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1高速加工的特點及關(guān)鍵技術(shù) 高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刀具，通過極大地提高切削速度和進給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。高速加工是實現(xiàn)高效率制造的核心技術(shù)，工序的集約化和設(shè)備的通用化使之具有很高的生產(chǎn)效率。高速加工是一種不增加設(shè)備數(shù)量而大幅度提高加工效率所必不可少的技術(shù)，其切削速度范圍因不同的工件材料、不同的切削方式而異。目前，一般認為，超高速切削各種材料的切速范圍為：鋁合金已超過1600m/min，鑄鐵為1500m/min，超耐熱鎳合金達300m/min，鈦合金達150~100m/min，纖維增強塑料為2000~9000m/min。 1.1高速加工的特點高速加工技術(shù)與傳統(tǒng)加工方法相比有以下特點。 1）高速加工可在大幅度提高零件的加工效率、縮短加工時間、降低加工成本的同時，還中以使零件的表面加工質(zhì)量和加工精度達到更高的水平。 2）高速加工中工件執(zhí)變形的可能性小。由于切屑的切除產(chǎn)品在極短的瞬間，切屑溫度增高，切削熱絕大競爭被切削帶走，因而工件溫度并不高。這對于加工不耐熱的零件，加工對溫度和熱變形十分敏感的零件是有利的，特別適于加工鎂合金零件。 3）高速加工中單位切削力由于工件切削層材料軟化而減小，從而可減小零件加工中的變形，保證零件的尺寸和形位精度。這對于薄壁類和薄板類等加工剛性差的零件的加工特別的有利。 4）高速加工可獲得很好的已加工表面質(zhì)量和較小的表面粗糙度值。高速加工可減小表面硬化層度、減小表面層殘余應(yīng)力、表面層微觀組織的熱損傷，從而減小零件表面層材質(zhì)的機械、物理及化學性質(zhì)發(fā)生變化的可能性，保證已加工表面的內(nèi)在質(zhì)量，從而確保零件的使用性能。因此，高速加工可用于加工精密零件和有特種精密表面要求的零件。 5）高速加工，特別是高速銑削的突出優(yōu)點在于在提高切削速度的同時可提高進給速度。當保持切削厚度不變，進給速度比常規(guī)規(guī)銑削可提高5~10倍，從而達到很高的材料切除率，有效地降低切削機動時間，提高機床的利用率。 1.2高速加工關(guān)鍵技術(shù) 高速加工關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下內(nèi)容。 1.2.1高速切削機理高速切削的“高速”是一個相對概念，為常規(guī)切削速度的5~10倍。高速切削最初是作為提高加工效率、降低成本的一種手段，實際上產(chǎn)生了效好的連帶效果，能夠有效地克服難加工材料切削中的各種困難。要實現(xiàn)難加工材料的高速切削，道德應(yīng)該加強機理研究，這是必然的先行條件。 1.2.2高速主軸單元制造技術(shù) 高速電主軸是一套組件，包括電主軸及其附件，即電主軸、高速變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置等，因此它融合了高速軸承、冷卻、、潤滑等技術(shù)。 1.2.3高速進給單元制造技術(shù) 高速的主軸速度必須配備相應(yīng)的高速進給系統(tǒng)。研究具有高速、大加/減速度的進給系統(tǒng)是進給單元的關(guān)鍵。 1.2.4高速加工用刀具系統(tǒng)技術(shù) 在影響金屬切削發(fā)展的各種因素中，刀具材料及刀具制造技術(shù)起著決定性的作用，并推動高速加工實用化。高速切削加工時，對不同的工件材料選用與其合理匹配的刀具材料和允許的切削條件，才能獲得最佳的切削效果。因此，高速加工刀具所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：高速加工用刀具材料及制備技術(shù)，高速加工用刀具結(jié)構(gòu)及刀具幾何參數(shù)的研究 1.2.5高速在線檢測與CNC控制系統(tǒng) 高速加工在線檢測技術(shù)主要是指在高速加工過程中通過傳感、分析、信號處理等，對高速機床及系統(tǒng)的狀態(tài)進行實時在線的監(jiān)測和控制。在線檢測技術(shù)的內(nèi)容可分為對機床系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查和加工系統(tǒng)狀態(tài)的檢查。在高速加工中，輸入的控制程序仍是標準ISO數(shù)字控制代碼。但在高速條件下，傳統(tǒng)的數(shù)控程序存在諸多的問題，應(yīng)采用特殊的編程方法，例如：如何使切削數(shù)據(jù)適合高速主軸的功率特征曲線，如何解決高速加工時CAD、CAM高速通信的可靠性等，這些問題都需要進一步加以研究。 2電光軸高速機床的重要性部件是機床主軸，傳統(tǒng)機床主軸是通過中間的傳動裝置（如皮帶。齒輪等）帶動主軸旋轉(zhuǎn)進行工作。電主軸又稱內(nèi)置式電動機主軸單元，就是將高速電動機置于機床主軸部件的內(nèi)部，通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需的二作速度和扭矩。電主軸及其驅(qū)動系統(tǒng)是一種技術(shù)含量很高的機電一體化產(chǎn)品，涉及機械。電動機、驅(qū)動和控制、支承、潤滑、材料熱處理及振動等諸多領(lǐng)域，是一套相對獨立、完整的功能部件。 2.1結(jié)構(gòu)及工作原理主軸電動機和機床主軸合為一體的電主軸，通常采用的是交流高頻電動機，故也稱為“高頻主軸”（High Frequency Spindle）[1-3]。圖1所示為電主軸的結(jié)構(gòu)簡圖，基礎(chǔ)代謝要特征是將電動機內(nèi)置于主軸內(nèi)部直接驅(qū)動主軸，實現(xiàn)電動機、主軸一體化的功能。其工作原理和普通的異步電動機的工作原理一致，改變輸入電動機定子繞組的電流頻率和勵磁電壓獲得各種轉(zhuǎn)速。在加速和制動過程中，通過改變頻率進行加/減速，以免電動機溫度過高。由于電動機旋轉(zhuǎn)磁場的方向取決于輸入定子三相交流電的相序，幫改變電主軸輸入電流的相序便可改變電主軸的旋轉(zhuǎn)方向。 [img]http://jiansuji001.com/xh/19頁.jpg[/img] 與傳統(tǒng)機床主軸相比，電主軸具有如下特點： 1）主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，省去了中間傳動環(huán)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、機械效率高、噪聲低、振動小和精度高等特點。 2）采用交流變頻調(diào)速和矢量控制，輸出功率大，調(diào)整范圍寬，功率、轉(zhuǎn)矩特性好。 3）機械結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動慣量小，可實現(xiàn)很高的速度和加速度及定角度的快速準停。 4）電主軸更容易實現(xiàn)高速化，其動態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性更好。主軸端部徑跳可達0.004mm，距主軸端部300mm處徑跳為0.008mm。 5）由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)的外力作用，主軸運行更平穩(wěn)，使主軸軸承壽命得到延長。 2.2電主軸的選用對于已經(jīng)系列化供應(yīng)市場的電主軸，生產(chǎn)廠家提供有詳細的外形尺寸、冷卻方式、潤滑方式及輸入、輸出參數(shù)，主軸的選用比較簡單，只需配套滿足功率、電流和使用要求的變頻電源和外用冷卻、潤滑設(shè)施即可。事實上，電主軸的現(xiàn)有規(guī)格型號往往不能滿足用戶自己的需求，許多情況下仍需用戶依照自己的要求定做電主軸。電軸的選擇依據(jù)見圖2. 電主軸的主要參數(shù)包括：1）主軸最高轉(zhuǎn)速和恒功率范圍；2）主軸的額定功率和最大扭矩；3）主軸軸承直徑和前、后軸承跨距。選用電主軸最重要的是選定其最高轉(zhuǎn)速、寶寶功率和轉(zhuǎn)距及其與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。如圖2所示，根據(jù)切削工藝計算所需的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率的同時，還應(yīng)充分考慮從最終用戶的實際需要出發(fā)，以免造成性能冗余、資金浪費；根據(jù)實際可行的切削規(guī)范，對多個典型工件的多個典型工序多做計算；不要單純依靠產(chǎn)品技術(shù)來選用，而應(yīng)多與供應(yīng)商銷售服務(wù)專家交流，聽取有根據(jù)的有益建議；注意正確選擇軸承類型與潤滑方式。 [img]http://jiansuji001.com/xh/20頁左.jpg[/img] 另外，掌握憶主軸轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系特性，可在不同的情況下，最大限度地利用電動機和驅(qū)動器的工作潛力，以提高經(jīng)濟效益。 2.3電主軸的關(guān)鍵技術(shù) 高速電主軸是一項涉及電主軸本身及其附件的系統(tǒng)工程技術(shù)。所融合的技術(shù)主要包括如下內(nèi)容。 1）高性能的驅(qū)動電動機技術(shù)。電主軸的核心是電動機性能，正確設(shè)計電動機的電磁參數(shù)十分重要。 2）合理選用和配置支承。電主軸的支承需要選擇合適的主軸軸承形式，其支承必須滿足電主軸高速、高回轉(zhuǎn)精度的要求，同時需要相應(yīng)的剛度。電主同的支承形式主要有滾動軸承支承，氣壓和液壓的動、靜壓軸承支承和電磁軸承支承三種，其中使用最普遍的是滾動軸承支承。 3）設(shè)計有效的冷卻系統(tǒng)。電主軸中有兩大熱源：內(nèi)置電動機的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱。分析檢測結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子的溫度高達140~160℃，定子溫度也有45~85℃。圖3所示為高速主軸單元冷卻系統(tǒng)圖，為了盡快給高速運動的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，嚴格控制電主軸的溫度，使其穩(wěn)定在一個恒定值內(nèi)。 [img]http://jiansuji001.com/xh/20頁右.jpg[/img] 4）合理確定主軸零件與電動機定子的配合過盈量。電主軸的過盈量不僅應(yīng)滿足靜態(tài)傳遞能力的要求，而且還要考慮主軸動態(tài)特性的影響。過盈量的大小直接影響電主軸的性能，過盈量過大，會使主軸裝配困難，影響裝配精度，甚至破壞配合表面；過盈量過小，則會影響主軸傳遞扭矩的能力。 5）電主軸應(yīng)具有良好的動平衡特性[4]。對于電主軸，由于電動機轉(zhuǎn)子直接過盈固定在主軸上，增加了主軸的轉(zhuǎn)動質(zhì)量。一般認為，8000r/min是高速加工中的最低主軸轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)速下主軸動轉(zhuǎn)部分的微小不平衡質(zhì)量繞旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，形成了慣性離心力，該離心力F的計算公式如下： F =Meω2=Me(лn/30)2……………………（1）式中：M為系統(tǒng)總質(zhì)量。Kg；e為不平衡偏心距，mm；ω為角速度（1/s）；n為工作轉(zhuǎn)速，r/min。由式（1）可說明：離心力是按2л周期變化的矢量，其大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即使偏心距很小時，在高轉(zhuǎn)速、大質(zhì)量下也會產(chǎn)生很大的離心力。在生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)總是在空載回轉(zhuǎn)與切削加工這兩個狀態(tài)中不斷地切換狀態(tài)，而且切削時，受力狀況還要復(fù)雜得多，最終使主軸軸承受到大小和方向不定的徑向力，使軸承工作的平穩(wěn)性大受影響，同時加劇了軸承過早的磨損和失效。離心力激起機床的振動，離心力過大，加劇切削刃的非正常磨損，降低了工件的加工精度和表面質(zhì)量。因此高速電主軸的動平衡精度應(yīng)嚴格要求，一般都執(zhí)行ISO標準G1–G0.4級。對于這種等級的動平衡要求，不僅需在裝配前對主軸上的每個零件分別進行動平衡，還需在裝配后進行整體動平衡，甚至還要設(shè)計專門的自動平衡系統(tǒng)來實現(xiàn)主軸在線動平衡，確保主軸高速平衡運行。 3結(jié)語隨著高速切削逐漸成為現(xiàn)代金屬切削的發(fā)展趨勢，我國在“十五”期間，高速加工技術(shù)的研究與應(yīng)用也取得了重要進展，開展了直線電動機應(yīng)用技術(shù)的研究，完成了8000~10000r/min機械式高速主軸單元和10000~18000r/min高速電主軸單元的產(chǎn)品開發(fā)和加工制造工藝的研究和應(yīng)用，研制成功適合高速機床加工的HS工具系統(tǒng)，并已將其轉(zhuǎn)化成國家標準。 “十一五”是我國經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵時期，隨著個性化產(chǎn)品的社會需求增加，其生產(chǎn)條件為多品種、單件小批制造加工，高速加工技術(shù)必將在生產(chǎn)工藝離散型或混合企業(yè)中得到進一步的應(yīng)用和發(fā)展。


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