高速切割的关键技术

高速切割的关键技术

学院：动力与机械学院

班级：机械一班（09621）

姓名：丰德海

学号：200930139014

摘要: 高速切削是切削加工的发展方向，现已成为切削加工的主流。包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削和大进给切削等，高速切削是一个相对概念，如何定义尚无共识,切削速度为普通切削5-10倍的切削,刀具转速10000-20000rpm的切削,1978年切削委员会规定的500-7500m/min 的切削，通常为高速切削。高速切削不只是切削速度的提高，它的发展和推广应用（包括机床和刀具技术的全面发展和提高）将带动整体制造业水平和效益的进步与提高。

关键词：高速切割，关键，技术，发展，前景。

正文：高速切削是一项复杂的系统工程。高速切削不只是切削速度的提高，它的发展涉及到机床、刀具、工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新。实现高速切削的最关键技术是研究开发性能优良的高速切削机床, 自20世纪80年代中期以来, 开发高速切削机床便成为国际机床工业技术发展的主流。

1 高速加工对机床的特殊要求

高速切削加工的特殊性对实施高速切削加工的机床提出新的要求：

(1)要有一个适合高速运转的主轴单元及其驱

(2)要有一个快速反应的进给系统单元部件和数控伺服驱动系统。

(3)要有一个高效、快速的冷却系统。

(4)高刚性的床体结构。

(5)安全装置和实时监控系统。

(6)要有方便可靠的换刀装置。

(7)优良的热态特性和静、动态特性。

2 高速切削机床的关键技术

2．1 高速主轴

高速数控机床的工作性能, 首先取决于高速主轴的性能。数控机床的高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等几个部分, 它影响加工系统的精度、稳定性及应用范围, 其动力性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。

目前高速切削机床的主轴主要为陶瓷滚珠轴承电动主轴。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现机床的“零传动”，俗称“电主轴”。电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全性。目前电主轴主要采用交流异步感应电动机(高频)，国内外专业的电主轴制造厂已可供应几百种规格的电主轴。其套筒直径从32mm至320mm、转速从10000r／min到150000r／min，功率从0．5kW到80kW、转矩从0．1N•m 到300N•m。

2. 2 高速精密轴承

高速轴承是高速切削机床的核心,是决定高速主轴寿命和负载容量的最关键部件。

2. 2. 1 磁悬浮轴承

它是用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来,其转速可达45000rPmin ,功率为20kW,精度高,易实现实时诊断和在线监控,是理想的支承元件,但其价格较高。

2. 2. 2 液体动静压轴承

采用流体动、静力相结合的办法,使主轴在油膜支撑中旋转,具有径、轴向跳动小、刚性好、阻尼特性好,适于粗、精加工,寿命长的优点。但其无通用性,维护保养较困难。

2. 2. 3 混合陶瓷轴承

用氮化硅制的滚珠与钢制轨道相组合,是目前在高速切削机床主轴上使用最多的支承元件,在高速转动时离心力小,刚性好,温度低,寿命长,功率可达80kW,转速高达150000rPmin ,它的标准化程度高,便于维护,价格低。

2.3 高精度快速进给系统

高速切削是高切削速度、高进给率和小切削量的组合，进给速度为传统的5～10倍。这就要求机床进给系统高进给速度、良好的加减速特性、高精度、快响应、宽调速范围、低速大转矩。要实行这样并

准确控制这样高的进给速度，对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构提出了新的要求。

高速机床普通采用线性滚动导轨代替了传统的滑动导轨，其移动速度、摩擦阻力、动态响应特性和阻尼效果都不同于传统的滑动导轨，其特有的双V型导轨结构大大提高了机床的抗扭能力，同时其磨损近乎为零，导轨精度和寿命都比以往提高几倍，配合以数字伺服电机，其进给和快速进给从过去的6m/min提高到了现在的20～60m/min。

传统的直线电动机驱动机构，由旋转电动机、齿轮箱或联轴器、丝杠和驱动螺母、丝杠支座轴承等构成的驱动系统，影响和限制了机床的性能。例如：电动机最大转速的限制；高加速度下电动机轴产生的扭曲变形和位置误差；丝杠本身受临界转速、间隙、扭曲、螺距误差、摩擦等影响，且其振动衰减时间很长；齿轮箱增加系统惯性，产生间隙。而直线电动机。

驱动机构则没有上述缺点，能达到快速移动（可以达到120m/min 甚至200m/min的速度）和较短的位置稳定时间，且能进一步减少机床不进行实际切削加工的非生产时间。由于直线电动机驱动机构仅由两个互不接触部件组成，没有低效率的中间传动部件，也无机械滞后以及螺距误差，从而可达到高的效率，且其精度完全取决于反馈系统和轴承。当用全数字伺服系统驱动直线电动机时，可达到高刚度和高固有频率，从而达到极好的伺服性能。高速伺服系统已经发展成数字

化、智能化，软件化，高速切削机床已开始使用全数字交流伺服电机和控制技术。

2.4 高速伺服系统

为了实现高速切削加工,机床不但要有高速主轴,还要有高速的伺服系统,这不仅是为了提高生产效率,也是维持高速切削中刀具正常工作的必要条件,否则会造成刀个的急剧磨损与升温,破坏工件加工的表面质量。

2.4. 1 直线电机伺服系统

直线电机是使电能直接转变成直线机械运动的一种推力装置,将机床进给传动链的长度缩短为零,它的动态响应性能敏捷、传动刚度高、精度高、加减速度大,行程不受限制、噪音低、成本较高,在加速度大于1g 的情况下,是伺服系统的唯一选择。

2.4. 2 滚珠丝杠驱动装置

滚珠丝杠仍是高速伺服系统的主要驱动装置,用AC 伺服电机直接驱动,并采用液压轴承,进给速度可达40～60m/min ,其加速度可超过0. 6g ,成本较低,仅为直线电机的1/2. 5。

2.5 高性能的数控系统

数控系统的选用要注意是否具有如下的高速加工功能：①进给速度、加减速度的控制，前馈控制，前瞻控制，冲击控制；②各种螺距