关键技术：高速切削加工的优化方案

随着近几年高速切削技术的迅速发展，各项关键技术也正在不断地跃上新水平，包括高速主轴、快速进给系统、高性能CNC控制系统、先进的机床结构、高速加工刀具等。

1.高速主轴

高速主轴单元是高速加工机床最关键的部件。在超高速运转的条件下，传统的齿轮变速和皮带传动方式已不能适应要求，为适应这种切削加工，高速主轴应具有先进的主轴结构，优良的主轴轴承，良好的润滑和散热等新技术。

当前，高速主轴在结构上几乎全都采用主轴电机与主轴合二为一的结构形式，简称电主轴，如图2-84所示，其主要结构如图2-85所示。即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，电动机定子安装在主轴单元的壳体中，采用自带水冷或油冷循环系统，使主轴在高速旋转时保持恒定的温度。这样的主轴结构具有精度高、振动小、噪声低、结构紧凑的特点。

图2-84　高速电主轴

图2-85　电主轴结构

1—螺母；2—旋转变压器定子；3—旋转变压器转子；4，7，8—密封圈；5—转子；6—定子

高速主轴采用的轴承有滚动轴承、气浮轴承、液体静压轴承和磁浮轴承几种形式。

目前，高速铣床上装备的主轴多采用滚动轴承。在滚动轴承中，一种称为陶瓷混合轴承越来越被人们所青睐，其内外圈由轴承钢制成，轴承滚珠由氮化硅陶瓷制成。

滚动轴承各运动体之间是接触摩擦，其润滑方式也是影响主轴极限转速的一个重要因素。适合高速主轴轴承的润滑方式有油脂润滑、油雾润滑、油气润滑等。其中油气润滑的优点有：油滴颗粒小，能够全部有效地进入润滑区域，容易附着在轴承接触表面；供油量较少，能够达到最小油量润滑；油、气分离，既润滑又冷却，而且对环境无污染。因此，油气润滑在超高速主轴单元中得到了广泛的应用。

气浮轴承主轴的优点在于高的回转精度、高转速和低温升，其缺点是承载能力较低，因而主要适合于工件形状精度和表面精度较高、所需承载能力不大的场合。

液体静压轴承主轴的最大特点是运动精度高，回转误差一般在0.2μm以下；动态刚度大，特别适合于像铣削的断续切削过程。但液体静压轴承最大的不足是高压液压油会引起油温升高，造成热变形，影响主轴精度。

磁浮轴承是用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来，其间隙一般在0.1 mm左右，由于空气间隙的摩擦热量较小，因此磁浮轴承可以达到更高的转速，可达滚珠轴承主轴的两倍。高精度、高转速和高刚度是磁浮轴承的优点。但由于机械结构复杂，需要一整套传感器系统和控制电路，其造价也在滚动轴承主轴的两倍以上。

2.快速进给系统

实现高速切削加工不仅要求有很高的主轴转速和功率，同时要求机床工作台有很高的进给速度和运动加速度。超高速切削进给系统是超高速加工机床的重要组成部分，是评价超高速机床性能的重要指标之一。在20世纪90年代，工作台的快速进给多采用大导程滚珠丝杠和增加进给伺服电动机的转速来实现，其加速度可达0.6g；在采用先进的液压丝杠轴承，优化系统的刚度与阻尼特性后，其进给速度可达到40～60 m/min。

图2-86　直线电机驱动系统原理图

1—定子冷却板；2—滚动导轨；3—动子冷却板；4—输电线路；5—工作台；6—位置检测系统；7—动子部分；8—定子部分

由于工作台的惯性以及受滚珠丝杠本身结构的限制，若要进一步提高进给速度，就非常困难。然而，更先进、更高速的直线电动机已经发展起来，它可以取代滚珠丝杠传动，提供更高的进给速度和更好的加、减速特性。目前，国内外机床专家和许多机床厂家普遍认为直线电机直接驱动是新一代机床的基本传动形式，如图2-86所示为直线电机驱动系统原理图。直线电机直接驱动的优点是：①控制特性好、增益大、滞动小，在高速运动中保持较高位移精度；②高运动速度，因为是直接驱动，最大进给速度可高达100～180 m/min；③高加速度，质量轻，可实现的最大加速度高达2g～10g；④无限运动长度；⑤定位精度和跟踪精度高，以光栅尺为定位测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作台的定位精度高达0.1～0.01μm；⑥启动推力大，可达120 mN；⑦由于无传动环节，因而无摩擦、无往返程空隙，且运动平稳；⑧有较大的静、动态刚度。

直线电机直接驱动的缺点是：①由于电磁铁热效应对机床结构有较大的热影响，需附设冷却系统；②存在电磁场干扰，需设置挡切屑防护；③有较大功率损失；④缺少力转换环节，需增加工作台制动锁紧机构；⑤由于磁性吸力作用，造成装配困难；⑥系统价格较高。

3.高性能的CNC控制系统

用于高速加工的CNC控制系统必须具有很高的运算速度和运算精度，以及快速响应的伺服控制，以满足高速及复杂型腔的加工要求。随着计算机技术的发展，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，同时配置功能强大的计算处理软件，使工件加工质量在高速切削时得到明显改善。相应地，伺服系统则发展为数字化、智能化和软件化，从而保证了高进给速度加工的要求。

4.先进的机床结构(www.xing528.com)

为了适应粗精加工、轻重切削负荷和快速移动的要求，同时保证高精度，高速切削机床床身必须具有足够的刚度、强度和高的阻尼特性及高的热稳定性。其措施有：一是改革床身结构，如Gidding&Lewis公司在其RAM高速加工中心上将立柱与底座合为一个整体，使机床整体刚性得以提高；二是使用高阻尼特性材料，如聚合物混凝土。日本牧野高速机床的主轴油温与机床床身的温度通过传感控制保持一致，协调了主轴与床身的热变形。机床厂商同时在切除、排屑、丝杠热变形等方面采用各种热稳定性措施，极大地保证了机床稳定性和精度。高速切削机床用防弹玻璃作观察窗；同时，采用主动在线监控系统对刀具和主轴的运转状况进行在线识别与控制，确保人身与设备的安全。

进入20世纪90年代以来，在高速切削领域出现了一种全新结构形式的机床——六杆机床，又称为并联机床，如图2-87所示，机床的主轴由六条伸缩杆支承，通过调整各伸缩杆的长度，使机床主轴在其工作范围内既可作直线运动，也可转动。与传统机床相比，六杆机床能够有六个自由度的运动，每条伸缩杆可采用滚珠丝杠驱动或直线电动机驱动，结构简单。由于每条伸缩杆只是轴向受力，结构刚度高，可以降低其质量以达到高速进给的目的。如图2-88所示为我国生产的第一代并联机床，可实现快速进给，高速切削。

图2-87　六杆机床结构示意图

5.高速切削的刀具系统

高速切削与普通切削相比，高速切削时刀具与工件的接触时间减少，接触频率增加，切削过程所产生的热量更多地向刀具传递，刀具磨损机理与普通切削有很大区别。此外，由于高速切削时的离心力和振动的影响，刀具必须具有良好的平衡状态和安全性能，刀具的设计必须根据高速切削的要求，综合考虑磨损、强度、刚度和精度等多方面的因素。

图2-88　中国生产的第一代并联机床

目前，高速切削通常使用的刀具材料如下。

1）硬质合金涂层刀具。如图2-89所示。由于刀具基体有较高的韧性和抗弯强度，涂层材料高温耐磨性好，故可采用高切削速度和高进给速度。

2）陶瓷刀具。如图2-90所示。陶瓷刀具与金属材料的亲和力小，热扩散磨损小，其高温硬度优于硬质合金，可承受比硬质合金刀具更高的切削速度。但陶瓷刀具的韧性较差，常用的有氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷和金属陶瓷等。

图2-89　硬质合金涂层刀具

图2-90　陶瓷刀具

3）聚晶金刚石刀具。如图2-91所示。聚晶金刚石刀具的耐磨性极强，具有良好的导热性，特别适合于难加工材料及黏结性强的有色金属的高速切削，但价格较贵。

4）立方氮化硼刀具。如图2-92所示。具有高硬度、良好的耐磨性和高温化学稳定性，寿命长，适合于高速切削淬火钢、冷硬铸铁、镍基合金等材料。

图2-91　聚晶金刚石刀具

图2-92　立方氮化硼砂轮

当主轴转速超过15 000 r/min时，由于离心力的作用将使主轴锥孔扩张，普通刀柄与主轴的连接刚度将会明显降低，径向跳动精度会急剧下降，甚至会导致主轴与刀柄锥面脱离，出现颤振。为了满足高速旋转下不降低刀柄的接触精度，一种新型的双定位刀柄已在高速切削机床上得到应用，如图2-93所示的德国HSK刀柄就是采用的这种结构。这种刀柄以锥度1∶10代替传统的7∶24，楔作用较强，其锥面和端面同时与主轴保持面接触，实现双定位，定位精度明显提高，轴向定位重复精度可达0.001 mm。这种刀柄结构在高速转动的离心力作用下，锥体向外扩张，增加压紧力，会更牢固地锁紧，在整个转速范围内保持较高的静态和动态刚性，刀柄为中空短柄，其工作原理是利用锁紧力及主轴内孔的弹性膨胀补偿端面间隙。由于中空刀柄自身重复精度好、连接锥面短，可以缩短换刀时间，适应于主轴高速运转。

图2-93　德国HSK刀柄系统

（a）外形图；（b）原理图
1—刀柄；2—定位端面；3—定位锥面；4—主轴；5—刀柄拉杆；6—夹爪