 切削力小：较常规切削至少降低30%，径

8、向力降低更明显。工件受力变形小，适于加工薄壁件和细长件 切削热小：加工过程迅速，95%以上切削热被切屑带走，工件积聚热量极少，温升低，适合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件，可提高加工精度 动力学特性好：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动，可获得好的表面粗糙度 可加工硬表面：高速切削可加工硬度HRC45-65的淬硬钢铁件，在一定条件下可取代磨削加工或某些特种加工 环保：可实现“干切”和“准干切”，避免冷却液污染 加工效率高：进给率较常规切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍高效率高效率高质量高质量低消耗低消耗高精度高精度12高速加工的特点高速加工的特点 主轴转速高，进

9、给速度快，单位时间内主轴转速高，进给速度快，单位时间内的材料去除量反而增加了。因此，加工效率的材料去除量反而增加了。因此，加工效率也相应提高了。也相应提高了。高速切削条件下，虽然切削深度和厚度小，但由于高速切削条件下，虽然切削深度和厚度小，但由于13机床主轴转速高机床主轴转速高 当前主流的高速加工设备主轴转数已经普遍超过当前主流的高速加工设备主轴转数已经普遍超过2万万转，更高的可达到转，更高的可达到6、7万转以上。万转以上。进给速度快进给速度快 通常快速空行程通常快速空行程4060米米/分分,更快的可达更快的可达80100米米/分分去除率增加去除率增加 以瑞士以瑞士MIKRONMIKRON公司

10、生产公司生产HSM-700HSM-700高速铣床为例，高速铣床为例，其最高转速可达其最高转速可达42000r/min42000r/min，是普通铣削转速的几，是普通铣削转速的几十倍，加工效率自然远远高于普通铣削加工。十倍，加工效率自然远远高于普通铣削加工。14高效率高效率 对于同样的切削层参数，由于高速带来突对于同样的切削层参数，由于高速带来突变滑移减少硬化阻力，使得高速切削的单位切变滑移减少硬化阻力，使得高速切削的单位切削力明显减小。这对减小振动和偏差非常重要削力明显减小。这对减小振动和偏差非常重要，也使工件在切削过程的受力变形显著减小。，也使工件在切削过程的受力变形显著减小。特别有利于提高

11、薄壁细筋件等刚性差零件的高特别有利于提高薄壁细筋件等刚性差零件的高速精密加工。速精密加工。15高精度高精度 一方面，高速切削的力值及其变化幅度小，与一方面，高速切削的力值及其变化幅度小，与主轴转速有关的激振频率远远高于切削工艺系统的主轴转速有关的激振频率远远高于切削工艺系统的高阶固有频率。高阶固有频率。 另一方面，由于传入工件的切削热的比例大另一方面，由于传入工件的切削热的比例大幅度减少，加工表面受热时间短、切削温度低，幅度减少，加工表面受热时间短、切削温度低，因此热影响区和热影响程度都较小。加工表面质因此热影响区和热影响程度都较小。加工表面质量显著提高。量显著提高。16高质量高质量 高速加工

12、机床振动小、噪声低、少用或不用高速加工机床振动小、噪声低、少用或不用切削液，也符合环保要求。切削液，也符合环保要求。 高速切削时，单位功率所切削的切削层材料高速切削时，单位功率所切削的切削层材料体积显著增大。由于采用较小的背吃刀量，刀具体积显著增大。由于采用较小的背吃刀量，刀具每刃的切削量很小，因而机床的主轴、导轨的受每刃的切削量很小，因而机床的主轴、导轨的受力就小，机床的精度寿命长，同时刀具寿命也延力就小，机床的精度寿命长，同时刀具寿命也延长了。长了。 17低消耗低消耗18铝、铜合金的高速切削加工铝、铜合金的高速切削加工 铝、铜合金的强度和硬度相对较低，导热性铝、铜合金的强度和硬度相对较低，

13、导热性好，适于进行高速切削加工，不仅可以获得高好，适于进行高速切削加工，不仅可以获得高的生产率，还可以获得好的加工表面质量。的生产率，还可以获得好的加工表面质量。 切削铝、铜合金可选用的刀具材料有硬质合切削铝、铜合金可选用的刀具材料有硬质合金、金刚石镀层硬质合金以及金、金刚石镀层硬质合金以及PCD等。等。 19表表2 PCD刀具切削铝、铜合金实例刀具切削铝、铜合金实例加工对象加工对象加工方式加工方式工艺参数工艺参数刀具参数刀具参数加工效果加工效果车辆汽缸体车辆汽缸体AiSi17Cu4Mg合金合金精铣精铣v = 800m/mimvz = 0.08mm/齿齿a p= 0.5mm12mm方形刀方形刀

14、片片齿数齿数z = 1212Ra=0.8m，可连续加工，可连续加工500件件（使用（使用WC基硬质合金只能加基硬质合金只能加工工25件）件）照相机机身照相机机身13硅铝合金硅铝合金精铣精铣v = 2900m/mimvz = 0.018mm/齿齿a p= 0.5mm齿数齿数z = 41012Ra=0.80.4m，可连续加工，可连续加工20000件（使用件（使用WC基硬质合基硬质合金只能加工金只能加工250件）件）活塞环槽活塞环槽LM24铝合金铝合金车削车削v = 590m/mimf = 0.2mm/ra p= 10mm10122可连续加工可连续加工2500件，无颤振件，无颤振活塞式阀门活塞式阀门

15、LM24铝合金铝合金钻孔钻孔v = 132m/mimvf = 380mm/min麻花钻麻花钻可连续加工可连续加工5000件，取代硬质件，取代硬质合金钻头定中心、钻孔、铰孔合金钻头定中心、钻孔、铰孔整流子整流子CDA105铜合铜合金金精车精车v = 350m/mimf = 0.05mm/ra p= 0.25mm, 干切干切07r0.5mm可连续加工可连续加工2500件（使用件（使用WC基硬质合金只能加工基硬质合金只能加工50件）件）油泵喷射内孔油泵喷射内孔GdAlSi12Cu 硅铝合金硅铝合金精镗精镗v = 173m/mimf = 0.02mm/ra p= 0.2mm阶梯镗刀阶梯镗刀Ra=0.3

16、5m，每把刀可加工，每把刀可加工150000件件20铸铁与钢高速切削加工铸铁与钢高速切削加工 不仅可以获得高的加工效率和好的表面质量，还可以对淬硬钢和冷硬铸铁进行切削加工，实现以切代磨。表表3 PCBN刀具高速切削钢和铸铁实例刀具高速切削钢和铸铁实例以铣代磨，工效提高以铣代磨，工效提高56倍倍v =850m/mim立铣立铣HRC3840Cr钢钢Ra =0.8m，平面度，平面度0.02mv =1200m/mim 端铣端铣Cr、Cu铸铁铸铁连续加工连续加工2600件，件，Ra =0.8mv = 460m/mimf = 0.24mm/ra p= 0.3mm, 干切干切精镗精镗HB210汽缸套孔汽缸套

17、孔珠光体铸铁珠光体铸铁以铣代磨，工效提高以铣代磨，工效提高67倍，倍，Ra= 1.60.8m，平面度，平面度0.02mv = 800m/mimvf = 100mm/min端铣端铣A3热压板热压板以车代磨，工效提高以车代磨，工效提高45倍，倍， Ra=0.80.4mv = 180m/mimf = 5.6mm/ra p= 1.5mm车削车削HRC71轧辊轧辊Cr15钢钢加工效果加工效果工艺参数工艺参数加工方式加工方式硬度硬度加工对象加工对象21难加工材料的高速切削加工难加工材料的高速切削加工 钛合金、镍合金、硬质合金和高温合金等，采用合适的PCD或PCBN刀具进行高速切削可以获得较好的效果 表表4

18、 PCBN刀具在高速切削中的应用实例刀具在高速切削中的应用实例行程达行程达13000m，Ra=1.60.8mv=110m/min f =0.08mm/ra p= 0.3mm镗孔镗孔HRC50柴油机机体主轴柴油机机体主轴承孔（表面热喷承孔（表面热喷涂镍基合金）涂镍基合金）Ra=1.60.8mv=200m/mim vf =50mm/mima p= 0.5mm铣削铣削HV330钛合金钛合金Ti6Al4V工效较电火花加工提高工效较电火花加工提高30倍，倍， Ra=0.80.4mv=50m/mimf = 0.1mm/ra p= 0.1mm镗孔镗孔HRA87冷挤压模冷挤压模YG15加工效果加工效果工艺参数

19、工艺参数加工方式加工方式硬度硬度加工对象加工对象软材料的高速切削加工软材料的高速切削加工 如橡胶、塑料、木头等，高速切削加工表面极为光洁，这对于普通切削加工是很难做到的 22航空航天航空航天 大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件适于采用高速加工，材料去除率达100-180cm3/min。 镍合金、钛合金高速加工，切削速度达200-1000 m/min（超）高速切削应用于航空航天工业的大型柔性件加工，提高工效10倍。 对一些“整体制造法”零件，高速切削大大提高生 产效率和产品质量，降低制造成本例如：波音公司在生产波音F-15战斗机时，采用“整体制造法”，飞机零件数量减少了42%，用高速铣削代替组装

20、方法得到大型薄壁构件，减少了装配等工艺过程。 23航空航天航空航天 高速加工薄壁样件（厚度0.1mm）增压器叶轮实物24高速加工薄壁样件（壁厚0.1mm，高度20mm）汽车发动机及其配件的高速切削加工汽车覆盖件及零件模具的高速切削加工u 汽车制造业汽车制造业高速加工中心组成柔性生产线(FTL) 例如：国内如一汽大众捷达轿车自动生产线，由冲压、焊接、涂装、总装、发动机及传动器等高速生产线组成，年产轿车能力15万辆，制造节拍1150辆/min；2526汽车工业汽车工业 采用高速NC机床和高速加工中心组成高速柔性生产线，实现多品种、中小批量的高效生产专用机床专用机床5轴轴4工序工序 = 20轴（轴（

21、3万件万件/月）月）刚性（零件、孔数、孔径、孔型刚性（零件、孔数、孔径、孔型固定不变）固定不变）1234钻孔钻孔 表面倒棱表面倒棱 内侧倒棱内侧倒棱 铰孔铰孔表面和内侧倒棱表面和内侧倒棱高速钻孔高速钻孔高速加工中心高速加工中心1台台1轴轴1工序（工序（3万件万件/月）月）柔性（零件、孔数、孔径、柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）孔型可变）汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）汽车车门外覆盖件模具的高速加工汽车车门外覆盖件模具的高速加工 高速加工与传统数控加工的时间比较：高速加工与传统数控加工的时间比较：传统加工：传统加工：50H.，钳工修复：，钳工修复：9

22、0H.，总计；，总计；140H.HSM：16.5H.，手工修复：，手工修复：15H.，总计：，总计：31.5H. 模具尺寸：模具尺寸：1400 x1200 x600mm 模具重量：模具重量：2500kg 毛坯材料：毛坯材料：GGG30(相相当于当于HT300) 材料硬度：材料硬度：HB24027u 模具加工业模具加工业淬硬模具型腔的直接高速加工，提高模具加工质量和效率，可取代电火花加工EDM电极加工，提高电火花加工质量和效率，减少后续加工工序快速样件制造，比快速原型制造技术效率高、质量好应用于精密模具的加工，可实现淬火钢模具加工“一次过”，直接达到级精度及接近镜面的表面质量2829模具制造模具

23、制造 高速铣削代替传统电火花成形加工，效率提高3-5倍 1毛坯毛坯 2粗铣粗铣 3半精铣半精铣 4热处理热处理5电火花加工电火花加工6精铣精铣 7手工磨修手工磨修 电极制造电极制造传统模具加工的过程高速模具加工的过程1硬化毛坯硬化毛坯 2粗铣粗铣 3半精铣半精铣 4精铣精铣 5手工磨修手工磨修 两种模具加工过程比较照相机按纽勺子反射镜30高速加工的塑料模具高速加工的塑料模具连杆钳子31高速加工锻造模具高速加工锻造模具加工加工场场景景模具材料从铸铁到铸钢、铸铝和合金铸钢，塑料的轮胎型芯,用传统方法(手工) 需十几道工序, 时间20 d 以上采用超高速铣削, 转速18000 rpm , ap=2m

24、m , vf =10m/min ,时间24h32高速加工高速加工的的橡胶轮胎模橡胶轮胎模压铸模吸塑模331.1.高速加工的加工精度高、表面质量好，生产效率很高，在高速加工的加工精度高、表面质量好，生产效率很高，在模具工业中的应用效果非常好，符合现代制造技术模具工业中的应用效果非常好，符合现代制造技术“高效率高效率、高精度和高度自动化、高精度和高度自动化”的发展方向，有广阔的应用前景的发展方向，有广阔的应用前景2.2.电火花成形加工对一些尖角、窄槽、深小孔和过于复杂的电火花成形加工对一些尖角、窄槽、深小孔和过于复杂的型腔表面的精密加工还是有用的型腔表面的精密加工还是有用的3.3.高速加工还不能完

25、全代替电火花成形加工，两者应该扬长高速加工还不能完全代替电火花成形加工，两者应该扬长避短，相辅相成避短，相辅相成4.高速加工的一次性设备投资比较大，并不是所有企业都能承高速加工的一次性设备投资比较大，并不是所有企业都能承受受5.高速加工以其巨大的优势冲击传统的电加工工艺，特别是对高速加工以其巨大的优势冲击传统的电加工工艺，特别是对模具工业而言模具工业而言,大规模设备更新的时代即将到来大规模设备更新的时代即将到来34石墨电极石墨电极薄壁铜电极薄壁铜电极高速加工的应用高速加工的应用电极加工电极加工35一、高速切削技术的概念与特征一、高速切削技术的概念与特征二、高速切削技术的特点及应用二、高速切削技

26、术的特点及应用三、高速切削的关键技术三、高速切削的关键技术四、高速切削机理四、高速切削机理五、高速切削技术的现状以及发展趋势五、高速切削技术的现状以及发展趋势概要概要36概要目录切切 削削机机 理理加加 工工工工 艺艺切切 削削刀刀 具具高高 速速机机 床床加工工件加工工件监控与测试监控与测试表面完整性表面完整性加工寿命加工寿命切削热切削热切削力切削力切屑机理切屑机理CAD/CAMNC编程编程加工参数加工参数工艺优化工艺优化数据库数据库刀具材料刀具材料刀体结构刀体结构刀刃形状刀刃形状刀柄结构刀柄结构动平衡动平衡温控系统温控系统换刀装置换刀装置基本结构基本结构冷却系统冷却系统CNC控制控制高速主

27、轴高速主轴装卸装卸稳定性稳定性进给机构进给机构安全防护安全防护工件材料工件材料加工特征加工特征定位加紧定位加紧高速切削加工系统高速切削加工系统3738实时监控与安全保障系统实时监控与安全保障系统 图图3 高速加工技术体系及关键技术高速加工技术体系及关键技术高速加工体高速加工体系结构及关系结构及关键技术键技术高速加工刀具高速加工刀具工件工件高速加工工艺高速加工工艺工件材料工件材料定位夹紧定位夹紧动平衡动平衡高速加工机床高速加工机床机床整体结构机床整体结构机床主轴系统机床主轴系统机床进给系统机床进给系统冷却系统冷却系统安全防护装置安全防护装置数控系统数控系统实时监控系统实时监控系统切削力切削力切削

28、热切削热切屑形态切屑形态切削振动切削振动切削方式切削方式路径规划路径规划加工参数选取加工参数选取工序、工步优化设计工序、工步优化设计刀具材料与结构设计刀具材料与结构设计刀具使用寿命刀具使用寿命磨损、破损机理与在线检测磨损、破损机理与在线检测动平衡动平衡刀具刃磨与修整刀具刃磨与修整高速切削与磨削机理高速切削与磨削机理机床？机床？装备装备刀具？刀具？ 材料？材料？结构？结构？参数？参数？磨损？磨损？主轴？主轴？轴承？轴承？进给系统？进给系统？驱动系统？驱动系统？实时监控系统？实时监控系统？39装备系统40制造厂家（制造厂家（国别）国别）机床名称机床名称/型号型号主轴最高转主轴最高转速速/(r/mi

29、n)最大进给速最大进给速度度/(m/min)主轴驱动主轴驱动动率动率kWCincinnatiMilacron（美）（美）HyperMach五轴加工中心五轴加工中心600006010080Ingersoll（美）（美）HVM800卧式加工中心卧式加工中心2000076.245Mikron（瑞士）（瑞士）VCP710立式加工中心立式加工中心420003014 EX-cell-o（德）（德）XHC241卧式加工中心卧式加工中心2400012040Roders（德）（德）RFM1000立式加工中心立式加工中心420003030Mazak（日）（日）SMM-2500UHS立式加工中心立式加工中心5000

30、05045Nigata（日）（日）VX40加工中心加工中心500002018.5Makino（日）（日）A55-A128立式加工中心立式加工中心400005022表表1 高速加工中心高速加工中心 41Modern 2412立式加工中心立式加工中心（美国）（美国）42DMU60T5轴高速加工中心（德国）轴高速加工中心（德国）43 东芝高速立式加工中心（日本）东芝高速立式加工中心（日本） 噪音小噪音小启停性能良好启停性能良好足够的刚性足够的刚性和回转精度和回转精度先进的润滑冷却系统先进的润滑冷却系统可靠的主轴检测系统可靠的主轴检测系统大功率大功率结构紧凑结构紧凑总质量小总质量小热稳定性良好热稳定性

31、良好主主轴轴系系统统(1)主主轴轴系系统统44高速切削对主轴系统的要求：高速切削对主轴系统的要求： 为了提高机床的主轴静态和动态精度，为了提高机床的主轴静态和动态精度，必须减少各主轴部件的制造误差及装备误差必须减少各主轴部件的制造误差及装备误差，更重要的是，应尽可能减少主轴系统中的，更重要的是，应尽可能减少主轴系统中的误差源，尽可能缩短主轴传动链的长度。借误差源，尽可能缩短主轴传动链的长度。借助电气传动技术，主轴电动机与机床主轴助电气传动技术，主轴电动机与机床主轴“合二为一合二为一”的传动结构形式的传动结构形式“电主轴电主轴”应应运而生。由于主要采用交流高频电动机，故运而生。由于主要采用交流高

32、频电动机，故又称又称“高频主轴高频主轴”。45电主轴的由来电主轴的由来 电动机定子通过电动机定子通过冷却套固装在电主轴冷却套固装在电主轴壳体中，其转子就是壳体中，其转子就是机床的主轴，电主轴机床的主轴，电主轴箱体就是电动机座。箱体就是电动机座。 主轴转速通过电动机的变频调速与矢量控制装置来改变。主轴转速通过电动机的变频调速与矢量控制装置来改变。在主轴的后部安装有出盘和测速、测角传感器，主轴前端外伸在主轴的后部安装有出盘和测速、测角传感器，主轴前端外伸部分的内锥孔和端面用于安装和固定加工中心可换刀柄。部分的内锥孔和端面用于安装和固定加工中心可换刀柄。46电主轴工作原理：电主轴工作原理：47高速主

33、轴电动机的冷却系统结构示意图高速主轴电动机的冷却系统结构示意图 在国外，电主轴已成为一种机电一体化的高科技产品。在国外，电主轴已成为一种机电一体化的高科技产品。国际上著名的电主轴生产厂家有：瑞士的国际上著名的电主轴生产厂家有：瑞士的FISCHERFISCHER公司、公司、IBAGIBAG公公司和司和STEP-UPSTEP-UP公司，德国的公司，德国的GMNGMN公司和公司和FAGFAG公司，美国的公司，美国的PRECISEPRECISE公司，意大利的公司，意大利的GAMFIORGAMFIOR公司和公司和FORMATFORMAT公司，日本的公司，日本的NSKNSK公司和公司和KOYOKOYO公司

34、以及瑞典的公司以及瑞典的SKFSKF公司。中国：洛阳轴承研究所、广州机公司。中国：洛阳轴承研究所、广州机床研究所。床研究所。48各国的电主轴公司各国的电主轴公司49适合小孔钻削适合小孔钻削陶瓷轴承陶瓷轴承磁悬浮轴承磁悬浮轴承50(2)(2)高速主轴常用轴承高速主轴常用轴承 陶瓷球轴承具有耐温高、转速高、寿命长、绝缘的特点陶瓷球轴承具有耐温高、转速高、寿命长、绝缘的特点, ,且其本身具有自润滑性，常用的陶瓷球材料有氧化锆（且其本身具有自润滑性，常用的陶瓷球材料有氧化锆（ZRO2ZRO2）和氮化硅（和氮化硅（SI3N4SI3N4）；常用的套圈材料有轴承钢（）；常用的套圈材料有轴承钢（GCR15GC

35、R15）和不）和不锈铁（锈铁（440440、440C440C）及不锈钢。）及不锈钢。51陶瓷轴承陶瓷轴承52陶瓷轴承高速主轴结构陶瓷轴承高速主轴结构冷却水出口冷却水出口图图18 陶瓷轴承高速主轴陶瓷轴承高速主轴陶瓷球轴承陶瓷球轴承密封圈密封圈旋转变压器旋转变压器电主轴电主轴陶瓷球轴承陶瓷球轴承冷却水入口冷却水入口53陶瓷轴承高速主轴陶瓷轴承高速主轴F 采用采用C或或B级精度角接触球轴承，轴承布置与传统磨级精度角接触球轴承，轴承布置与传统磨床主轴结构相类似床主轴结构相类似F 采用采用“小珠密球小珠密球”结构，滚珠材料结构，滚珠材料Si3N4F 采用电动主轴（电机与主轴作成一体）；采用电动主轴（电

36、机与主轴作成一体）；F 轴承转速特征值（轴承转速特征值（= 轴径（轴径（mm）转速（转速（r/min）较普通钢轴承提高较普通钢轴承提高1.2 2倍，可达倍，可达0.51106。F 与钢球相比，陶瓷轴承的优点是：与钢球相比，陶瓷轴承的优点是： 陶瓷球密度减小陶瓷球密度减小60%，可大大降低离心力，可大大降低离心力 弹性模量比钢高弹性模量比钢高50%，使轴承具有更高刚度，使轴承具有更高刚度 陶瓷摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率损失陶瓷摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率损失 陶瓷耐磨性好，轴承寿命长陶瓷耐磨性好，轴承寿命长 磁悬浮轴承（磁悬浮轴承（Magnetic BearingMagne

37、tic Bearing）是利用磁力作用将转）是利用磁力作用将转子悬浮于空中子悬浮于空中, ,使转子与定子之间没有机械接触。磁感应线与磁使转子与定子之间没有机械接触。磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空。机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命撑，形成整个转子悬空。机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染。长、无需润滑、无油污染。 54磁悬浮轴承磁悬浮轴承5556 电磁铁绕组通过电

38、流，对转子产生吸力，与转子重量平衡电磁铁绕组通过电流，对转子产生吸力，与转子重量平衡，转子处于悬浮平衡位置（图，转子处于悬浮平衡位置（图19）。转子受扰动后，偏离其）。转子受扰动后，偏离其平衡位置。传感器检测出转子位移，并将位移信号送至控制平衡位置。传感器检测出转子位移，并将位移信号送至控制器。控制器将位移信号转换成控制信号，经功率放大器变换器。控制器将位移信号转换成控制信号，经功率放大器变换为控制电流，改变吸力方向，使转子重新回到平衡位置。为控制电流，改变吸力方向，使转子重新回到平衡位置。放放大大器器控控制制器器电磁铁（定子）电磁铁（定子）传感器传感器转子转子图图19 磁悬浮轴承工作原理磁悬

39、浮轴承工作原理 位移传感器通常为非位移传感器通常为非接触式，其数量一般为接触式，其数量一般为5-7个，对其灵敏度和个，对其灵敏度和可靠性要求均较高。可靠性要求均较高。 控制器设计较复杂，控制器设计较复杂，使磁悬浮轴承成本较高使磁悬浮轴承成本较高（一套磁悬浮轴承售价（一套磁悬浮轴承售价约约1万美元）。万美元）。57前辅助轴承前辅助轴承电主轴电主轴双面轴向双面轴向推力轴承推力轴承前径向轴承前径向轴承后径向轴承后径向轴承后辅助轴承后辅助轴承前径向传感器前径向传感器后径向传感器后径向传感器轴向传感器轴向传感器图图20 磁浮轴承高速主轴磁浮轴承高速主轴58 主轴由两个径向和两个轴向磁浮轴承支承，磁浮轴承

40、主轴由两个径向和两个轴向磁浮轴承支承，磁浮轴承定子与转子间空隙约定子与转子间空隙约0.1mm。 刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度10倍。倍。 转速特征值可达转速特征值可达4106。 回转精度主要取决于传感器的精度和灵敏度，以及控回转精度主要取决于传感器的精度和灵敏度，以及控制电路性能，目前可达制电路性能，目前可达0.2m。 机械结构及电路系统均较复杂；又由于发热多，对冷机械结构及电路系统均较复杂；又由于发热多，对冷却系统性能要求较高。却系统性能要求较高。59液体（气体）静压轴承液体（气体）静压轴承 回转精度高回转精度高 液体静压轴承回转误差在液体静压轴承回转误差在0.2

41、m以下，空气静压轴承以下，空气静压轴承回转误差在回转误差在0.05m以下；以下； 功率损失小；功率损失小； 转速特征值：转速特征值： 液体静压轴承转速特征值可达液体静压轴承转速特征值可达1106，空气静压轴承，空气静压轴承转速特征值可达转速特征值可达3106 。 空气静压轴承承载能力较小。空气静压轴承承载能力较小。静压轴承静压轴承瑞士瑞士IBGA公司的水介质静压电主轴公司的水介质静压电主轴60转速特征值转速特征值(=(=轴径轴径(km(km) )转转(r/min) )(r/min) )回转精回转精度度/m/m轴承材料轴承材料特点特点应用应用滚珠轴承滚珠轴承高速主轴高速主轴 0.5-10.50.

42、5陶瓷珠陶瓷珠, ,如如Si3N4 成本低成本低, ,结构简单结构简单, ,转速和回转精度受限转速和回转精度受限制制各种高速加工机床各种高速加工机床和加工中心等和加工中心等液体静压液体静压轴承高速轴承高速主轴主轴 1 10.233 0.05 0.05轴承钢轴承钢, ,多多孔石墨孔石墨成本很高成本很高, ,刚性刚性较差较差, ,转速和回转转速和回转精度很高精度很高精密磨削，铣精密磨削，铣削、雕刻、微小削、雕刻、微小孔钻削及抛光等孔钻削及抛光等 磁浮轴承磁浮轴承高速主轴高速主轴4 40.20.2合金钢合金钢成本很高成本很高, ,结构复结构复杂杂, ,刚性好刚性好, ,转速和回转速和回转精度高转精度

43、高加工加工中心中心 61各种各种精密高速电主轴的精密高速电主轴的特点特点1.1.向高速大功率和低速大转矩方向发展向高速大功率和低速大转矩方向发展2.2.向高精度、高刚度方向发展向高精度、高刚度方向发展3.3.向精确定向（准停）方向发展向精确定向（准停）方向发展4.4.向快速起、停方向发展向快速起、停方向发展5.5.向超高速方向发展向超高速方向发展6.6.向标准化方向发展向标准化方向发展62高速电主轴的发展趋势高速电主轴的发展趋势高速度（高速度（60120m/min）1 高加速度（普通机床高加速度（普通机床12g，最高可达，最高可达210g）2高静态、动态精度高静态、动态精度3高安全性高安全性4

44、低成本低成本563(3)(3)高速进给系统高速进给系统64 要求不仅仅能够达到高速运动，而且要求瞬时达到高速要求不仅仅能够达到高速运动，而且要求瞬时达到高速、瞬时准停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定、瞬时准停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度。位精度。 高速进给系统包括进给伺服驱动技术、滚动元件导向技高速进给系统包括进给伺服驱动技术、滚动元件导向技术、高速测量与反馈控制技术和其他周边技术，如冷却和术、高速测量与反馈控制技术和其他周边技术，如冷却和润滑、防尘、防切屑、降噪及安全技术等。润滑、防尘、防切屑、降噪及安全技术等。 目前常用的高速进给系统有三种主要的驱动方式：目前常用

45、的高速进给系统有三种主要的驱动方式：高速高速滚珠丝杠、直线电动机和虚拟轴机构滚珠丝杠、直线电动机和虚拟轴机构。和高速进给系统相。和高速进给系统相关联的还有工作台（拖板）、导轨的设计制造技术等等。关联的还有工作台（拖板）、导轨的设计制造技术等等。 对高速机床进给驱动系统的要求对高速机床进给驱动系统的要求 滚珠丝杠是将旋转运动转换成执行件的直线运动的运动转换机构，由螺母、丝滚珠丝杠是将旋转运动转换成执行件的直线运动的运动转换机构，由螺母、丝杠、滚珠、回珠器、密封环等组成。滚珠丝杠的摩擦系数小，传动效率高。滚珠丝杠、滚珠、回珠器、密封环等组成。滚珠丝杠的摩擦系数小，传动效率高。滚珠丝杠主要承受轴向载

46、荷，因此对丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高，长采用角接触杠主要承受轴向载荷，因此对丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高，长采用角接触球轴承或双向推力圆柱滚子轴承与滚针轴承的组合轴承方式。球轴承或双向推力圆柱滚子轴承与滚针轴承的组合轴承方式。传统的滚珠丝杠副在数控机床中应用比较广泛，但其在高速场合下具有下列缺点：传统的滚珠丝杠副在数控机床中应用比较广泛，但其在高速场合下具有下列缺点：系统刚度低，动态特性差。系统刚度低，动态特性差。 高速下热变形严重。高速下热变形严重。噪声大，寿命低，不易检验维修。噪声大，寿命低，不易检验维修。1)滚珠丝杠滚珠丝杠65传统滚珠丝杠副缺点传统滚珠丝杠副缺点：提高系统刚度

47、。丝杠采用中空结构，并进行预拉伸处理；底稿丝提高系统刚度。丝杠采用中空结构，并进行预拉伸处理；底稿丝杠的支撑刚度；优化滚珠滚道接触状态；提高系统的接触刚度。杠的支撑刚度；优化滚珠滚道接触状态；提高系统的接触刚度。增大丝杠螺母的导程和螺纹头数，提高运动精度。增大丝杠螺母的导程和螺纹头数，提高运动精度。强制冷却，减小热变形。可将循环冷却液通入其内部。强制冷却，减小热变形。可将循环冷却液通入其内部。采用新型螺母结构。例如减小滚珠直径，钢珠中空。采用新型螺母结构。例如减小滚珠直径，钢珠中空。采用新材料制造滚珠。例如陶瓷。采用新材料制造滚珠。例如陶瓷。对螺母预紧力进行控制。可以使用压电陶瓷。对螺母预紧力

48、进行控制。可以使用压电陶瓷。采用螺母旋转丝杠不动的运动方案。采用螺母旋转丝杠不动的运动方案。采用双电动机驱动结构。使其分别驱动丝杠和螺母。采用双电动机驱动结构。使其分别驱动丝杠和螺母。66针对滚珠丝杠副传动的优化措施：针对滚珠丝杠副传动的优化措施：高速滚珠丝杠螺母副制造困难，成本较高。高速滚珠丝杠螺母副制造困难，成本较高。速度和加速度的提高有较大限制。速度和加速度的提高有较大限制。进给行程有限（进给行程有限（4 42m2m） 。全闭环时系统稳定性较差。全闭环时系统稳定性较差。 与传统的滚珠丝杠副结构相比，直线电动机高速进给与传统的滚珠丝杠副结构相比，直线电动机高速进给系统有诸多优点。系统有诸多

49、优点。67滚珠丝杠副传动滚珠丝杠副传动不能克服的问题不能克服的问题： 直线伺服电动机是一种能直接将电能转化为直线伺服电动机是一种能直接将电能转化为直线运动机械能的电力驱动装置，是适应超高速直线运动机械能的电力驱动装置，是适应超高速加工技术发展的需要而出现的一种新型电动机。加工技术发展的需要而出现的一种新型电动机。它代替了传统的由回转型伺服电动机加滚珠丝杠它代替了传统的由回转型伺服电动机加滚珠丝杠的伺服进给系统的伺服进给系统 其最大的特点是从电动机到工作台之间的一其最大的特点是从电动机到工作台之间的一切中间传动都没有了，可直接驱动工作台进行直切中间传动都没有了，可直接驱动工作台进行直线运动，使工

50、作台的加线运动，使工作台的加/ /减速提高到传统机床的减速提高到传统机床的10102020倍，速度提高倍，速度提高3 34 4倍。倍。682)2)直线伺服电动机直线伺服电动机定子定子初级初级转子转子次级次级旋转磁场旋转磁场平磁场平磁场69直线伺服电动机工作原理：直线伺服电动机工作原理： 直线伺服电动机也分为同步式与感应式两种。直线伺服电动机也分为同步式与感应式两种。通电绕组通电绕组初级初级永磁铁永磁铁次级次级70同步式同步式 感 应 式 与 同感 应 式 与 同步式最大的区别是步式最大的区别是在定件上用不同点在定件上用不同点的绕组取代同步式的绕组取代同步式的永磁铁，且每个的永磁铁，且每个绕组中

51、的每一匝都绕组中的每一匝都是短路的。通电后是短路的。通电后在定件和动件之间在定件和动件之间的间隙中产生一个的间隙中产生一个大的行波磁场，依大的行波磁场，依靠磁力推动工作台靠磁力推动工作台做直线运动。做直线运动。71位置测量系统位置测量系统机床滑台机床滑台初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈导轨导轨感应式感应式1.1.加速度大。加速度大。直线电机的启动推力大，结构简单重量轻，运动变换时的过渡直线电机的启动推力大，结构简单重量轻，运动变换时的过渡过程短，可实现灵敏的加速和减速，其加速度可高达（过程短，可实现灵敏的加速和减速，其加速度可高达（2 21010）g g。滚珠丝杠。滚珠丝杠工作台从静止到工作台从静止到25m/min25m/min，需时，需时0.5s0.5s，而直线电动机驱动工作台从静止到，而直线电动机驱动工作台从静止到75m/min75m/min，只需，只需0.05s0.05s。2.速度高。速度高。直线电机直接驱动工作台，无任何中间机械传动元件，无旋转运动直线电机直接驱动工作台，无任何中间机械传动元件，无旋转运动，不受离心力的作用，可容易地实现高速直线运动，其最大进给速度以达到，不受离心力的作用，可容易地实现高速直线运动，其最大进给速度以达到150m180m/min。3.定位精度高。