高速机床与高速切削在现代机械加工中的应用

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高速机床与高速切削在现代机械加工中的应用
T he A pp licati on of H igh2sp eed M ach ine Too l and H igh2sp eed Cu tting in M odern M ach in ing
江苏大学机械工程学院(212013)　宋昌才
【摘要】高速切削(H SC)、硬切削和干切削被认为是当今切削加工中3项最具发展前景的技术,
受到人们普遍重视。

世界机床行业功能部件发展迅速、单元技术水平不断提高,技术开发朝着
高速、高效、环保、智能化、机床功能的复合化方向发展。

探讨了高速机床的相关系统、高速刀具
系统、高速切削可以实现的目标、高速切削的应用和高速切削需要解决的问题等。

关键词　高速机床　高速切削　机械加工
Keywords　h igh2sp eed m ach ine too l,h igh2sp eed cu tting,m ach in ing
上世纪末,高速加工(H S M)或高速切削(H SC)
成为国际机械制造业最热门话题。

所谓“高速切削”,
一般不能简单地用某一具体切削速度值来定义。

在
不同技术发展年代,对不同的切削工序和切削条件,
用不同切削刀具和加工不同材料,其经济合理的切
削速度范围是不一样的,而且这个范围总是随着超
硬、耐磨、长寿命刀具材料的发展而不断提高,通常
是把采用比常规切削速度高得多(一般为5～10倍)
的切削加工称为高速切削,例如当切削速度对钢材
达到380m m in以上、铸铁700m m in以上、铜材
1000m m in以上、铝材1100m m in以上、塑料
1150m m in以上时,称为高速切削,满足高速切削
要求的加工中心,才可称为高速加工中心[1]。

表1为
现阶段高速切削技术水平[2]。

表1　现阶段高速切削技术水平
铣削CBN 铣削灰铸铁
PCD铣削铝合金1000～2000m m in 3000～4000m m in
车削CBN车削淬火钢(HRC60)
CBN车削灰铸铁刹车盘
氮化硅陶瓷车削灰铸铁
100～200m m in
700～1000m m in
500～700m m in
钻削整体硬质合金钻头钻灰铸铁100m m in
攻丝钴高速钢丝锥加工可锻
铸铁(M14×1.5)61m m in
滚齿硬质合金滚刀加工16M nC r5
金属陶瓷滚刀加工16M nC r5
350m m in
600m m in
采用高速切削,不仅能有效提高生产率、缩短切削时间和产品制造周期,还有许多其他优点:如工件 刀具和机床上的切削力减小,工件温升和热变形小,从而可以进行薄壁件加工;尺寸精度提高;表面粗糙度降低;毛刺减少;需用刀具种类较少;装夹简便;排屑较好;免掉许多既费工又费时的后序人工修理等,这对提高产品质量、提高企业市场竞争力具有十分重要的意义,特别是对那些经常需以整块材料镂铣成具有复杂型面零件的加工行业,如模具和航空、航天等行业,更是如此。

高速切削加工的实现,不仅要有超硬耐磨刀具,还需有能提供主轴高转速和高进给率的高刚度机床。

前者由于新型刀具材料,如陶瓷、涂层、聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶金刚石(PCD)等刀具的研制成功和发展,新型刀具对各种加工材料的经济合理切削速度已有巨大提高。

开发适应高速切削的机床成为当前机床领域的热点。

高速切削的必备硬件——高速机床
高速切削机床的开发与研究,主要集中在高速主轴系统、高速进给系统、机床总体结构的改进、高性能的数控系统等几个方面。

对高速加工对机床的要求:主轴速度应能达到12000～40000r m in;进给速度应达40～60m m in;快速移动速度达80m m in;加速度为1g;高刚性的机械结构;高稳定、高刚度、冷却良好的高速主轴;精确的热补偿系统;高速处理能力的控制系统(具有NU RB S插补功能和预处理能力的控制系统)。

1.高速主轴系统
高速主轴系统采用机电一体化的主轴,即所谓电主轴。

现代化的主轴是电机与主轴有机地结合成一体,主轴箱成为电机的定子,而主轴则是电机的转子,它夹持刀具并支承在前、后轴承上。

采用电子传
感器控制温度,自有的水冷或油冷循环系统,使主轴在高速下成为“恒温”。

由于使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术,使得主轴可以免维护、长寿命、高精度。

采用电主轴,免去了皮带轮、齿轮箱等中间环节,其主轴转速可以轻而易举地达到0～42000r m in,甚至更高,噪声、振动源消除,主轴自身的热源也消除了。

例如瑞士米克朗(M ik ron)公司采用本集团“Sw iss Step2T ec”公司生产的电主轴,这种电主轴采用了特别的、最先进的矢量式闭环控制、动平衡较好的主轴结构、油雾润滑的混合陶瓷轴承,可以随室温调整的温度控制系统,以确保主轴在全部工作时间内温度恒定[3]。

主轴转速必须符合实际工程加工需要,这不仅是由技术可行性和安全性来设定,而且还由刀夹系统、切削刀具加 减速度、工艺的柔性以及主轴刚性(即主轴轴承上的预负载)等来设定。

综合考虑15000～20000r m in范围内的转速较合适,较高的转速只能在某些情况下,如加工轻金属合金零件或在模具制造中较为适合。

主轴转速10～42000r m in时,刀具必须采用H SK型刀柄,外加动平衡,刀具的长度不能超过120mm,其直径不能超过516mm。

最新设计是把主轴做成与主轴孔通配的选购件,与机床分开,更换主轴就像更换铣床铣刀一样方便,可使机床成本大大降低。

例如意大利FA E M A T 公司生产的各种内藏式高速主轴,转速3000～120000r m in,用于数控加工中心机、车床、铣床、磨床、专用机等,以现有设备做多样化、多功能加工,如凸轮、孔径的研磨及铝合金高速铣削。

另有FA2CU 型自动换刀系列高速主轴,速度可由3000～6000 r m in,功率0.33～35k W,适用刀柄有B T、ISO、D I N69871及H SK,可直接安装于CN C机床上,这样可使现有机床发挥最大效益。

高速主轴在获得较低表面粗糙度方面,明显优于典型传动系统,在相等功率下,高速主轴外观尺寸及重量明显减小,极大地降低了Z轴负荷。

由于能够以连续微调方式改变转速,能在整个加工过程中即时控制切削速度而获得最大加工效率。

搭配变频器使用能与机床数字控制做完美连接,或者它可由机床操作者直接使用而不降低其品质与机能。

FA E M A T高速主轴应用范围很广,航空工业、汽车工业、机床、玻璃制造、木工制造、大理石制造业等均有广泛使用。

2.高速进给系统
在进给传动轴上采用直线电机,或采用平行机构的高速机床,进给速度有了很大提高,由于新式高速机床还不能充分解决承受推力和重载荷问题,因而采用传统滚珠丝杠实现高速进给仍很普遍。

日本精工已研制出进给速度达100m m in的滚珠丝杠,采取改进措施有:采用16～32mm大导程、加强滚珠循环部分零件,采用多头螺纹以增加有效圈数、改进滚道形状等,从而实现超高速、高刚度以及高承载能力。

有的公司为了降低成本,未采用直线电机,而采用中空通冷却液、加大直径和加大导程的滚珠丝杠,如日本东芝机械采用中空通冷却液的双滚珠丝杠来增强传动刚度。

利用直线驱动装置可以很容易地达到小于1Λm s或高达5m s的速度,直线驱动系统可以保证恒定的速度特性,速度偏差优于±0.01%。

在需要较高加速度的应用中,较小的直线电机可以方便地提供大于10g的加速度,而传统电机一般产生的加速度在1g范围内,直线驱动电机的精度只受反馈分辨率、控制算法及电机结构的限制。

机床普遍采用了线性滚动导轨,代替以往的滑动导轨,其移动速度、摩擦阻力、动态响应甚至阻尼效果都发生了质的改变,用手一推就可以将几百千克重的工作台推动。

其特有的双V型导轨结构,大大提高了机床抗扭能力;同时由于磨损近乎为零,导轨精度与寿命较以往提高几倍。

又因为配合使用数字伺服驱动电机,其进给和快速移动速度已经从过去最高的6m m in,提高到了现在的20～60m m in, M ik ron公司最新型机床使用直线电机,进给和快移速度可达80m m in。

除高速加工中心外,直线电机也出现在其他系统中,特别适用于工件重量轻和切削力小的场合,诸如激光切割和某些磨削加工,直线电机也出现在等离子切割机、坐标测量机、水喷射切割机、EDM机床和快速原型制造机,以及锯床、冲床和压力机。

意大利SAM PU T EN S I L I公司R SB18CN C八轴数控剃齿刀磨床工件头架滑板由直线电机驱动;德国KL I N GELNB ER G2HO FL ER公司生产的P系列齿轮测量中心,可用于测量不同结构形状的圆柱齿轮、锥齿轮、剃齿刀、滚刀、压缩机转子和凸轮轴等,它的各测量轴移动均应用直线电机驱动,以确保各轴运动无噪声、无振动、无磨损,从而实现在安静工作条件下以更高精度和更高速度进行测量。

3.机床结构的改进
机床床身结构进一步优化,现代机床均采用落地式床身,整体铸铁结构,龙门式框架的主轴立柱,尽可能由主轴部件来实现二轴甚至三轴的线性移动,考虑到刀具重量变化极小,这样在工件乃至工作
台不进行快速线性移动的情况下,机床快速线性移动部件的重量近乎常量,因此更容易控制快速加速或减速情况下的运动惯量及实现动态平衡,减少由于动态冲击所带来的不稳定,从而保证稳定的且更高的加工精度和产品质量。

为了适应高速化发展,机床结构出现了新的变化,基本原则是在保证机床系统静、动态刚度的前提下,尽量使移动部件轻量化,同时提高床身基座的刚性和稳定性,在可能条件下对其采用三点支承。

例如日本N H GA TA SPN50加工中心的X、Y轴应用“箱中箱”结构,减轻移动部件质量和提高刚度;高速化的立式加工中心和铣削中心大多采用龙门架式的结构以提高其动态刚度;对于大规格机床,应用动梁式(Y向运动)结构可使移动部件质量远小于立柱或移动式工作台。

实现超低速、大扭矩而又平稳地回转,历来是电动机传动技术的大难题,如平常使用各种结构的机械减速器。

随着功率电子和微电子特别是D SP(数字信号处理器)芯片以及永磁材料等技术的飞跃发展,这个难题已有所突破。

最近瑞士ET EL公司和美国KOLLM OR GEN公司均推出了“无刷环形扭矩电机”(B ru sh less R ing To rque M o to r)。

ET EL公司为大型天文望远镜提供的1台直径达52.5m、厚度40mm、扭矩10000N・m环形扭矩伺服电机,回转速度低到56天转1圈的情况下仍能极为平稳均匀地回转。

可以预见复合转台和复合主轴头的A、C (B)轴伺服传动中的蜗轮蜗杆副将被这些环形伺服扭矩电机所取代。

蜗轮蜗杆副、弧齿锥齿轮副将继正齿轮副之后从数控机床领域中逐渐退出,这将是具有突破意义的变化[4]。

德国Index公司研制出V100型三杆并联机构的“倒立车”,即主轴和工件在上作X、Z轴运动,而刀具在下不动,可回转换刀,但不作任何直线运动的立式车床。

并联机构最大弱点之一,是空间有效利用率很低。

因此主轴平台移动范围宜小,车床不像加工中心,工件相对刀具的移动范围本来就很小,所以V100型外形紧凑。

车床一般只需2个自由度(X和Z轴),现用三杆机构可以获得X、Y、Z3个自由度,还多余1个自由度,可用作自动上下料。

V100安装5英寸夹盘,电主轴转速为8000r m in,功率为26.48k W,X、Y、Z行程分别为450mm、150mm、175mm,可自动上、下料。

为了适应五轴联动加工应用的增多,美国TR IT ECH公司出售复合主轴头(型号为5411)的功能部件。

用它可将现有的任何三轴联动机床变为五轴联动机床(该复合主轴头用7∶24的锥柄及使用该公司提供的联接器与现有机床主轴联接),其C 轴范围为360°,A(B)轴为±90°,保证0.01°的角度精度和0.005°的重复精度。

4.高速数控系统
NU RB S是N on U n ifo r m R ati onal B2Sp line的缩写,使用NU RB S补偿可实现高速、高精度、高品质加工,模具加工时间只需原来的1 2。

H i2NU RB S 是在加工中心用的数控系统O SP2U100M上增加H i2NU RB S专用处理器,用于对模具等复杂三维形状进行高速、高精度及高品质加工的高速N C功能。

H i2NU RB S的特点:1)使用H i2NU RB S可很容易地进行高速、高精度以及高品质加工;2)原来的G01直线段加工程序不用修改即可使用;3)顺序复位、手动插入等操作与标准N C功能完全相同。

1)H i2NU RB S功能的内容
(1)高次曲线形状整形复原控制功能　在编程中编制的近似直线微小线段指令可恢复成圆滑的高次曲线,加工面精度大为提高;
(2)高次曲线形状和速度适应控制功能　对高次曲线上的插补位置、插补点的进给速度和加减速进行适应控制,使其达到最佳化,缩短了加工时间,提高了精度。

2)适应模具加工的高性能CN C装置
(1)CN CSHA PE(形状预识别控制功能)　是在高速加工模具自由曲面时,为防止在尖角部冲击及机械系统滞后等引起的路径误差,实行高精度加工的控制功能;
2)SF功能　用球形铣刀加工模具的自由曲面时,工件和刀具的切削点时刻变化。

因此实际切削点的切削速度发生变化,无法得到高质量的精加工面。

此SF功能是从N C数据中预先读出时刻变化的切削点,经常控制主轴回转使切削点的切削速度一定,与其对应控制每转进给量相当的进给速度也一定的功能。

大幅度减少了切削时间,每转进给稳定,提高了表面加工质量。

(3)区域加工功能　是在模具加工中,预先在加工面上设定区域,原程序不改变,相对于领域内或其领域外,可以变更切深及切削条件的功能。

无需程序变更生成让刀形状,对2种以上材料加工可选定最适合切削条件,这样通过简单形状变更使切削时间缩短。

由于当代CN C装置都采用32位或64位CPU 微处理器,主频可达100～200M H z,甚至可达500M H z,其运算速度极高,可实现高速、高精度加工。

现代数控系统有很高的运算速度,与先进的伺服
系统相配合。

采用交流数字伺服系统,伺服系统的位置、速度及电流环都实现了数字化,并采用新型控制理论实现了不受机械负荷变动影响的高速响应伺服系统。

采用前馈控制,在速度控制系统上加上速度指令,采用后能使伺服系统的跟踪滞后减少1 2,拐角切削加工精度得到提高。

采用减少静止摩擦影响的非线性控制,对静止摩擦较大的机床,实行非线性补偿能改善圆弧切削时的圆度。

现代数控系统还可以利用其补偿功能,对机床轴向运动的误差,丝杠、齿轮的间隙误差,螺距误差,以及环境温度和机械发热所造成的变形等空间误差进行补偿。

要补偿这些误差除了CN C装置本身要设置这些补偿功能外,还必须有各种相应的检测元件、传感器以及软件相配合。

采用了这些补偿功能,可以使1台一般精度的数控机床加工出很高精度的零件[5]。

日本发那科(FANU C)公司生产的16 18系列CN C系统,采用了64位高速R ISC微处理器,可以实现微小线段连续高速加工、先行控制(A dvanced P review Con tro l)、高精度轮廓控制及高速DN C操作。

日本大阪公司O SP2U100型数控系统、S IE M EN S(西门子)840D也是较优秀的。

高速刀具系统
刀具材料和技术的发展也是高速切削得以实现的一个重要因素。

由于在高速切削时,切削力已经不是主要因素,不需大的切削扭矩,因此刀柄就不再是传统的锥柄,而是短圆柄,即H SK型柄,不需拉钉,主轴锁紧装置充分考虑离心力的影响,夹持原理多为夹紧力随着主轴转速的提高而自动增大。

重要的是需要动平衡,即需加上动平衡环,在高速主轴系统中一般集成有在线自动平衡装置。

对刀具和夹紧系统的接口部分和接长杆而言,重要的是径向摆动精度、悬臂长度、振动性能和可换性。

为了达到圆柱刀柄在精加工时对径向摆动精度的要求,首先选用液压夹头、收缩夹头和力压缩夹头的连接方式,这些夹头和H SC接口相配时,其径向摆动精度可以达到0.003mm。

高速系统采用CBN(立方氮化硼)、PKD(多晶体金刚石)、T i A l N涂层、PCD(聚晶金刚石)等刀具,要求刀具可以承受高达300～500m m in的切削线速度。

切削时采用油雾润滑加工区,切削过程中使用切削液可提高刀具寿命、改善加工表面质量和利于排出切削热而不至引起机床的热变形,但是在高速切削过程中切削液的飞溅和形成的雾状液滴将污染操作现场和影响操作者健康,因而发展满足环保要求的干切削技术是绿色制造的一项重要内容。

世界两大刀具制造商Sandvik和Kennam etal 公司,开发出许多适合高速切削的新涂层刀具,例如:加工不锈钢的T P400钨钴硬质合金涂层刀片,精加工淬硬材料的CBN100和CBN150等级的Sec2 om ax PCBN刀片、加工高温合金的CP200等;Ken2 nam etal公司的PVD2T i B2刀片KC5410专门用于精加工软铝合金和非金属材料。

米克朗公司特别为42000r m in的高速铣削设计出F raisa特种立铣刀:可高速加工HRC68的淬硬钢,铝合金、铜合金。

特有的U n icu t2DU RO镀层优良的耐磨性和出色的热稳定性,特别适合高速铣削淬硬钢;特有的U n icu t2Celero镀层刀具特别适合高速铣削铝合金、铜合金;柄部精度达6级,在切削部分,无论是球头刀还是端铣刀都达到8级精度;每把球头刀都标有圆弧半径的上、下公差级平均值,以利于编程及控制精度。

SCHAUBL I N序列高速刀柄最高出厂动平衡42000r m in,所有刀柄及夹套都是为高速铣削而设计,决不会因为高速离心力而引起Z轴方向的变动。

高速切削有待解决的问题
高速切削还有许多问题有待解决:如高速机床动态、热态特性;刀具材料、几何角度和耐用度问题;机床与刀具间接口技术(刀具动平衡、扭矩传输);冷却润滑液选择;CAD CAM程序后置处理问题;高速加工时刀具轨迹优化问题等。

对于高速加工,人们不能仅仅局限于较高的主轴转速,坐标轴的驱动装置、进给速度、功率额定值、控制系统、刀夹系统、机床刚性、刀具和托盘更换及安全问题等都必须考虑进去,只有通盘考虑才能发挥高速切削的巨大作用。

参考文献
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5.丁乃建.21世纪数控技术新面貌.机械制造,2001,15 (2):24～26责任编辑　黄进平 。