高速切削機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)研究與分析

郭琳娜，鄭天池，曹 冠，邱自學(xué)

（南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

1 引言

高速切削技術(shù)作為一種近年來逐漸發(fā)展起來的生產(chǎn)技術(shù)，加工范圍廣，加工精度高，普遍應(yīng)用于航空航天、船舶交通和模具制造等領(lǐng)域，生產(chǎn)效率高，具有良好的應(yīng)用前景和開闊的發(fā)展市場(chǎng)，為社會(huì)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[1]。高速切削機(jī)床是借助高速切削技術(shù)迅速成長起來的一種新型機(jī)床，它摒棄了傳統(tǒng)機(jī)床在加工速度和精度等方面存在的劣勢(shì)，擴(kuò)大了加工范圍，并不斷地在機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)上尋求突破，使復(fù)雜類機(jī)械產(chǎn)品的加工成為可能。高速機(jī)床的研究層次在一定程度上可以表明一個(gè)國家的工業(yè)發(fā)展水平，世界各國在對(duì)高速切削技術(shù)的理論研究基礎(chǔ)之上，紛紛致力于提高機(jī)床的切削速度和切削質(zhì)量，并在機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)的研究上不斷尋求突破。

2 國內(nèi)外研究情況

高速機(jī)床由于其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)特性和顯著的功能優(yōu)勢(shì)，爭先被國內(nèi)外許多國家開發(fā)應(yīng)用，尤其是發(fā)達(dá)國家，如德國、日本、美國、意大利等國，已經(jīng)相繼掌握了各自引以為傲的關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)出了具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能高速切削機(jī)床，帶動(dòng)了工業(yè)水平的迅猛發(fā)展。國內(nèi)外幾種主要高速機(jī)床的性能指標(biāo)，如表1和表2所示。

表1 國外幾種主要的高速機(jī)床實(shí)例Fig.1 Examples of Several Major High Speed Machine Tools in Foreign Countries

表2 國內(nèi)幾種主要的高速機(jī)床實(shí)例Fig.2 Examples of Several Major High Speed Machine Tools in China

（1）德國作為工業(yè)大國，對(duì)高速試驗(yàn)的研究較早。二十世紀(jì)八十年代，德國提供1160萬馬克的資金支持，組織了包括Darmstadt工業(yè)大學(xué)的機(jī)床研究所（PTW）和41家企業(yè)在內(nèi)的技術(shù)研究小組，共同探討了高速切削的關(guān)鍵技術(shù)，取得了可觀的研究成果，并得到了國際社會(huì)的肯定[3]；而后的十年，德國某企業(yè)自主開發(fā)了XHC240型高速切削機(jī)床，它是世界上首臺(tái)依靠新型感應(yīng)式直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床，高速機(jī)床的研發(fā)翻開了嶄新的篇章并迅速走上成熟應(yīng)用階段；目前德國生產(chǎn)的高速切削加工中心整體性能優(yōu)良，德馬吉（DMG）生產(chǎn)的CTX310ECO通用車床可達(dá)5000r/min的主軸轉(zhuǎn)速，X、Z軸的快移速度分別為24m/min和30m/min[4]。

（2）日本在1996年設(shè)計(jì)開發(fā)了首臺(tái)高速切削加工中心；如今日本某企業(yè)已成功研發(fā)出臥式“INTEGREX e-650H II”和立式“INTEGREX e-1060V/8 II RAM”兩種復(fù)合加工機(jī)床，其中主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)1600r/min，快移速度為40m/min，刀具更換時(shí)間為1.8s（刀具質(zhì)量20kg以下），為21世紀(jì)的制造工業(yè)帶來了革命性的沖擊。

（3）美國在二十世紀(jì)六十年代就已經(jīng)開始了對(duì)超高速試驗(yàn)的研究，將刀具裝在農(nóng)炮中，將其當(dāng)作槍彈，通過滑臺(tái)射向工件[5]；到七十年代，具有高頻率電主軸的加工中心開始作為試驗(yàn)主體；如今，美國法道生產(chǎn)出的VMC4020C機(jī)床參數(shù)性能高，強(qiáng)大的主軸電動(dòng)機(jī)具有16.8kW的功率[6]，主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)7500rpm，可以保證主軸在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的扭矩，伺服電動(dòng)機(jī)采用世界著名品牌BALDO，可產(chǎn)生高達(dá)16900N的軸推力，安全可靠性高。

（4）中國在上世紀(jì)90年代才著手對(duì)高速切削機(jī)床的研究，并取得了顯著進(jìn)展。到二十世紀(jì)初，我國首臺(tái)依靠直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速切削機(jī)床在北京研制成功，其X、Y軸的最大加速度分別可達(dá)到0.8g和1.5g[7]，在保證機(jī)床結(jié)構(gòu)具有最大剛度和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，解決了機(jī)床在高速運(yùn)行中的抗穩(wěn)定性、抗沖擊性等問題。雖然與發(fā)達(dá)國家的同類產(chǎn)品之間仍存在較大差距，但在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)引進(jìn)技術(shù)設(shè)備的帶動(dòng)下，我國高速機(jī)床技術(shù)有了長足進(jìn)步。沈陽機(jī)床有限公司開發(fā)出的BW60HS/I型系列高速切削機(jī)床就是以電主軸為驅(qū)動(dòng)元件，主軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá)16000r/min。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

為適應(yīng)高速機(jī)床的發(fā)展，應(yīng)將研究重點(diǎn)放在對(duì)高速機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)與創(chuàng)新上。高速機(jī)床的開發(fā)改進(jìn)應(yīng)主要圍繞在對(duì)高速主軸系統(tǒng)、高速進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高性能控制系統(tǒng)和刀具系統(tǒng)等幾個(gè)方面的研究上。

3.1 高速主軸系統(tǒng)

高速主軸系統(tǒng)，作為高速切削機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一，為發(fā)揮其主要性能，需要具備較高的轉(zhuǎn)速，極準(zhǔn)確的對(duì)齊方式和良好的輻射或冷卻系統(tǒng)。電主軸是近年來出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，在機(jī)床領(lǐng)域應(yīng)用較廣，它作為連接機(jī)床主軸和電動(dòng)機(jī)的主體，取代了傳統(tǒng)“齒輪+皮帶”的變速傳動(dòng)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、響應(yīng)快等諸多優(yōu)勢(shì)[8]，而且定位精度高，噪聲小，傳動(dòng)效率高，廣泛受到機(jī)床主軸制造業(yè)的青睞。高速軸承技術(shù)和高速電機(jī)技術(shù)作為電主軸的核心技術(shù)，應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)的開發(fā)與研究。

（1）高速軸承技術(shù)：為了保證主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)支撐部件的強(qiáng)度和剛度，對(duì)所選用軸承的特性提出了很高的要求。隨著機(jī)械制造工業(yè)的迅速發(fā)展和新材料、新結(jié)構(gòu)的高速應(yīng)用，軸承逐漸被開發(fā)出來，如動(dòng)靜壓液體軸承、磁浮和混合球軸承等，根據(jù)主軸功率的不同，選擇合適的軸承支撐，當(dāng)主軸功率較小時(shí)，主軸一般采用高精度的滾動(dòng)球軸承，當(dāng)主軸功率較大時(shí)，主軸可采用陶瓷滾珠球軸承作為支撐[9]。（2）高速電機(jī)技術(shù)：由于高速電機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)速度高、響應(yīng)能力快、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于高速主軸系統(tǒng)中。同時(shí)，隨著機(jī)床主軸高速化進(jìn)程的發(fā)展，倘若電機(jī)仍然依靠皮帶或齒輪等傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式，將會(huì)造成機(jī)床的噪聲和振動(dòng)問題，影響機(jī)床的加工精度和效率；采用電機(jī)內(nèi)裝直接驅(qū)動(dòng)的形式，省去皮帶等中間環(huán)節(jié)，可以有效減小主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而提高生產(chǎn)效率。

3.2 高速進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

為配合高速機(jī)床的加工要求，進(jìn)給系統(tǒng)不僅應(yīng)該具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和控制精度，還要能夠保證具有較高的加減進(jìn)給速度，其值一般要求高達(dá)（1～10）g，動(dòng)力學(xué)分析表明，想要獲得較高的進(jìn)給加減速度，就必須盡可能大程度地降低移動(dòng)零部件的質(zhì)量、提高電動(dòng)機(jī)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)力[10]。為達(dá)到進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速化要求，應(yīng)對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析研究。

（1）電動(dòng)機(jī)：直線電機(jī)因速度高、加速度大、行程不受控制以及定位和跟蹤精度都很高等優(yōu)點(diǎn)[11]，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上摒棄了低效率的中間環(huán)節(jié)，僅由兩個(gè)互不接觸的部件組成，因此不存在摩擦磨損，具有良好的靜動(dòng)態(tài)性能和較高的速度響應(yīng)能力，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)上又顯著提高了加工效率[12]；同時(shí)，也正是由于省略了復(fù)雜多余的中間環(huán)節(jié)，才使得位置檢測(cè)元件成為系統(tǒng)控制精度的唯一決定因素，再配合恰當(dāng)?shù)姆答佈b置便能達(dá)到較高的控制精度[13]。

（2）導(dǎo)軌：導(dǎo)軌是進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件，面對(duì)機(jī)床高速化的發(fā)展趨勢(shì)，直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的應(yīng)用日益廣泛，其主要部件包括導(dǎo)軌、滑塊、鋼球和返向器等，其中，導(dǎo)軌為支撐部件，安裝于工作機(jī)上；滑塊是移動(dòng)部件，安裝于導(dǎo)軌部件上，當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼球沿導(dǎo)軌上的滾道滾動(dòng)，到達(dá)滑塊端部后又可以通過返向器再次進(jìn)入滾道，從而實(shí)現(xiàn)往復(fù)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)[14]。同時(shí)，由于直線滾動(dòng)導(dǎo)軌采用點(diǎn)或線接觸，減小了摩擦系數(shù)，提升了機(jī)床的響應(yīng)速度和快移速度，提高加工效率。

（3）滾珠絲杠：滾珠絲杠可以改變運(yùn)動(dòng)形式，且傳動(dòng)具有可逆性；滾珠絲杠可以進(jìn)行預(yù)緊并消除間隙，因而軸向剛度高，定位精度高；同時(shí)，滾珠絲杠具有運(yùn)動(dòng)靈敏、效率高、發(fā)熱小等優(yōu)點(diǎn)，在高速機(jī)床上得以廣泛應(yīng)用。為使進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿足高速切削進(jìn)給的要求，滾珠絲杠可選擇螺紋頭數(shù)較多的粗螺距滾珠絲杠，也可以選擇小螺距的大型號(hào)滾珠絲杠，兩種機(jī)構(gòu)都可以在保證加工精度的前提下提高進(jìn)給速度。

3.3 高性能控制系統(tǒng)

高速機(jī)床的控制系統(tǒng)不但要實(shí)現(xiàn)機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和加減速度的高速插補(bǔ)及快速響應(yīng)，還要具有高的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力和較為完整的功能化特征，控制系統(tǒng)應(yīng)在滿足工件或刀具進(jìn)給位置精準(zhǔn)的前提下，不斷探索提高加工表面質(zhì)量的方法，從而降低生產(chǎn)成本。

（1）數(shù)據(jù)處理能力：高性能的CNC控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在高速機(jī)床上，其CPU為32位或64位，程序的處理速度可以達(dá)到1.6m/s。高速切削技術(shù)對(duì)CNC控制系統(tǒng)大致有如下兩點(diǎn)要求：一是處理單個(gè)程序段的速度要快；二是在高速下仍要保證插補(bǔ)的精確度。此外，目前的CNC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開放性，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)既可以傳輸圖形數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)和產(chǎn)品的加工狀態(tài)等多方面的資料，又便于給用戶提供所需的技術(shù)支持，完善機(jī)床服務(wù)，在很大程度上提高了產(chǎn)品的加工效率。

（2）檢測(cè)系統(tǒng)：高性能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于具有準(zhǔn)確的檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)依靠進(jìn)給速度和位置閉環(huán)配合控制。如今一種變結(jié)構(gòu)的伺服控制方式正得到廣泛應(yīng)用，該控制方式對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和外部擾動(dòng)的變化均不敏感，且能夠根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在瞬態(tài)過程中的變化，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)給定的描述曲線準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)和追蹤，能有效改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[15]。

3.4 高速機(jī)床的刀具系統(tǒng)

刀具的磨損問題是高速切削機(jī)床的一個(gè)關(guān)鍵問題，在刀具系統(tǒng)的開發(fā)中應(yīng)主要考慮以下幾個(gè)方面。

（1）刀具材料：高速切削時(shí)的溫度極高，因此要求刀具具有良好的高溫力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，對(duì)刀具的材料性能提出了更高的要求?，F(xiàn)階段用于高速加工的刀具材料很多，比如硬質(zhì)合金涂層刀具、TiC（N）基硬質(zhì)合金（金屬陶瓷）、金剛石（PCD）、陶瓷刀具、氮化硼（PCBN）等，滿足了包括高速復(fù)合切削在內(nèi)的各類切削加工方式的技術(shù)要求[16]。

（2）刀具結(jié)構(gòu)：對(duì)新型刀具結(jié)構(gòu)的開發(fā)主要包括刀具外形結(jié)構(gòu)和刀柄外形結(jié)構(gòu)。隨著被加工件的外形日益復(fù)雜化，開發(fā)外形復(fù)雜的刀具已成為了刀具發(fā)展的新方向；刀柄是高速切削中的一個(gè)關(guān)鍵部件，起著連接主軸與刀具，傳遞切削力的作用，因此在刀柄結(jié)構(gòu)的開發(fā)過程中，應(yīng)該注意滿足刀柄的裝夾剛度和運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性。

4 結(jié)論

（1）高速切削技術(shù)一向是國內(nèi)外探索和研究的重點(diǎn)，是制造業(yè)的必然發(fā)展階段。高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速切削的基礎(chǔ)，在對(duì)高速機(jī)床的研究尤其是對(duì)機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)的研究上，已取得了顯著成就，并得到了廣泛應(yīng)用，取得了巨大的社會(huì)成效和經(jīng)濟(jì)效益。（2）電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，為切削加工技術(shù)奠定了良好的發(fā)展基礎(chǔ)，相信未來幾年間，高速切削技術(shù)將可以發(fā)展到一個(gè)新的技術(shù)水平。（3）綜合高速切削特性，了解機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)，尋求創(chuàng)新突破點(diǎn)，正成為各國爭先占領(lǐng)國際工業(yè)市場(chǎng)的重要突破口。

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