高速切削的技術裝備www.tool-tool.com

摘 要：介紹了高速切削機床及其伺服係統、控製係統、刀具和配套裝備，以便正確選購使用有關技術裝備，並充分發揮其作用。

關鍵詞：高速切削；伺服係統；控製係統；切削刀具；配套裝備

高速切削(High Speed Cutting-HSC)概念起源於德國切削物理學家Carl Salomn的著名切削實驗及其物理引伸。他認為一定的工作材料對應有一個臨界切削速度，其切削溫度最高。

在 常規切削範圍內(見圖1A區)切削溫度Tv隨著切削速度Vc的增大而提高，當切削速度到達臨界切削速度後，切削速度再增大，切削溫度反而下降(見圖1C 區)，所以越過B區，在高速區C區進行切削，則可用現有的刀具進行高速切削，從而大大地減少切削工時，成倍提高機床的生產率，同時提高加工質量管理，並可 用於切削各種硬、韌性、難加工材料的工件。因此，自上世紀80年代以來，國外在製造業的模具、航空、航天、汽車、精密機械、光學和家電等許多部門中，開始 廣泛應用該先進技術、取得了很大的成效。目前，麵對日益加劇的國際竟爭，國內廣大企業迫切需要對HSC加工技術有比較全麵的了解，以便能正確選購有關技術 裝備，並充分發揮其作用，獲得予期的經濟效益。

1 高速切削機床

為了適應粗精加工，輕重切削和快速移動，同時保證高精度(定位精度±0.005mm)，性能良好的機床是實現高速切削的關鍵因素。其關鍵技術有以下幾項：

1.1 高速主軸

高 速主軸是高速切削機床的核心部件，隨著對主軸轉速要求的不斷提高，傳統的齒輪――皮帶變速傳動係統由於本身的振動、噪音等原因 已不能適應要求，取而代之的是一種新穎的功能部件――電主軸，它將主軸電機與機床主軸合二為一，實現了主軸電機與機床主軸的一體化。電主軸采用了電子傳感 器來控製溫度，自帶水冷或油冷循環係統，使主軸在高速旋轉時保持恒溫，一般可控製在20°~25°範圍內某一設定溫度，精度為± 0.7°，同時使用油霧潤滑、混合陶瓷軸承等新技術，使主軸免維護、長壽命、高精度。

1.2 高速精密軸承

高速軸承是高速切削機床的核心，是決定高速主軸壽命和負載容量的最關鍵部件。

1.2.1 磁懸浮軸承

它是用電磁力將主軸無機械接觸地懸浮起來，其轉速可達45000r/min，功率為20kW，精度高，易實現實時診斷和在線監控，是理想的支承元件，但其價格較高。

1.2.2 液體動靜壓軸承

采用流體動、靜力相結合的辦法，使主軸在油膜支撐中旋轉，具有徑、軸向跳動小、剛性好、阻尼特性好，適於粗、精加工，壽命長的優點。但其無通用性，維護保養較困難。

1.2.3混合陶瓷軸承

用氮化矽製的滾珠與鋼製軌道相組合，是目前在高速切削機床主軸上使用最多的支承元件，在高速轉動時離心力小，剛性好，溫度低，壽命長，功率可達80kW，轉速高達150000r/min，它的標準化程度高，便於維護，價格低。

1.3 高速伺服係統

為了實現高速切削加工，機床不但要有高速主軸，還要有高速的伺服係統，這不僅是為了提高生產效率，也是維持高速切削中刀具正常工作的必要條件，否則會造成刀個的急劇磨損與升溫，破壞工件加工的表麵質量。

1.3.1 直線電機伺服係統

直線電機是使電能直接轉變成直線機械運動的一種推力裝置，將機床進給傳動鏈的長度縮短為零，它的動態響應性能敏捷、傳動剛度高、精度高、加減速度大，行程不受限製、噪音低、成本較高，在加速度大於1g的情況下，是伺服係統的唯一選擇。

1.3.2 滾珠絲杠驅動裝置

滾珠絲杠仍是高速伺服係統的主要驅動裝置，用AC伺服電機直接驅動，並采用液壓軸承，進給速度可達40~60m/min，其加速度可超過0.6g，成本較低，僅為直線電機的1/2.5。

1.4 高性能的CNC控製係統

高 速切削機床優良的力學性能，必須通過它優良的控製性能才能夠充分發揮。高速主軸，高速伺服係統都與控製技術的發 展密不可分。用於HSC的計算機數控(CNC)係統必須具有很高的運算速度和精度，以及快速響應的伺服控製。HSC機床的CNC係統在相同一段時間內需要 計算處理的數據比普通數控機床的CNC係統多得多，就要求前者的計算處理容量和速度大大提高，其CNC係統的硬件，采用功能強大的個人計算機器人配置。例 如奔騰芯片，64MB內存，1-10GB硬盤等，使程序塊的執行時間降低到3~0.5μs。在此基礎上配備空間螺旋線、拋物線和樣條插補功能、速度預控製 功能，數字化自動平滑運動軌跡功能、加速和製動時的急動速度監控功能等等，使工件加工質量在高速切削時得到明顯改善。相應地，伺服係統則發展為數字化、智 能化和軟件化，使伺服係統與CNC係統在A/D―D/A轉換中不會有丟失或延遲現象，尤其是全數字交流伺服電機和控製技術已得到廣泛應用，該技術的主要特 點為具有優異的動力學特征、無漂移、極高的輪廓精度，從而保證了高進給速度加工的要求。

2 高速切削刀具

刀 具是機械加工重要的技術裝備之一。因易消耗，一旦機床性能獲得確定，就成為注意力的焦點。由於離心慣性 力隨著轉速升高而迅速增大，高速主軸端部同刀柄頭部的給合在結構和尺寸方麵有許多特別之處。目前基本采用HSK形式和係列，需要根據機床主軸參數來確定刀 柄參數，使它們相符吻合。由於切削和進給速度高，HSC加工中刀具的壽命一般會降紙，需要從刀具材料、幾何參數、懸伸長度以及切削參數、切削幾何關係、走 刀路線、潤滑冷卻等各方麵采取措施，盡可能減少壽命的降紙。

HSC加工應用的刀具材料主要有硬質合金塗層、陶瓷、聚晶立方氮化硼和聚晶金剛石等幾大類。

HSC刀具與普通刀具前後角相比，一般HSC比普通切削的前角約小10°，後角約大5°~8°。同時HSC刀具的切削部位應盡量短，以提高刀具的剛性和減小刀刃的破損率。

總之，應根據工件材料、工件的批量大小、機床主軸參數等來選擇刀柄、刀具材料及刀具的幾何尺寸。

3 HSC機床的配套裝備

(1)為了縮短輔助工時，絕大多數HSC機床都配有15~30刀位以上的刀具庫和自動換刀裝置，成為HSC加工中心。

(2)冷卻潤滑係統是不可少的配套裝備，其中包含自動對機床各部進行冷卻潤滑的功能和排屑功能，需單獨考慮的是刀具的冷卻潤滑裝置，例如風冷裝置或油霧潤滑冷卻裝置，並需要兼顧吹屑功能。

(3)電子手輪和CAD/CAM係統與高速CNC係統的接口，是影響到機床操作控製性能的必要配套裝置。

(4)能夠自動測量刀具的直徑、長度和進行破損檢測的激光或紅外線係統。

(5)測頭能夠安裝到主軸上用以探測工件輪廓型麵的紅外線測量裝置。

(6)為了減少發生故障後，停機等待修複的時間，在機床台數多、利用率高的情況下，備用一根高速主軸。

(7) HSC機床的安全防護裝置，包括硬件和軟件，要保證即使在發生刀具破裂而高速彈飛出來的極端情況下，仍然能夠可靠地保護操作使用者的人身安全，並且能夠預防機床部件、刀具、工件之間產生意外的幹涉碰撞。

高速切削的技術裝備涉及眾多高新技術，必須根據本單位產品的材料、精度、批量等來選擇相匹配的技術裝備，使其在生產中充分發揮作用。

參考文獻

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4 倪其民等. 高速切削技術研究. 機械製造. 1999,(4)(end)

引用出處：

http://tw.myblog.yahoo.com/lifung-biz/article?mid=4470&prev=4471&next=4469

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