高速切割核心技术|

高速切割关键技术

学院：动力和机械学院

班级：机械一班（09621）

姓名：丰德海

学号摘要: 高速切削是切削加工发展方向，现已成为切削加工主流。包含高速软切削、高速硬切削、高速干切削和大进给切削等，高速切削是一个相对概念，怎样定义尚无共识,切削速度为一般切削5-10倍切削,刀具转速10000-0rpm切削,1978年切削委员会要求500-7500m/min 切削，通常为高速切削。高速切削不只是切削速度提升，它发展和推广应用（包含机床和刀具技术全方面发展和提升）将带动整体制造业水平和效益进步和提升。

关键词：高速切割，关键，技术，发展，前景。

正文：高速切削是一项复杂系统工程。高速切削不只是切削速度提升，它发展包含到机床、刀具、工艺和材料等很多领域技术配合和技术创新。实现高速切削最关键技术是研究开发性能优良高速切削机床, 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主流 。

1 高速加工对机床特殊要求

高速切削加工特殊性对实施高速切削加工机床提出新要求：

(1)要有一个适合高速运转主轴单元及其驱

(2)要有一个快速反应进给系统单元部件和数控伺服驱动系统。

(3)要有一个高效、快速冷却系统。

(4)高刚性床体结构。

(5)安全装置和实时监控系统。

(6)要有方便可靠换刀装置。

(7)优良热态特征和静、动态特征。

2 高速切削机床关键技术

2．1 高速主轴

高速数控机床工作性能, 首先取决于高速主轴性能。数控机床高速主轴单元包含主轴动力源、主轴、轴承和机架等多个部分, 它影响加工系统精度、稳定性及应用范围, 其动力性能及稳定性对高速加工起着关键作用。

现在高速切削机床主轴关键为陶瓷滚珠轴承电动主轴。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链长度缩短为零，实现机床“零传动”，俗称“电主轴”。电主轴是一个智能型功效部件，不仅转速高、功率大，还有一系列控制主轴温升和振动等机床运行参数功效，以确保其高速运转可靠性和安全性。现在电主轴关键采取交流异步感应电动机(高频)，中国外专业电主轴制造厂已可供给几百种规格电主轴。其套筒直径从32mm至320mm、转速从10000r／min到150000r／min，功率从0．5kW到80kW、转矩从0．1N?m到300N?m。

2. 2 　高速精密轴承

高速轴承是高速切削机床关键,是决定高速主轴寿命和负载容量最关键部件。

2. 2. 1 　磁悬浮轴承

它是用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来,其转速可达45000rPmin ,功率为20kW,精度高,易实现实时诊疗和在线监控,是理想支承元件,但其价格较高。

2. 2. 2 　液体动静压轴承

采取流体动、静力相结合措施,使主轴在油膜支撑中旋转,含有径、轴向跳动小、刚性好、阻尼特征好,适于粗、精加工,寿命长优点。但其无通用性,维护保养较困难。

2. 2. 3 　混合陶瓷轴承

用氮化硅制滚珠和钢制轨道相组合,是现在在高速切削机床主轴上使用最多支承元件,在高速转动时离心力小,刚性好,温度低,寿命长,功率可达80kW,转速高达150000rPmin ,它标准化程度高,便于维护,价格低。

2.3 高精度快速进给系统

高速切削是高切削速度、高进给率和小切削量组合，进给速度为传统5～10倍。这就要求机床进给系统高进给速度、良好加减速特征、高精度、快响应、宽调速范围、低速大转矩。要实施这么并正确控制这么高进给速度，对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构提出了新要求。

高速机床一般采取线性滚动导轨替换了传统滑动导轨，其移动速度、摩擦阻力、动态响应特征和阻尼效果全部不一样于传统滑动导轨，其特有双V型导轨结构大大提升了机床抗扭能力，同时其磨损近乎为零，导轨精度和寿命全部比以往提升几倍，配合以数字伺服电机，其进给和快速进给从过去6m/min提升到了现在20～60m/min。

传统直线电动机驱动机构，由旋转电动机、齿轮箱或联轴器、丝杠和驱动螺母、丝杠支座轴承等组成驱动系统，影响和限制了机床性能。比如：电动机最大转速限制；高加速度下电动机轴产生扭曲变形和位置误差；丝杠本身受临界转速、间隙、扭曲、螺距误差、摩擦等影响，且其振动衰减时间很长；齿轮箱增加系统惯性，产生间隙。而直线电动机。

驱动机构则没有上述缺点，能达成快速移动（ 能够达成120m/min甚至200m/min速度） 和较短位置稳定时间，且能深入降低机床不进行实际切削加工非生产时间。因为直线电动机驱动机构仅由两个互不接触部件组成，没有低效率中间传动部件，也无机械滞后和螺距误差，从而可达成高效率，且其精度完全取决于反馈系统和轴承。当用全数字伺服系统驱动直线电动机时，可达成高刚度和高固有频率，从而达成极好伺服性能。高速伺服系统已经发展成数字化、智能化，软件化，高速切削机床已开始使用全数字交流伺服电机和控制技术。

2.4　高速伺服系统

为了实现高速切削加工,机床不仅要有高速主轴,还要有高速伺服系统,这不仅是为了提升生产效率,也是维持高速切削中刀具正常工作必需条件,不然会造成刀个急剧磨损和升温,破坏工件加工表面质量。

2.4. 1 　直线电机伺服系统

直线电机是使电能直接转变成直线机械运动一个推力装置,将机床进给传动链长度缩短为零,它动态响应性能灵敏、传动刚度高、精度高、加减速度大,行程不受限制、噪音低、成本较高,在加速度大于1g 情况下,是伺服系统唯一选择。

2.4. 2 　滚珠丝杠驱动装置

滚珠丝杠仍是高速伺服系统关键驱动装置,用AC 伺服电机直接驱动,并采取液压轴承,进给速度可达40～60m/min ,其加速度可超出0. 6g ,成本较低,仅为直线电机1/2. 5。

2.5 高性能数控系统

数控系统选择要注意是否含有以下高速加工功效：①进给速度、加减速度控制，前馈控制，前瞻控制，冲击控制；②多种螺距赔偿、反向间隙赔偿、弯曲度赔偿、温度赔偿、跨象限赔偿等；③大容量存放器，以适应复杂形状加工需要；④程序快速输入和处理。

高性能数控系统组成现在常见高性能数控系统有FANUC16i、SIEMENS840D和HEIDENHAINTNC430等，它们脉冲当量已达纳米级。

2.6 高速切削机床本体结构要求

高速切削机床要求机床本体含有很好静刚度、动刚度和热刚度特征等, 尤其对动态特征有很高要求。在设计时, 从机床结构动态特征、固有频率角度, 进行有限元分析或利用"多体系统"进行动态仿真, 设计出最优床身结构。现在大多采取落地式床身, 整体铸铁结构, 龙门框架主轴立柱, 并在立柱上增加合适加强筋, 使机床结构含有良好静、动态刚度和稳定性, 且有很好吸振性。也可采取基于S tew art平台并联机床床身结构, 以减轻重量, 增加刚度。多年来高速机床床身和立柱材料采取了聚合物混凝土或称人造花岗石, 这种材料阻尼特征为铸铁7~ 10倍, 而比重只有铸铁三分之一, 是制造高速机床支承件较为适宜材料。

3 高速切削机床发展历史和现实状况

3.1 国外

20世纪80年代，世界机床制造强国德国、日本就在政府强有力资助下，联合众多机床制造企业，共同攻关，进行高速切削机床各相关硬件和软件开发，并快速实现高速切削机床商品化。

1993年，汉诺威国际机床博览会上展出了德国制造世界上第一台用直线电动机驱动工作台高速加工中心，由此拉开了高速进给序幕，高速切削技术以后快速走向成熟应用阶段。现在，德国高速立式铣削加工中心实用化主轴转速已经达成60 000r/min，快速进给速度X 、Y 、Z 轴均为60m/m i n，加速度为2.5g ，反复定位精度±1μ m。在研制高速切削机床同时，德国还在高速切削工艺方面进行深入研究，在有色金属、复合材料、铸铁及模具钢等高速切削机理研究方面形成系统理论，以加工效率、加工精度和加工零件表面完整性为目标，对高速切削工艺进行优化，对指导高速切削生产起到很大作用。

日本于1996年研制出第一台卧式高速切削加工中心，主轴转速30 000r/min，最大进给速度80m/min，加速度为2g ，反复定位精度±1μ m。同时在高速切削工艺方面进行了深入研究，包含高速切削工艺数据库、高速切削刀具磨损破损机理、切屑控制、高速切削过程C A D/C A M系统开发及质量控制等，从而加速高速切削技术产业化进程，在国际机床界产生重大影响。

近几年国外高速加工机床发展快速，美国、法国、瑞士、英国、加拿大、意大利等国家相继开发出了各自高速切削机床。

3.2 中国

中国在20世纪90年代初开始相关高速切削机床及工艺研究。研究内容包含水泥床身、超高速主轴系统、全陶瓷轴承及磁悬浮轴承、快速进给系统、有色金属及铸铁超高速切削机理和适应刀具等方面。经过科技工作者艰苦工作，各项关键技术全部取得了显著进展。然而，因为种种原因，部分高速加工技术基础共性技术研究没有得到优化、集成和推广应用，未能形成系统理论，和国外发达国家差距显著。

在市场经济引进技术设备带动下，中国高速机床技术有了长足进步。现在中国10 000～15 000r/min立式加工中心、18 000r/min卧式加工中心、 3 500～4 000r/min数控车床和车削中心已批量生产，切削速度达8 000r/min数控车床也已问世。高速机床高级数控系统和开放式数控系统正在深入研究中，但现在关键还是依靠进口。现在中国正逐步开始推广应用高速切削技术，关键是应用在航空航天、模具和汽车工业，加工铝合金和铸铁较多，采取刀具以进口为主。

中国现在国情是，在航空、汽车和模具等生产部门，已进口相当规模高速切削机床，而且进口高速切削机床数量还在深入上升。

4 结束语

高速切削加工技术是一项全新、正在发展中优异实用技术，在理论和技术各方面还有大量研究、开发工作要做。中国高速切削加工技术开发和应用还处于初步阶段，但中国已进口了大批高速加工设备，也开发了多个高速加工机床，只要我们充足认识高速切削加工技术优越性，完全有可能把中国切削加工水平推进到一个新高度。

参 考 文 献

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机床和液压,.1

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