高速切削理论及相关技术

高速切削理论及其相关技术

定义及特点

条件和机理

现状和趋势高速切削概念是谁提出的？高速切削有哪些特点？高速切削应用在那些方面？高速切削对加工装备的要求有哪些？机床和刀具是什么样的？机理？重要试验？发展趋势？一、高速切削技术的定义二、高速切削技术的特点及应用三、高速切削的装备条件及关键技术四、高速切削机理五、高速切削技术的现状以及发展趋势概要20世纪20年代末，德国的切削物理学家萨洛蒙（CarlSalomon）博士进行了超高速模拟实验，并于1931年4月首次提出高速加工（HighSpeedMachining）概念并获得专利，简称HSM。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，则切削温度下降。结论Yeah！IGETIT！要多少才算？

按工件材料划分：

铝合金：1500~5500m/min铸铁：750~2500m/min普通钢：600~1200m/min

铜材：1000m/min

塑料：1150m/min

按加工工艺划分：

车削：700~7000m/min铣削：300~6000m/min钻削：200~1100m/min磨削:5000~10000m/min

铜材：1000m/min

塑料：1150m/min进给速度：20~40m/min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度指标来定义。ISO1940规定主轴转速大于8000r/min的加工形式为高速切削。现阶段一般把主轴转速在10000r/min以上的加工形式视为高速切削。

事实上，HSM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工艺。一、高速切削技术的定义二、高速切削技术的特点及应用三、高速切削的装备条件及关键技术四、高速切削机理五、高速切削技术的现状以及发展趋势概要到哪？高效率高质量低能耗高精度效率高！高速切削条件下，虽然切削深度和厚度小，但由于主轴转速高，进给速度快，单位将时间内的金属切除量反而增加了。因此，加工效率也相应提高了。以瑞士MIKRON公司生产HSM-700高速铣床为例，其最高转速可达42000r/min，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。精度高！

对于同样的切削层参数，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，也使工件在切削过程的受力变形显著减小。质量高！

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高阶固有频率。

另一方面，也是的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，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。低能耗！

高速切削时，单位功率所切削的切削曾材料体积显著增大。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、导轨的受力就小，机床的精度寿命长，同时刀具寿命也延长了。

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。速切削用在……？一、高速切削技术的定义二、高速切削技术的特点及应用三、高速切削的装备条件及关键技术四、高速切削机理五、高速切削技术的现状以及发展趋势概要速切削的装备条件？机床？装备刀具？

主轴？

轴承？

进给系统？

驱动系统？

实时监控系统？

材料？

型号？

参数？

磨损？

对高速切削主轴系统的要求：噪音小启停性能良好足够的刚性和回转精度先进的润滑冷却系统可靠的主轴检测系统大功率结构紧凑总质量小热稳定性良好主轴系统

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，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。借助电气传动技术，主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式——“电主轴”应运而生。由于主要采用交流高频电动机，故又称“高频主轴”。电主轴工作原理：

电动机定子通过冷却套固装在电主轴壳体中，其转子就是机床的主轴，电主轴箱体就是电动机座。

主轴转速通过电动机的变频调速与矢量控制装置来改变。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。一些常见的电主轴：

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FISCHER公司、IBAG公司和STEP-UP公司，德国的GMN公司和FAG公司，美国的PRECISE公司，意大利的GAMFIOR公司和FORMAT公司，日本的NSK公司和KOYO公司以及瑞典的SKF公司。

高速主轴电动机的冷却系统结构示意图：陶瓷轴承磁悬浮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,且其本身具有自润滑性，常用的陶瓷球材料有氧化锆（ZRO2）和氮化硅（SI3N4）；常用的套圈材料有轴承钢（GCR15）和不锈铁（440、440C）及不锈钢。

磁悬浮轴承（MagneticBearing）是利用磁力作用将转子悬浮于空中,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。

电主轴的电动机均采用交流异步感应电动机，有两种驱动和控制方式：

（1）普通变频器标量驱动控制以IBAG公司的HFK90S型电主轴用的普通变频器为例说明。这类驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率和转速成正比。

优点：价格便宜。缺点：起速时输出功率不稳定，不能满足低速大转矩要求，也不具备主轴的准停和C轴控制功能。应用：高速工作范围电主轴，如磨削、销孔钻削等。

（2）矢量控制驱动器驱动控制以IBAG公司的HFK250电主轴的矢量控制驱动器为例说明。其特性为低速端恒转矩驱动以及中、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，并实现主轴准停和C轴控制功能。对高速机床进给驱动系统的要求：高速度（60~120m/min）1

高加速度（普通机床1~2g，最高可达2~10g）2高静态、动态精度3高安全性4低成本5

目前，高速机床的进给系统主要有：高速滚珠丝杠副传动系统和直线电动机进给驱动系统。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。●高速下热变形严重。●噪声大，寿命低，不易检验维修。

下面介绍一下滚珠丝杠螺母副结构。

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。针对滚珠丝杠副传动系统的优化措施：●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。●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。●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。●对螺母预紧力进行控制。可以使用压电陶瓷。●采用螺母旋转丝杠不动的运动方案。●采用双电动机驱动结构。使其分别驱动丝杠和螺母。滚珠丝杠副传动则仍然存在以下问题：▲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。▲进给行程有限（4~2m）。▲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系统有诸多优点。

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，使工作台的加/减速提高到传统机床的10~20倍，速度提高3~4倍。直线电动伺服电动机工作原理：定子初级转子次级旋转磁场平磁场

直线伺服电动机分为短初级和短次级两种形式。

直线伺服电动机也分为同步式与感应式两种。通电绕组初级永磁铁次级

同步式

感应式与同步式最大的区别是在定件上用不同点的绕组取代同步式的永磁铁，且每个绕组中的每一匝都是短路的。通电后在定件和动件之间的间隙中产生一个大的行波磁场，依靠磁力推动工作台做直线运动。

优点：结构简单，维护简便，可靠性高，体积小，传动刚度高，响应快，可得到瞬时高的加速度。