超高速加工机床及刀具技术新发展

摘要：介绍了趣高逮加工机床及刀具新进展。对超高速机床的几个主要关键技术高速主轴单元、高速主轴轴承、直线电机进给驱动系统、高速机床控制系统以及高速加工刀具进行了讨论。并就我国发展超高速机床和刀具技术进行了讨论。关键词：高速机床高速主轴直线电机高速刀具 超高速加工是指高于常规切削速度5倍乃至十几倍条件下所进行的切削加工。例如在试验室中，铝台金加工已达6000m/lmin；而在实际生产中也达到了1500～5500m/min。在实验室中，磨削中单层镀砂轮磨削速度达3001～S，目前正探索500m/s速度的磨削；而实际生产中也达到了250m/s。超高速加工不但可 太幅度提商零件的加工效率、缩短加工时间、降低加工成本；而且可以使零件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平。一、高速机床的主轴加工单元 高速主轴单元是高速、超高速加工机床最为关键的部件。其主要类型有电主轴。在国外具备各种先进的电气驱动和控制技术的电主轴已经达到专业化生产和商品化供应，如瑞士的Fisher公司生产的电主轴。这些技术包括可实现准停的变额驱动，变速精度在0.5%内的优化矢量控制，带c轴功能的矢量控制。在这些主轴单元，主轴套筒外径从33-250min有十多个规格。转速最高达18000m/min，功率最大可达70kw。在EN097上，电主轴是机床制造技术中最热门的功能部件，参展商达76家。而且瑞士著名的Micron机床厂的成员Step-Tec公司已专业生产电主轴部件。 在高速主轴系窥中成功地采用了各种超高速轴承。这种轴承要求主轴旋转时有较高剐度和承载能力，而且要求有较长的使用寿命。这种轴承是高精度陶瓷球角接触球轴承、磁力轴承、流体动静压轴承。 为了减少高速旋转时产生的离心力，高精度陶瓷球角接触球轴承中，滚动体使用热压氮化硅（s N4）陶瓷材料，轴承内外圈仍为轴承钢。这种轴承为密珠结构，接触角为l5。，而且是外径定心的保持器，前后两个支承处安排两个背靠背安装陶瓷轴承。这种轴承的 n值已超过2 x 10[sup]6[/sup]mm·r/rain，陶瓷球密度低、离心力小；刚度高；发热少；热稳定性好；寿命长；为了增加轴承滚道的耐磨性，可以对滚道进行涂层处理或其他表面处理。这种轴承转速比相应规格的锕轴承提高50％以上，温升可减少35％6o％ ，弹性模量是轴承钢的1．5倍。这种轴承的极限转速与其润滑方式有着重要的关系 一般都采用油气润滑和喷油润滑。油气为空气与有的混合，压缩空气（来自工厂气源，经精细过滤器）常供，丽油（少数厂家还加某种添加剂）采取定时、必需的最小量的供给。油气润滑轴承极限转速可以达（1.8～2.1）×10[sup]6[/sup]/min。喷油润滑轴承极限转速可达（2.3-2.5）×10[sup]6[/sup]/min，这种润滑方式会污染环境。而这两种润滑方式需要专门的润滑装置。一般采用迷宫和压缩空气外吹的方式。 流体动静压轴承在高速主轴系统中也应用较多 美国k口mou公司在HvM8∞ 高速加工中心上采用液体动静压轴承，主轴转速可超过；20000r/min，轴颈表面圆周速度达50m/s 轴承的特点为高压、大间隙、小孔节流。国外从90年代开始投A大量人力物力开发高速动静压轴承，对这种轴承的刚度、承载能力、温升、稳定性作了大量的研究。目前美国已推出了主轴转速超过40000r/rain的高速液体动静压轴承，润滑剂采用水。高速液体动静压轴承设计制造技术在国外已成熟。同时，高速动静压轴承与主轴系统一体化技术也在发展中。 磁悬浮轴承因其不可比拟的优越性而受到青睐。磁力悬浮轴承Dmn值可达4×10[sup]6[/sup] mm/min，承载力达300kN，轴向静刚度达2000N/um，动刚度达100N/um，可靠性超过4000h。瑞士Ibag公司主轴制造厂制造的采用磁悬浮轴承的主轴单元，主轴转速可达201300～40000r/min，最高可达200000r/min。德国KAPP公司采用的磁悬浮轴承砂轮主轴，转速达60000r/rain。目前市场上有Ibag 、GNN和日本Seiko—Seiki三家公司供应带磁悬浮轴承的电主轴。 综上所述，目前高速大功率主轴单元中，基于功能和经济性的要求，采用陶瓷混合球速承或液体动静压轴承。但随着主轴向更高速发展，磁悬浮轴承是各研究机构和制造商更为重视的研究和应用领域。二、高速机床的进给驱动系统 超高速机床要求进给系统有与主轴高转速相应的高速进给运动（空行程时的移动速度更高），直线电机驱动实现了无接触直接驱动，避免r滚珠丝杼（齿轮、齿条）传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，可获得高精度的高速移动并具有极好的稳定性。最早开发使用进给直线电机的美国Ingersoll公司在其I-WN8加工中心的x、y、z轴上使用了永磁式直线电机，进给最高速度达76.2m/min。意太利Vigolzone公司生产的高速卧式加工中心，三轴采用直线电机，进给速度三轴均达到70m/min，加速度到1gc德国的Extcell-0公司生产的XHC24卧式加工中心，采用了I公司的直线驱动电机，最高进给速度可达60m/rain，加速度为l 在CIMT97上德国西门子公司作了直线电机120m/rain高速进给表演，该公司直线电机最大的进给速度达2oom/min，最大推力可达6600N，最大位移距离为504mm。目前直线电机加速度可达2g以上。另外，日本Mazak公司的直线电机也在市场上占较大份额。三、高速加工机床的控制系统 目前，主轴电机的设计仍然是在现有的矢量控制变频调速交流电机的基础上，优化现有的技术，呆用更复杂的、性能更好的半导体器件和处理速度更高的处理器以及进一步优化矢量控制技术等。高速机床中，数字主轴控制系统和数字伺服轴驱动系统应具有超高速响应特征。主轴单元的控制系统，除了要求控制主轴电机时有很高的快速响应特性之外，对主轴支撑系统也应该有很好的动态响应特征。采用液压或磁悬浮轴承轴承时，要能够根据不同的加工材料、不同的刀具材料 及加工过程的动态变化自动调整相关参数 工件加工的监测装置应选用如双频激光干涉仪这样的具有高的跟踪特性和分辨率的监测元件。 进给直线电机的控制系统利用现有的变频调速和矢量控制技术，并不断完善在高速加工中，输入的控制程序仍是标准ISONC代码。但在高速条件下，传统的NC程序存在很多问题，诸如应采用特殊的编程方法，使切削数据适合高速主轴的功率特征曲线的问题；如何解决高速加工时CAD，CAM高速通信时的可靠性问题等，需进一步研究加以解决。四、高性能的刀具系统技术 对于安装在超高速主轴上的旋转类刀具（包括砂轮）来说，刀具的结构安全性和高精度的动平衡是至关重要的。当主轴转速超过10000r/min时一方面由于离心力的作用使主轴传统的7：24锥度端口产生扩张，刀具的定位精度和连接刚性下降，振动加剧，甚至发生连接部的咬合现象。另一方面常用刀片夹紧机构的可靠性下降，刀具整体不平衡量的影响加强（与转速平方成正比）。为此，德国开发出HSK（短锥空心柄）连接方式和对刀具进行等级平衡及主轴自动平衡的系统技术。HSK连接具有很高的接触剐度、夹紧可靠、重复定位精度高．适合于20000～46000r/min的超高速主轴。而主轴自动化平衡系统能把由刀具残余不平衡和配合误差引起的振动降低90％ 以上。近几年开发了不少适合于超高速切削的刀具，采用比强高的刀体材料和零件少、简单、安全的刀体结构，同时具有较短切削刃、较大刀尖角、较强断屑能力和经过优化设计的切削几何角度。如今一些刀具公司已能提供具有HSK接口和不同平衡精度的超高速刀具，如KOMET和SAD—VIC．已用于飞机和汽车的高速加工。[b]五、机床支承技术与辅助单元技术[/b] 机床支承技术主要指机床的支承构件的设计及制造技术。辅助单元技术包括快速工件装夹技术、机床安全装置、高效冷却润滑液过滤系统、切削处理及工件清洁技术。机床的床身和立柱和底座等支撑基础件，要求有良好的静刚度、动刚度和热刚度。对精密高速机床，国内外都有采用聚合物混凝土（人造花岗石）来制造床身和立柱，也有的将立柱和底座采用铸铁浇铸而成，还有采用钢板焊接件，井将阻尼材料填充其内腔以提高抗震性。效果很好。六、国同内高速机床技术的发展 我国有关单位在研究和开发超高速机床加工技术亦取得不小进步。沈阳工学院研制超高速车铣床，已取得阶段性成果。北京机床研究所生产出主轴转速达8000r/min、功率达7kw的立式加工中心。同济大学、广东工业大学分别对主轴单元动特性和直线电机的应用技术进行了系统的研究。东北大学研究了热压氮化硅陶瓷球轴承，建立r超高速磨削实验台，能进行200m/s的磨削加工试验。七、超高速机床发展趋势 随着制造观念更新和制造技术的全面进步，超高速切削和超高速机床将在如下几个方面取得新发展：（1）在干切削或准干切削状态下实现绿色的超高速切削采用于切削或最小量雾化润滑的准干切削方式，会从根本上改善切削的环境状态，达到工业生产的有关环保标准（璐014000系列）要求，同时节省对切削的直接投资和废液处理及环保费用。刀具技术是达到这一目的的关键。（2）在重切削工艺中进行超高速切削这对提高我国大中型设备制造的生产效益有十分重要的作用，如新日本工机5NK的某车床超高速加工大型轧辊，比普通加工效率提高5倍。（3）开发完善各种超高速切削工艺如超高速 L加工。超高速车床有更高、更可靠的动态特性和自动平衡能力。（4）基于新型检测技术的加工状态监控系统工况监控增加加工过程的稳定性和安全性，对监控系统灵敏l生、瞬时响应性和可靠性提出了更高的要求，采用新的检测方法 例如采用质量轻、体积小、灵敏度高的新型传感器（如z元件）和开发具有多项检测功能的超高速切削监控系统。八、发展我国的超高速机床技术 我国在超高速机床技术领域进行了一定程度的研究，但与国外先进技术相比，尚有很大差距亟待发展。显然，刀具、数控机床和加工中心均为超高速加工的关键。应重点研究开发，主要内容如下：（1）大功率、超高速主轴单元技术研究 包括内装式高速大功率主轴电机及其矢量控制调速和监控系统，主轴材料、结构（具有HSK63锥孔）、高速精密陶瓷滚动轴承、液体动静压混合轴承设计与开发；主轴系统动特性及热特性的研究，柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究；主轴单元的自动平衡装置；主轴系统的润滑与冷却技术的研究；主轴的多目标优化与虚拟设计技术研究；主轴换刀技术的研究使主轴最高转速达10000r/min～30000 r/min。（2）超高速进给单元技术 包括高速直线进给电机的研究；高速位置芯片环的研制，高加减速控制技术、高速精密交流伺服系统及电机的研究；系统惯量与伺服电机参数匹配关系的研究；精密滚珠丝杠副投大导程丝杠副的研制等。高速进给系统的快移速度达40m/rain～80m/trt1．n、切削进给速度达_94～60m/rain，加减速度大于lg。（3）超高速加工测试技术 开发对超高速加：机麻主轴单元、进给单元系统和机床支承及辅助单元系统等功能部件和驱动控制系统的监控技术。超高速进给单元技术。超高速切削刀具磨、破损，磨具的修整等状态监控系统及保证快速反应替换的刀具管理系统软件，刀具磨损破损监控系统的智能化。在超高速切 I5过程中的工件加工精度、加工表面质量及安全状态的在线监控技术。（4）超高速刀具 高速高精度端面定位的HSK刀具锥柄及工具系统，包括高速ATC自动换刀装置、机械手换刀方式、刀一刀达15s。超高速切削刀具几何参数和结构设计，包括刀具几何角度的优化选择、刀体安全结构、刀片夹紧结构、回转刀具的动平衡及其安全性技术（旋转刀片应在2倍于最高转速时不破裂）。开发超高速加工新型刀具、磨具材料，使刀具的切削速度达到国际工业发达国家9o年代末水平，砂轮磨削速度达100m/s～150m/s。（5）高速CNC系统技术 包括平滑加减特性的智能控制、误差补偿、前馈控制。 总之，如何针对上述领域、集中有限资金，协同攻关，避免项目低水平的重复开发，对我国机床行业的振兴及长远发展具有重要意义。[b][align=center]详细内容请点击：超高速加工机床及刀具技术新发展[/align][/b]