超高速切削的主轴系统

超高速切削的主轴系统

摘要：超高速主轴系统的动力、转动、变速、支承、润滑、冷却、密封及刀具装夹等关键技术进行了研究，其中大功率零传动系统、交流变频调速、陶瓷轴承、油气润滑和气幕式密封等技术既吸收了国外的先进思想，又结合了我国的具体国情，据专家鉴定，其先进性和实用性都很突出，达到了国内领先水平。超高速切削技术不仅能提高生产效率，更重要的是能使加工质量明显提高，这是传统切削工所达不到的。

关键词：超高速切削；主轴；机床

超高速切削技术的概念与特点

超高速切削的概念源于Salomon 1929年所提出的至今仍令人感兴趣的2个假设，即在高速区，当切削速度超过切削温度最高的“死谷”区域，继续提高切削速度将会使切削温度明显下降，单位切削力也随之降低。经过长期的研究和开发，特别是随着近十几年在刀具和机床设备等关键技术领域的突破性进展，超高速切削技术日渐成熟，正逐步走向工业实用化。与60～70年代美、德等国开始大力进行这方面研究时相比，超高速切削技术的工艺和速度范围都大为扩展，不仅包括切削加工，还包括磨削和切割。在原理上采用像加工铝、铜合金那样使切削温度处于“死谷”之后的用量规范只占超高速切削加工中的一小部分，对大多数工件材料而言，超高速切削是指高于常规切削速5倍乃至十几倍条件下所进行的切削。如今超高速切削在实际生产中切削铝合金的速度范围1500m/min～5500m/min，铸铁750 m/min～4500 m/min，普通钢为600 m/min～800 m/mi n。切削进给速度已高达20 m/min～40 m/min。

不仅如此，超高速切削技术还在不断地发展着。在实验室，已可实现对铝合金达6000 m/min 以上的切削加工，机床进给系统的加速度可达3g，单层镀砂轮的磨削速度达300 m/s，接近音速。切削速度达到10 000 m/min、磨削速度达到和超过500 m/s的研究也正在艰难的探索之中。未来的超高速切削技术将会达到音速和超音速。

采用超高速切削技术能使整体加工效率提高几倍乃至十几倍。这是因为随着自动化程度的提高，辅助时间、空行程时间已大大减少，工件在制时间的主要部分为有效切削时间。而切削时间的多少取决于进给速度或进给量的大小。很显然，若保持进给速度与切削速度的比值不变，随切削速度的提高切削时间将线性减少，加工成本也因此相应降低，由此可大幅度提升制造企业的快速响应能力。除此而外，超高速切削还有如下重要特点：

（1）能获得较高的加工精度对同样的切削层参数，超高速切削的单位切削力明显减小。若在保持高效率的同时适当减低进给量，切削力的减幅还要加大。这使工件在切削过程的受力变形显著减小，有利于提高加工精度。特别对于大型框架件、薄板件、薄壁槽形件的高精度高效加工，超高速铣削是目前唯一有效的方法。

（2）能获得较高的加工表面完整性超高速切削使传入工件的切削热的比例大幅度减少，加工表面受热时间短、切削温度低，因此热影响区和热影响程度都较小，有利于获得低损伤的表面结构状态和保持良好的表面物理性能及机械性能。

（3）加工能耗低、节省制造资源超高速切削时，单位功率所切削的切削层材料体积显著增大。以洛克希德飞机公司的铝合金超高速铣削为例，主轴转速从4000 r/min提高到20 000 r/min时，切削力下降30%，而材料切除率增加3

倍。单位功率的材料切除率可达到130 cm3/min.kW～160 cm3/min.kW，而普通铣削仅为30 cm3/min.kW。由于切除率高、能耗低，工件在制的时间短，提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，因此超高速切削符合可持续发展的要求。

（4）能有效抑制切削振动的影响，降低加工表面粗糙度超高速切削的力值及其变化幅度小，与主轴转速有关的激振频率也远远高于切削工艺系统的高阶固有频率，因此切削振动对加工质量的影响很小。另一方面，超高速切削即使采用较小的进给量，仍能获得很高的加工效率，但表面粗糙度却得以极大的改善。如笔者以1325 m/m in的速度铣削灰铸铁，得到如同磨削一样的光滑表面，Ra仅为0.53 μm 。

发展超高速切削技术的重要性

21世纪的制造生产将日益走向全球化，国际制成品市场的竞争将愈加激烈，由此要求制造企业必须对市场现有需求和潜在需求作出快速响应,具备性能优良、价格低廉的产品和交货迅速的制造能力。这必将驱使制造加工技术朝着快速、低消耗和优质高精度的方向发展。在这一进程中，超高速切削作为加工业中最基础的综合性技术将发挥关键作用。

事实上，超高速切削所具有的一系列特色和在生产效益方面的巨大潜力，早已成为德、美、日等国竞相研究的重要技术领域，如美国，60年代初由空军主持开始超高速切削机理研究，1976年美国的公司研制了一台高速铣床，最高转速达到20 000 r/min。80年代初由国防高技术研究总暑(DARPA)规划了超高速切削基础技术的研究。如今美国波音公司、法国达索公司采用数控高速切削加工技术超高速铣切铝合金、钛合金整体薄壁结构件；美国休斯飞机公司采用超高速精密铣削技术加工平面阵列天线、波导管、挠性陀螺框架。而近年成立的隶属于美国国家科学研究委员会的“2010年及其以后国防制造工业委员会”在提出应把生产加工工艺作为重大攻关领域的前提下，将超高速切削列为与民用工业共用的先进制造基础技术。德国自1984年开始至今，由国家研究技术部(DFG)支助Darmstadt大学和41家公司对超高速切削机床、刀具等相关技术进行系统的研究。日本先端技术研究会把超高速切削列为五大现代制造技术之一。如今，美、德、日、法、瑞士、意大利生产的不同规格的各种商业化超高速机床已经进入市场，应用于飞机、汽车及模具制造。

我国于90年代初开始在国家基金委、国家计委和航空工业总公司的支持下对超高速加工的各关键领域进行初步的研究，但与国外的差距仍然较大。因此在“国家‘十五’重点领域技术预测研究”和“先进制造领域关键技术的分析论证”中，超高速切削技术仍被列为重大综合型项目和经济与社会发展急需高技术项目中的重要内容。

制造设备市场对超高速加工机床需求的增长趋势是发展我国超高速切削技术的另一个重要因素。根据对技术产品与市场的预测，到“十五”末我国对高速立铣加工中心、高速卧式加工中心和高速五面加工中心的年需求量分别约为150台和100台，到2010年则分别可达300台和200台。对用于这些设备的超高速切削刀具，也必然有明显的市场需求趋势。

高速切削对刀/轴联结要求

高速加工要求确保高速下主轴与刀具联结状态不能发生变化。但是，高速主轴的前端锥孔由于离心力的作用会膨胀，膨胀量的大小随着旋转半径与转速的增大而增大，标准的7/24实心刀柄膨胀量较小，因此标准锥度联结的刚度会下降，