高速加工机床的设计与应用（四）

探索

　　三、数控、伺服控制系统
　　数控、伺服控制系统是保证实现高速加工的核心技术装置，对它的要求是：既能实现所需的高进给速度和加减速度的控制，又要保证所需的轨迹跟踪精度和加工质量。因此，数控伺服系统首先应具有很高的运算速度(即更短的单个程序段的处理时间)和数据存贮及传输的能力，以处理大量的插补和控制数据；二是强大的前瞻功能，以保持最佳的进给速度和加速度，最佳的路径变换，识别拐角，及时调整，保证规定的动态精度曲线，使加工速度不超过机床的运行特性范围；三是有效的速度、加速度稳定功能和自适应加工轮廓变化的能力，因为加工平滑轮廓和非平滑轮廓时，施加在机床驱动系统上的力量不一样的，因此系统必需具有自调节能力，以保证机床永不过载，又能保持最佳的加工效率和质量，四是系统要力求具有开放性，包括人机界面开放(即具有标准的软硬件平台，如PC硬件，Windows操作系统，人机界面开发工具等)、控制逻辑开放(即具有可编程的机床逻辑控制，网络功能等)和数控内核开放(如供几何坐标系统与数控轴直连的接口等)，以使机床生产厂和用户可以集成自己的人机界面，设计高效、高可靠性的控制逻辑和专有的坐标变换及补偿控制软件等；五是系统应有足够的(如0.1μm)分辨率和多轴联动控制的功能，以保证高精、高速、高效加工的实现。目前德国西门子公司生产的Sinumerik 840D和日本FANUC公司生产的FS16i/18i/21i MODEL B等系统，都是具有一定开放性的系统，能基本满足上述功能要求。
# ?2 ?1 K" a: _3 M) C# @4 U　　高速加工刀具
# T) Q3 l! v2 m9 @* Y　　高速加工和普通加工最大的不同是切削速度和进给速度高，加减速度大，采用的刀具一般直径都较小和主轴转速多在1万转/分以上，所以要求刀具的材料具有更高的强度，硬度和耐磨性；更高的韧性和抗冲击能力以及更好的热硬性和化学稳定性。然而现实中，能同时满足这些要求的刀具材料目前还没有，一般都是采用以具有较高强度和韧性的硬质合金材料为基体，涂覆一层或多层具有高热硬性和高耐磨性的材料，如CBN、WC、TiC、TiN、TiCN、Al2O3等涂层来制成高速加工用的刀具。但是也有将超硬材料，如立方氮化硼(CBN)、天然金刚石(ND)、人造金刚石(PCD)等烧结在硬质合金或陶瓷材料基体上，形成综合性能非常好的高速加工刀具的。
, e% {* K7 |5 C　　硬质合金刀具由於其材料中含有碳化钨(WC)，碳化钛(TiC)等高硬度，高熔点的碳化物，耐磨性和耐高温性均较好，故常被用於对各种金属材料件进行高速，高功率的铣削加工。
6 o- q' y! `: |( O$ H　　涂层硬质合金刀具由於它把基体材料的韧性与所选用的表面涂层材料的特殊性能结合在一起，获得了更具所要求的刀具综合特性以适应不同材料的加工情况，故应用很广，在钢和铸铁的高速加工中都能适用。
　　超硬材料刀具中的CBN和PCBN刀具主要适用於对淬硬钢、冷硬铸铁、喷涂材料和耐热合金(如镍、铬铸铁等)的加工，包括粗、精加工和断续铣削；ND和PCD刀具则主要用於有色金属，铝合金，预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维等非铁材料的加工。
3 f/ [: {4 s: R　　除了正确选用刀具材料外，应用中还应考虑刀具的几何角度，排、断屑功能，刀具型式及其在机床主轴上的装夹和动平衡等问题，因为这些都是直接或间接地影响到高速加工的质量和效率的重要因素。
: R: r( Z# h3 Q* i　　从有利於断屑和减少刀具後表面对工件已加工表面的摩擦出发，高速加工刀具的前角要比普通加工刀具的前角小10°左右，後角则应大5°~8°。为了防止刀尖处的热磨损，主、副切刃的连接处应以圆弧过渡，以提高切刃的刚度，减少切刃的磨损概率。
　　刀具与机床主轴的连接必需安全可靠，并具有足够的整体刚性，回转和重复定位精度及传递大扭矩的能力。这些要求一般都由主轴与刀柄以及刀柄与刀具之间的连接来保证。传统的7:24的锥柄和单面夹紧刀具的系统已不适用於高速加工中使用，目前普遍采用的是1:10的中空短锥刀柄(HSK)系统。
　　HSK刀柄的特点和优点是：
　　锥面和端面同时接触定位，刀柄薄壁锥体会随高速时主轴锥孔的“胀大”而“胀大”，两者中间不会出现间隙，保证了轴向精度和刚度；
　　刀具拉杆爪在刀柄内打开，夹紧力将随着机床主轴转速的升高而加大，提高了装夹的安全与可靠性；
# T6 N7 k: u+ v　　中空短锥刀柄减少了刀柄的重量和惯量，有利於主轴的速度和加速度性能的提高等。
  {2 T) D3 u" a　　但是，这些改进提高了刀柄的制造精度要求，从而也就提高了成本。
　　HSK系列刀柄与机床主轴的连接有两种结构型式：带键槽和不带键槽的，分别以HSK-A型和HSK-E型表示。
& }, ]+ x8 V3 }, I$ L8 y& y　　HSK-A型带键槽，刀具可自定向(用於刀具准仃)，故可传递较大的扭钜，经符合相关标准要求的动平衡後，可在主轴转速为20000r/min~30000r/min的机床上使用。HSK-E型无键槽，是固有对称型，扭矩主要是靠刀柄和主轴间的锥面摩擦来传递，刀具不能自定向，故多用在功率不很大，但主轴转速更高的机床上。
　　适用於高速加工的HSK刀柄与刀具连接的接口有：弹簧夹套型，液压型、冷缩型和强力夹紧型等，如所周知，这些型式的接口各有自己的优缺点和适用条件，这里不再赘述。
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