高速切削机床

沈潇机械13-4高速切削机床9/6/20232

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9/6/20233

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。9/6/20234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。9/6/202359/6/20236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。9/6/20238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。9/6/20239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CNC9/6/202310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9/6/202311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。9/6/202312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9/6/202313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