补充第3章第四节高速加工机床

1、第四节第四节 高速加工机床高速加工机床 r简介简介r高速主轴技术高速主轴技术r高速机床的进给系统高速机床的进给系统 r高速加工机床的数控系统高速加工机床的数控系统 简介简介u高速切削的基本理论在70多年前就已提出，由于缺乏相应的高速机床技术的支持，相应的高速切削技术却发展缓慢；u近十几年来，随着科学技术水平的不断提高，特别是机床各主要单元技术（如电主轴技术，高精度、高速度CNC技术，高速进给技术以及高速刀具技术等）的迅速发展，极大地促进了高速机床的制造水平，使得高速切削技术的应用日益广泛。 简介简介高速铣削技术直接加工的汽车曲轴锻模在高速加工中心上进行的汽车覆盖件模具高速铣削 应用已遍及汽车、

2、航空航天、模具以及精密机械行业 简介简介高速加工机床的性能优点高速度高速度 主轴转速高，进给速度快，使单位时间主轴转速高，进给速度快，使单位时间内的金属切除量增加；内的金属切除量增加；小切深小切深 小切深能够获得很高的精度和很小的表小切深能够获得很高的精度和很小的表面粗糙度值，从而减少或省去光整加工；面粗糙度值，从而减少或省去光整加工；干式切削干式切削 采用干式切削方式，使用压缩空气进采用干式切削方式，使用压缩空气进行冷却，无需切削液及其设备，既降低了成本，行冷却，无需切削液及其设备，既降低了成本，又有利于环保；又有利于环保； 高速加工机床的性能优点切削力小，切削温度低，有利于延长机床和刀具切

3、削力小，切削温度低，有利于延长机床和刀具的寿命；的寿命；直接加工硬化材料，可省去电极制造，简化工艺直接加工硬化材料，可省去电极制造，简化工艺流程；流程；加工薄壁零件，可减少零件变形，优化了零件性加工薄壁零件，可减少零件变形，优化了零件性能；能；工艺集中工艺集中 可将粗加工、半精加工、精加工合为可将粗加工、半精加工、精加工合为一体，全部在一台机床上完成，减少了设备数量，一体，全部在一台机床上完成，减少了设备数量，避免了多次装夹产生的误差。避免了多次装夹产生的误差。高速加工机床的关键技术u硬件技术：数控机床和刀具硬件技术：数控机床和刀具 ；u软件技术软件技术 ：数控编程技术，即：数控编程技术，即C

4、AMCAM系统系统 ；高速加工对机床的要求: 主轴转速高、功率大；进给量和快速行程速度高；主轴和工作台（拖板）运动的加（减）速度高；机床要有优良的静、动特性以及热特性 ；与主要部件的高速度匹配的辅件； 数控系统功能优良。 高速加工机床的关键技术高速加工对CAM软件的要求分为两个方面:基本要求和特殊要求 。u基本要求1)安全性 不可出现过切或碰撞；2)验证机构 能够对生成的刀具轨迹进行仿真检查；3)多种加工策略；4)轨迹编辑功能；5)丰富的数据接口。高速加工机床的关键技术高速加工对高速加工对CAMCAM系统的系统的特殊要求特殊要求如下：如下：1)自动生成高速加工的工艺参数自动生成高速加工的工艺参

5、数 ；2)生成平滑的刀具轨迹生成平滑的刀具轨迹 ；3)进给量优化进给量优化 ；4)减少加工数据量减少加工数据量 ；5)毛坯余量知识毛坯余量知识 。高速主轴部件（电主轴）；高速主轴部件（电主轴）；高速进给驱动和传动系统；高速进给驱动和传动系统；能够提供高速进给控制的机床数控装置；能够提供高速进给控制的机床数控装置；包括安装、夹紧、快速交换以及实现动平衡的高包括安装、夹紧、快速交换以及实现动平衡的高速刀具系统；速刀具系统；适用于高速切削的工件装夹装置；适用于高速切削的工件装夹装置；高效冷却和排屑装置；高效冷却和排屑装置；可靠的安全防护和监测装置；可靠的安全防护和监测装置；动、静、热特性好的床身、立

6、动、静、热特性好的床身、立 柱和工作台等支承部件。柱和工作台等支承部件。 高速加工机床的主要部件高速加工机床的主要部件结构高速化结构高速化墙式龙门结构、双主轴高速加工机床 Ingersoll公司2.5 x 5米直线电机驱动高速龙门铣床高速加工机床高速加工机床Mikron HSM 400 高速加工中心适合高速进给、结构刚度好国产高速机床结构高速加工机床高速加工机床机床改进的唯一目的： 适应速度快，精度更高如何选择？大批量高效率大行程高切速快进给汽车飞机生产线单件、小批量精密加工难加工零件高切速精进给模具光学元件高速加工机床高速加工机床第四节第四节 高速加工机床高速加工机床 主要内容主要内容r简介

7、简介r高速主轴技术高速主轴技术r高速机床的进给系统高速机床的进给系统 r高速加工机床的数控系统高速加工机床的数控系统 高速主轴技术高速主轴技术 机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零。这种主轴电动机与床主传动链的长度缩短为零。这种主轴电动机与机床主轴机床主轴“合二为一合二为一”的传动结构形式，称为的传动结构形式，称为“电主轴电主轴”（ElectrospindleElectrospindle、Motor SpindleMotor Spindle或或Motorized SpindleMotorized Spindle）或）或“直接传

8、动主直接传动主轴轴”(Direct Drive Spindle)(Direct Drive Spindle)。 瑞士：Fisher公司，IBAG公司，Step-up公司德国：GMN公司，FAG公司美国：Precise公司意大利：Gamfior公司，Foemat公司日本：NSK公司，Koyo公司瑞典：SKF公司高速主轴技术 世界上著名的电主轴生产厂家：适合小孔钻削高速主轴技术 1、主轴电动机2、支撑轴承3、润滑系统4、冷却系统5、预紧系统6、电气驱动高速主轴系统构成瑞士IBAG高速主轴系统电主轴结构电主轴结构卡盘夹紧装置加紧轴电机球轴承动平衡点主轴装置锥形盘弹簧液压力电主轴的工作原理简介电主轴的

9、工作原理简介u主轴由前后两套轴承来支承；u电动机的转子以过盈配合安装在机床主轴上，处于 前后轴承之间，由过盈配合产生的摩擦力来实现大转矩的传递；u电动机的定子通过一个冷却套固装在电主轴的壳体中。这样，电动机的转子就是机床的主轴，电主轴的箱体就是电动机座，成为机电一体化的一种新型主轴系统； 电主轴的工作原理简介电主轴的工作原理简介电主轴的技术参数指标u套筒直径；套筒直径；u最高转速；最高转速；u输出功率；输出功率；u转矩和刀具接口等。转矩和刀具接口等。其中套筒直径为电主轴的主要参数 此外还有以下的参数：精度和静刚度、临界转速值、残余动不平衡值、噪声及套筒温升阈值、拉紧和松开刀具所需的力的最小值、

10、电主轴的额定寿命值以及主轴与刀具的接口规格等。 电主轴支撑轴承高速电主轴的支承方式大致分为两大类：一类是接触式支承，通常包括球轴承、辊子轴承等等；一类是非接触式支承，包括磁悬浮轴承，气静压轴承，液动压轴承等都属于这一类。 电主轴支撑轴承电主轴支撑轴承滚动轴承电主轴角接触陶瓷球轴承 从高速性的角度看，滚动轴承中角接触球轴承最好，圆柱滚子轴承次之，圆锥滚子轴承最差。 电主轴支撑轴承电主轴支撑轴承1、电主轴一般采用适应高速且可同时承受径向和轴、电主轴一般采用适应高速且可同时承受径向和轴向负荷的精密角接触球轴承。向负荷的精密角接触球轴承。 在滚珠轴承运转过程中，滚珠既自转又公转，会产在滚珠轴承运转过程

11、中，滚珠既自转又公转，会产生离心力和陀螺力矩生离心力和陀螺力矩 Fc= (N)式中：式中： 滚球材料的密度滚球材料的密度(Kg/m3) D-滚球的直径滚球的直径(m) d-滚珠轴承的节圆直径滚珠轴承的节圆直径(m) m -滚珠的公转角速度滚珠的公转角速度(rad/s)1232Ddbm陀螺力矩的作用使钢球沿套圈滚道相对滑动 电主轴支撑轴承电主轴支撑轴承随着主轴转速的增加，离心力Fc和陀螺力矩Mg也会急剧加大，使轴承产生很大的接触应力，从而导致轴承摩擦加剧、温升增高、精度下降和寿命缩短。从角接触球轴承Fc和Mg的计算公式得知，减少球材料的密度、球的直径和球的接触角都有利于减少Fc和Mg，所以现在高

12、速主轴多使用接触角为15或20的小球径轴承。球径不能减小过多，基本上只能是标准系列球径的70%，以免削弱轴承的刚度，更关键的还是要在球的材料上寻求改进。 提高主轴转速的陶瓷轴承提高主轴转速的陶瓷轴承陶瓷球混合轴承陶瓷轴承的优点陶瓷轴承的优点（1 1）质量轻。材料密度仅为）质量轻。材料密度仅为3.218 g/cm33.218 g/cm3，只相当于，只相当于钢球的钢球的40%40%。惯性力小；。惯性力小；（2 2）弹性模量高。）弹性模量高。E = 3.22 X 106 kgf/mm2 E = 3.22 X 106 kgf/mm2 ，为钢，为钢球的球的1.51.5倍，提高了轴承和主轴系统的刚度，也提

13、高倍，提高了轴承和主轴系统的刚度，也提高了主轴系统的临界转速；了主轴系统的临界转速；（3 3）线性膨胀系数低。）线性膨胀系数低。= 3.2 x 10-6/C= 3.2 x 10-6/C，约为钢，约为钢球的球的25%25%，在不同温升的条件下，球与内外环的配合，在不同温升的条件下，球与内外环的配合间隙变化小，提高了轴承工作的可靠性并减少了温间隙变化小，提高了轴承工作的可靠性并减少了温升导致的轴承轴向位移，也使得预加载荷变化小。升导致的轴承轴向位移，也使得预加载荷变化小。陶瓷轴承的优点陶瓷轴承的优点当钢质的内外环配以氮化硅（Si3N4）陶瓷球时，这种角接触球轴承称为混合陶瓷轴承（Hybrid Ce

14、ramic Bearing），国内习称陶瓷球轴承。 （4）硬度高，能达到1600 1700Hv，为钢球的2.3倍，可减少磨损，提高轴承寿命。（5）陶瓷与金属间不产生“咬住”（galling）现象，磨损物也不会嵌入陶瓷球中,从而进一步提高了轴承寿命。轴承的支撑结构轴承的支撑结构为适应电主轴高速、较高刚度运转的需要，一般采用下图的支承结构形式。前后支承均采用角接触球轴承，背靠背组配；定位置预紧，采用前支承轴向定位，后支承浮动形式，以适应主轴向后热伸长的需要，适应于轴向拉压不定的负载状况；具有较高的刚度，同时又具有较好的高速性能。特点：滚动轴承的润滑滚动轴承的润滑（1 1）油脂润滑）油脂润滑 油脂润

15、滑为一次性永久润滑，不需任何附加装置和油脂润滑为一次性永久润滑，不需任何附加装置和特别维护。但其温升较高，允许轴承工作的最高转速特别维护。但其温升较高，允许轴承工作的最高转速较低。较低。（2 2）油）油- -气润滑气润滑 利用分配阀，对所需润滑的不同部位，按照其实际利用分配阀，对所需润滑的不同部位，按照其实际需要，定时（间歇）、定量地供给油需要，定时（间歇）、定量地供给油气混合物。能气混合物。能保证轴承的各个不同部位既不缺润滑，又不会因润滑保证轴承的各个不同部位既不缺润滑，又不会因润滑过量而造成更大的温升，并可将油雾污染降至最低程过量而造成更大的温升，并可将油雾污染降至最低程度，其度，其dmd

16、mn n值可达值可达1.9X106 1.9X106 。为了保证装置的正常工。为了保证装置的正常工作。作。 油-气润滑系统原理图 油-气润滑装置 滚动轴承的润滑滚动轴承的润滑油-气润滑及空气密封FISCHER公司的直接润滑系统 滚动轴承的润滑滚动轴承的润滑非接触轴承非接触轴承1、流体静压轴承、流体静压轴承 流体静压轴承为非直接触式轴承，具有磨损小、寿命长、旋转流体静压轴承为非直接触式轴承，具有磨损小、寿命长、旋转精度高、阻尼特性好（振动小）等优点。用于机床电主轴上，在精度高、阻尼特性好（振动小）等优点。用于机床电主轴上，在加工零件时加工零件时 可使刀具寿命长、加工表面质量高。可使刀具寿命长、加工

17、表面质量高。液压静压轴承刚度高，承载能力强。但由于结构复杂，使用条件液压静压轴承刚度高，承载能力强。但由于结构复杂，使用条件苛刻，且在高速条件下，液面搅动，消耗功率大，温升较高，目苛刻，且在高速条件下，液面搅动，消耗功率大，温升较高，目前已很少应用于电主轴。前已很少应用于电主轴。2、气体静压轴承电主轴的转速可高达、气体静压轴承电主轴的转速可高达100,000200,000 r/min。其。其缺点是刚度差，承载能力低，在机床上一般只限用于小孔磨削和缺点是刚度差，承载能力低，在机床上一般只限用于小孔磨削和钻孔。钻孔。 洛阳轴承所的气压轴承电主轴 磁悬浮轴承磁悬浮轴承磁悬浮轴承又称磁力轴承。依靠多副

18、在圆周上互为180的电磁铁产生径向相反的吸力（或斥力），将主轴悬浮在空气中，轴颈与轴承不接触，期间径向间隙为1 mm左右。当承受载荷后，主轴在空间位置发生微弱变化，由位置传感器测出其变化值，通过电子自动控制与反馈装置，改变相应磁极的吸力（或斥力）值，使其迅速恢复到原来的位置，使主轴始终绕其惯性轴作高速回转，故这种轴承又称主动控制磁力轴承（Active Magnetic Bearing）。 工作原理图磁悬浮轴承电主轴在空气中回转，其dmn值可以高出滚动轴承的14倍，最高线速度可高达200 m/s （ 陶瓷球轴承为80 m/s ）。磁悬浮轴承轴心的位置用电子反馈控制系统进行自动调节，其刚度值可以任

19、意设定，自动动平衡和主动控制阻尼而将振动减至很低。轴承温升低，回转精度极高（0.1微米） 磁悬浮支撑电主轴磁悬浮支撑电主轴高速电主轴的油高速电主轴的油-水热交换冷却系统水热交换冷却系统 油泵连续输出大流量的冷却油，通过电机定子冷却套的螺旋槽于电机定子产生热交换，再经输出回路进入“壳管式油-水交换器”与水进行热交换，使油冷却后，流回油池，实现循环冷却。根据主轴电机的要求，冷却油的入口温度Tin在1040之间，温升T不得超过10。电主轴的电动机及电主轴的电动机及其驱动方式 动平衡点转子定子无外壳主轴电动机电主轴的电动机的电主轴的电动机的驱动方式u普通变频器标量驱动和控制：驱动控制特性为恒转矩驱动，

20、输出功率和转速成正比，在低速时的输出功率不够稳定，不能满足低速大转矩的要求，也不具备主轴的准停和C轴控制功能，但价格较为便宜；u矢量控制驱动器的驱动和控制：矢量控制驱动控制特性为低速端的恒转矩驱动以及中、高速端的恒功率驱动 ，这种驱动方式又有开环和闭环控制两种。在闭环工作方式下，可通过主轴上的位置传感器，来实现位置和速度反馈，获得更好的动态性能，并可实现主轴准停和C轴控制功能。电主轴的动平衡设计电主轴的动平衡设计 电主轴的最高转速一般在10000r/min以上，有的高达60000100000r/min，主轴运转部分微小的不平衡量，都会引起巨大的离心力，造成机床的振动，影响加工精度和表面质量。

21、因此必须对电主轴进行严格的动平衡。主轴及主轴上的零件都要经过十分精密的加工、装配和调校，使主轴组件动平衡精度达到0.4级以上的水平。电主轴的动平衡设计电主轴的动平衡设计在设计电主轴时，必须严格遵守结构对称性原则，键连接和螺纹联接在电主轴上被禁止使用。电动机转子与机床主轴之间用过盈配合来实现扭矩的传递，过盈量应按所传递的扭矩来计算，其值有时高达0.080.10mm。主轴上轴向固定零件用的螺纹套也用与主轴有过盈配合的圆盘来代替。电主轴的动平衡设计电主轴的动平衡设计设计这种过盈联接装置时，还必须考虑其拆卸的方便。如图所示，安装硅钢片的转子内套1用铬锰弹簧钢制造，且其壁厚较小，故有较好的弹性。当需要把转子从主轴上拆卸下来时，可用手提式高压泵将油从转子内套左端的小孔a压入，高压油进入内套的环形内孔e后，即可将套1的内径胀大，这样就可把转子顺利地从主轴上拆卸下来。为了保持主轴结构的对称性，转子内套