1 数控机床中高速切削技术研究报告
摘要: 阐述了高速数控加工技术的相关概念、特点及应用, 分析了高速数控加工中的关键技术及在加工过程中出现的问题的解决方法。
0 引言
数控技术是先进制造技术中应用最为广泛的技术。数控产业被称为是支撑国民经济的龙头产业，是国家的命脉产业。数控技术则是数控产业的核心因素，它是通过数字信息对机械运动和工作过进行控制的技术，数控装备是一种以机电一体化为特点的产品，是由数控技术融合改造传统制造技术而形成的。数控技术是实现机械制造自动化的关键, 直接影响到一个国家的经济发展和综合国力, 关系到一个国家的战略地位。作为制造系统最基本的加工单元,以数控技术为核心的数控机床的生产和应用已成为衡量一个国家工业化程度和技术水平的重要标志。
数字控制技术 (简称数控技术) 是指人依靠数字指令来完成对机器动作的控制。我们平常所说的数控系统是指采用存储程序的专用计算机实现部分或全部基本数控功能, 能够适应产品频繁改型的 “ 柔性”数字控制系统, 简称CNC( Computer Numerical Control)。数控技术在全世界范围内得到了大规模的应用和发展, 数控技术研究已经涉及到了高速数控加工的领域,高速加工正成为数控加工领域中的一个主要发展方向。
1 高速加工的概念
高速加工的概念起源于德国萨洛蒙(Car Salomon) 博士的著名切削实验及其物理引申, 他认为:一定的工作材料应该对应有一个临界切削速度, 其切削温度最高。图 1为高速切削区域示意图, 在常规切削范围内, 切削温度随着切削速度的增大而提高, 这是人们平常所熟知的。当切削速度到达临界切削速度后,
切削速度再增大, 切削温度不再升高反而会下降,同时,切削力也会大幅度下降。如果能越过B 区, 而在具有较高速度的高速区进行切削加工, 则不但有可能仅仅依靠现有的刀具就能进行超高速切削, 从而达到大幅度减少切削时间、成倍提 2 高机床生产效率的目的,而且还将会给切削过程带来一系列的优良特性。人们在实际操作中也发现: 当切削速度提高10倍, 进给速度提高20倍, 远远超越传统的切削 “ 禁区”后, 切削机理发生了变化, 导致单位功率的金属切除率提高了30%～40% ,切削力降低了30% ,刀具的切削寿命提高了70% ,留在工件上的切削热大幅度降低, 切削温度不升反降, 切削振动几乎消失, 切削加工发生了本质性的飞跃, 而在常规切削加工中备受困惑的一系列问题亦都得到了很好的解决。
图1.高速切削区域示意图
2 高速切削技术的优点
（1）生产率显著提高
由于数控机床在高速切削时,采用较高的切削速度和进给速度,使得机床在单位时间内去除零件材料量大大提高，从而缩短了工件生产时间和生产周期,极大地提高了生产率。由此可见,高速切削不仅仅是一项切削技术,同时也能给企业带来较高的经济效益。
（2）减小热效应,延长了刀具寿命
在数控机床进行高速切削加工中,由于背吃刀量较小,再加上有 95%以上的切削热被切屑带走,因此大大降低了刀具和工件的温度, 由此减小了加工热效应,减小了工件因切削热而产生的变形,延长了刀具寿命,为实现干切削创造了条件。
（3）提高工件精度和表面粗糙度 3 上面已经提到, 工件的加工中因热量较少而变形小,刀具的变形也小。另外由于数控机床的主轴高速旋转,切削频率远离工艺系统的振动频率,防止了数控机床的振动,因此工件精度相对于普通切削有所提高。高速切削加工是浅加工,切削深度小,进给速度快,被加工工件表面粗糙度小, 切削钢件时，R a可达0.2到0.4 ,切削铝合金件时, Ra可达0.4 到0.6。
（4）可以加工超薄类工件
高速切削时切削力较小,又具有加工质量恒定等优点,因此可以加工出超薄类工件。如航空业中螺旋薄壁件的高速铣削等。
3 实现高速数控加工的关键技术
高速数控加工的性能主要取决于它的高速主轴单元、高速进给驱动系统、高速刀具系统、高速控制系统以及高速加工测试技术等, 以下就各关键技术进行论述。
（1）高速主轴单元
高速主轴单元是高速切削机床最重要的部件, 也是实现高速和超高速加工的最关键技术之一。要求其动平衡性高、刚性好、回转精度高、有良好的热稳定性、 能传递足够的力矩和功率、能承受高的离心力、带有准确的测温装置和高效的冷却装置。高速主轴单元的类型主要有电主轴和气动主轴。气动主轴目前主要是应用于精密加工，功率较小, 其最高转速150000r / min, 输出功率仅30kW,
应用范围较小。
高速电主轴在结构上全部采用交流伺服电机直接驱动的集成化结构, 取消齿轮变速机构, 并配备有强力的冷却和润滑设计。集成电机主轴的特点是振动小、噪声低、结构紧凑。集成主轴有两种构成方式: 一种是通过联轴器把电机与主轴直接连接, 另一种则是把电机转子与主轴做成一体。这种电机与机床主轴
“ 合二为一”的传动结构形式, 把机床主传动链的长度缩短为零, 实现了机床的“ 零传动”，具有结构紧凑、易于平衡、传动效率高等特点, 其主轴转速可达每分钟几万转到几十万转, 正在逐渐向高速大功率方向发展。
（2）高速加工进给系统
快速进给是高速数控机床的最重要技术之一。在高速机床中机床主轴转速n 4 可以表示为:n= v / d 。式中: v ——铣刀的线速度, mm/min; d ——铣刀的直径, mm。机床进给速度vt可以表示为:vt= ap·Z·n 。式中: ap ——铣刀每一刀齿在一转中所切削的厚度, mm; Z ——铣刀的齿数。
由上述关系可知, 在选定了刀具和切削用量的情况下, 进给速度vt与机床主轴转速n 成正比。这就要求进给系统要有与主轴高转速相对应的高速进给运动, 否则, 不但无法发挥高速切削的优势, 还会使刀具处于恶劣的工作条件下。
CNC 的高速性能通常情况下是以CNC 连续执行进给量为 1mm 的三维插补程序段所能达到的实际进给速度作为衡量指标, 在同样的分辨率下, 这一值越大,
CNC 的高速性能也就越好。同时, 进给系统还需有较大的加速度保证在最短的时间和行程内达到一定的高速度, 才能根据不同的曲率半径在最短的时间内不断地调整进给速度以加工出高精度的复杂曲面轮廓。
目前, 在高速数控机床上实现高速进给运动主要有两种途径, 即采用滚珠丝杠传动和直线电机传动。
a. 采用高速滚珠丝杠副传动系统。这种方法是在提高进给伺服电机转速的同时, 采用大导程的滚珠丝杠副, 可使进给速度达到40m/min～90m/min。目前,
国外大部分高速加工中心仍使用滚珠丝杠副, 日本马扎克公司在FF660 机床上使用滚珠丝杠副, 机床快速移动速度达到了90m/min,加速度达到 1.5×9.8m/s。
b. 采用直线电机进给驱动系统。虽然高速滚珠丝杠副传动系统可在一定程度上满足高速机床的要求, 但存在制造困难、速度和加速度的增加限制较大、进给行程短( 一般不能超过4m～6m)和全封闭时系统不稳定等缺陷。采用直线电机技术替代滚珠丝杠副应用于数控伺服系统中, 可简化系统结构、提高定位精度、实现高速直线运动乃至平面运动。
（3）高速刀具系统
高速刀具材料通常有涂层硬质合金、金属陶瓷和涂层金属陶瓷( 氧化铝基陶瓷)、 氮化硅基陶瓷和Si3N4+TiC( 或TiCN) 复合陶瓷、 聚晶立方体氮化硼( CBN )和金刚石刀具材料( 包括聚晶金刚石PCD、化学气相沉积CVD 和人工合成单晶金刚石)等。刀柄结构要求具有很高的几何精度和装夹重复精度、很高的装夹刚度和高速运转时的完全可靠性。在安装刀具时, 要使刀—轴连接具有良好 5 的高速性能, 最佳途径是将原来仅靠锥面连接定位改为锥面与端面同时接触定位。目前最有代表性的是德国的HSK刀柄和美国的刀柄。
（4）高速控制系统
用于高速切削的CNC 系统必须是具有很高的运算速度和精度以及快速响应的伺服控制, 以满足高速度及复杂型腔的加工。为此,许多高速切削机床的CNC
控制系统采用多个 32 位甚至 64 位CPU , CPU的频率也提高到几百兆赫甚至上千兆赫, 使程序块的执行时间降低到3Ls～0. 5Ls。同时配置功能强大的后置处理软件, 可使工件加工质量在高速切削时得到明显改善。如目前常用的Master
CAM 的CNC 能前馈到1 000～2 000个程序块, 这种敏捷性足以控制刀具慢速地走过尖角。
（5）高速切削机床冷却系统
在高速切削条件下, 单位时间内产生的大量热切屑不仅干扰切削工作的正常进行, 还可能造成机床、 刀具和工件的热变形。解决的办法是采用强力高压、高效的冷却系统( 如高压喷射装置) ,把大流量的高压冷却液直接射向切削部位,对切削区供给压力为7 MPa、流量达60 L/min 的高压冷却液, 使冷却液以“瀑布”方式从机床顶部淋向工作台,把大量热切屑冲离工作台。
（6）高速加工监测技术
高速加工监测技术主要指在高速加工过程中通过传感、分析、信号处理等,
对高速机床及系统的状态进行实时的主动在线监测和控制, 识别可能引起重大事故的工况, 避免机床、刀具、工件及有关设施的损伤。监测技术的成功应用可大大延长刀具寿命、保证产品质量、提高效率、保证设备及人员安全。
（7）高速切削机床换刀装置
高速切削机床取消了换刀机械手,刀库与工件并排放置,刀库只作回转分度运动,由主轴部件作前后、上下、 左右的直线运动来放刀和取刀。换刀时间虽比普通机床略有增加, 但可靠性却大大提高了。
（8）高速切削机床温控系统
机床的热特性是指机床结构在其内部热源和外部热源的作用下, 产生结构变形和对加工精度影响的特性,为了改善高速加工机床的热特性,一般采用温控循环水(或其他介质)来冷却主轴电机、主轴轴承、直线电机、液压油箱、电气柜, 6 有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件。此外,还可采用低膨胀系数的铸铁来作高速机床的主轴箱体, 以减少主轴的热伸长和主轴部件的热变形。
4 高速数控加工过程中解决的关键问题
(1)高速电主轴的热稳定性是需要解决的关键问题之一。电主轴单元中的内装式电动机的发热使电主轴热态特性和动态特性变差。目前国际上一般采用气油润滑和喷射润滑等技术解决发热问题, 并将冷却液通过电主轴孔通向刀柄起到冷却作用。
(2)高压大流量的冷却液在高速数控加工中的作用是减小摩擦、降低温度、提高加工精度和表面质量、提高刀具耐用度、促进断屑和排屑。但是使用大量冷却液不但增加了生产成本, 而且造成严重的环境污染。美国一些企业消耗在冷却液和废液处理方面的费用目前已占总成本的14%～16%, 而刀具费用只占2%～4%。为保护环境和降低成本, 最好的办法是不采用冷却液而采用干切削, 同时选用合适的刀具材料, 并进行专门的刀具结构设计, 选择经过试验的工艺参数。
(3) 直线电机作为产品广泛应用于高速进给系统中, 但同时还存在发热严重、功率较小、价格较高和对周围环境要求过高等缺陷。所以,在加工时要注意通过选择合适的材料和制造工艺来解决这些问题。
5 高速切削技术的发展展望
高速切削加工是一套复杂的系统加工技术, 高速切削发展历史并不太长,
许多问题没有得到充分解决。其发展前景十分广阔, 随着新型机床技术的日益成熟,特别是高速主轴的出现,切削速度将进一步提高,但也要追求高速切削转速和进给速度的最佳参数,这样高速切削的高速才能充分发挥出来,刀具的磨损将会是今后一段时间内制约高速切削发展的关键因素。刀具的磨损问题说到底就是刀具材料的研究与突破,可以预言立方氮化硼和聚晶金刚石将在高速切削刀具材料方面起着先导的作用。高速切削技术是先进的制造技术, 推广应用高速切削技术不但可以大幅度提高机械加工的效率、质量,降低成本,而且可以带动一系列高新技术产业的发展。高速切削技术对于机械制造业来说是一场深刻的技术进步, 必