高速切削的技术装备

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　　高速切削(High Speed Cutting-HSC)概念起源于德国切削物理学家Carl Salomn的著名切削实验及其物理引伸。他认为一定的工作材料对应有一个临界切削速度，其切削温度最高。
' y. @* \9 L& i$ c. g9 z" U　　在常规切削范围内(见图1A区)切削温度Tv随着切削速度Vc的增大而提高，当切削速度到达临界切削速度后，切削速度再增大，切削温度反而下降(见图1C区)，所以越过B区，在高速区C区进行切削，则可用现有的刀具进行高速切削，从而大大地减少切削工时，成倍提高机床的生产率，同时提高加工质量管理，并可用于切削各种硬、韧性、难加工材料的工件。因此，自上世纪80年代以来，国外在制造业的模具、航空、航天、汽车、精密机械、光学和家电等许多部门中，开始广泛应用该先进技术、取得了很大的成效。目前，面对日益加剧的国际竟争，国内广大企业迫切需要对HSC加工技术有比较全面的了解，以便能正确选购有关技术装备，并充分发挥其作用，获得予期的经济效益。
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. j( i% R, i* J, R2 P* i" c　　1 高速切削机床
' t+ W. w% z% T% }; T5 U- e　　为了适应粗精加工，轻重切削和快速移动，同时保证高精度(定位精度±0.005mm)，性能良好的机床是实现高速切削的关键因素。其关键技术有以下几项：
$ [# ?; D3 m3 d+ T( a' Y　　1.1 高速主轴
; E4 V+ X, K1 ^! ?& R& S. L+ t7 G　　高速主轴是高速切削机床的核心部件，随着对主轴转速要求的不断提高，传统的齿轮——皮带变速传动系统由于本身的振动、噪音等原因已不能适应要求，取而代之的是一种新颖的功能部件——电主轴，它将主轴电机与机床主轴合二为一，实现了主轴电机与机床主轴的一体化。电主轴采用了电子传感器来控制温度，自带水冷或油冷循环系统，使主轴在高速旋转时保持恒温，一般可控制在20°~25°范围内某一设定温度，精度为± 0.7°，同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使主轴免维护、长寿命、高精度。
　　1.2 高速精密轴承
/ |+ p, C/ D: r# g8 g% a　　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。
3 p% [$ o# V6 y* ?( D　　1.2.1 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45000r/min，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。
5 M5 T9 J/ S, g% W3 Q　　1.2.2 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。
　　1.2.3 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150000r/min，它的标准化程度高，便于维护，价格低。
　　1.3 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。
" q' s& V# v( ]- o% O7 {0 h+ t" I0 X　　1.3.1 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。
1 ]/ E' |9 J# s5 x　　1.3.2 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。
) g3 Q$ {1 t2 A5 z, u　　1.4 高性能的CNC控制系统
9 @. L/ O3 a2 J# Z* A% M& a/ W/ d　　高速切削机床优良的力学性能，必须通过它优良的控制性能才能够充分发挥。高速主轴，高速伺服系统都与控制技术的发展密不可分。用于HSC的计算机数控(CNC)系统必须具有很高的运算速度和精度，以及快速响应的伺服控制。HSC机床的CNC系统在相同一段时间内需要计算处理的数据比普通数控机床的CNC系统多得多，就要求前者的计算处理容量和速度大大提高，其CNC系统的硬件，采用功能强大的个人计算机器人配置。例如奔腾芯片，64MB内存，1-10GB硬盘等，使程序块的执行时间降低到3~0.5μs。在此基础上配备空间螺旋线、抛物线和样条插补功能、速度预控制功能，数字化自动平滑运动轨迹功能、加速和制动时的急动速度监控功能等等，使工件加工质量在高速切削时得到明显改善。相应地，伺服系统则发展为数字化、智能化和软件化，使伺服系统与CNC系统在A/D—D/A转换中不会有丢失或延迟现象，尤其是全数字交流伺服电机和控制技术已得到广泛应用，该技术的主要特点为具有优异的动力学特征、无漂移、极高的轮廓精度，从而保证了高进给速度加工的要求。
& h" A# ~* ^1 U　　2 高速切削刀具
9 q! ~0 @- ^' x& i1 x　　刀具是机械加工重要的技术装备之一。因易消耗，一旦机床性能获得确定，就成为注意力的焦点。由于离心惯性力随着转速升高而迅速增大，高速主轴端部同刀柄头部的给合在结构和尺寸方面有许多特别之处。目前基本采用HSK形式和系列，需要根据机床主轴参数来确定刀柄参数，使它们相符吻合。由于切削和进给速度高，HSC加工中刀具的寿命一般会降纸，需要从刀具材料、几何参数、悬伸长度以及切削参数、切削几何关系、走刀路线、润滑冷却等各方面采取措施，尽可能减少寿命的降纸。
( K6 B/ B) S- }  W　　HSC加工应用的刀具材料主要有硬质合金涂层、陶瓷、聚晶立方氮化硼和聚晶金刚石等几大类。
　　HSC刀具与普通刀具前后角相比，一般HSC比普通切削的前角约小10°，后角约大5°~8°。同时HSC刀具的切削部位应尽量短，以提高刀具的刚性和减小刀刃的破损率。
; \& r* `' V3 U　　总之，应根据工件材料、工件的批量大小、机床主轴参数等来选择刀柄、刀具材料及刀具的几何尺寸。
$ ?0 q" E5 o. F　　3 HSC机床的配套装备
　　(1)为了缩短辅助工时，绝大多数HSC机床都配有15~30刀位以上的刀具库和自动换刀装置，成为HSC加工中心。
　　(2)冷却润滑系统是不可少的配套装备，其中包含自动对机床各部进行冷却润滑的功能和排屑功能，需单独考虑的是刀具的冷却润滑装置，例如风冷装置或油雾润滑冷却装置，并需要兼顾吹屑功能。
* [: j9 m& `# v$ F: `　　(3)电子手轮和CAD/CAM系统与高速CNC系统的接口，是影响到机床操作控制性能的必要配套装置。
　　(4)能够自动测量刀具的直径、长度和进行破损检测的激光或红外线系统。
: i' c( {" l( z! e8 V　　(5)测头能够安装到主轴上用以探测工件轮廓型面的红外线测量装置。
　　(6)为了减少发生故障后，停机等待修复的时间，在机床台数多、利用率高的情况下，备用一根高速主轴。
　　(7) HSC机床的安全防护装置，包括硬件和软件，要保证即使在发生刀具破裂而高速弹飞出来的极端情况下，仍然能够可靠地保护操作使用者的人身安全，并且能够预防机床部件、刀具、工件之间产生意外的干涉碰撞。
# P6 f) U% \4 k8 v7 c, A' H3 s! E　　高速切削的技术装备涉及众多高新技术，必须根据本单位产品的材料、精度、批量等来选择相匹配的技术装备，使其在生产中充分发挥作用。

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