高速切割的关键技术.doc

高速切割核心技术

学院：动力与机械学院
班级：机械一班（09621）
姓名：丰德海
学号：30139014

摘要：高速切削是切削加工发展方向，现已成为切削加工主流。涉及高速软切削、高速硬切削、高速干切削和大进给切削等，高速切削是一种相对概念，如何定义尚无共识,切削速度为普通切削5-10倍切削,刀具转速10000-0rpm切削,1978年切削委员会规定500-7500m/min 切削，普通为高速切削。高速切削不只是切削速度提高，它发展和推广应用（涉及机床和刀具技术全面发展和提高）将带动整体制造业水平和效益进步与提高。
核心词：高速切割，核心，技术，发展，前景。
正文：高速切削是一项复杂系统工程。高速切削不只是切削速度提高，它发展涉及到机床、刀具、工艺和材料等诸多领域技术配合和技术创新。实现高速切削最核心技术是研究开发性能优良高速切削机床，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主流 。
1 高速加工对机床特殊规定
高速切削加工特殊性对实行高速切削加工机床提出新规定：
(1)要有一种适合高速运转主轴单元及其驱
(2)要有一种迅速反映进给系统单元部件和数控伺服驱动系统。
(3)要有一种高效、迅速冷却系统。
(4)高刚性床体构造。
(5)安全装置和实时监控系统。
(6)要有以便可靠换刀装置。
(7)优良热态特性和静、动态特性。
2 高速切削机床核心技术
2．1 高速主轴
高速数控机床工作性能，一方面取决于高速主轴性能。数控机床高速主轴单元涉及主轴动力源、主轴、轴承和机架等几种某些，它影响加工系统精度、稳定性及应用范畴，其动力性能及稳定性对高速加工起着核心作用。
当前高速切削机床主轴重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长度缩短为零，实现机床“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，尚有一系列控制主轴温升与振动等机床运营参数功能，以保证其高速运转可靠性与安全性。当前电主轴重要采用交流异步感应电动机(高频)，国内外专业电主轴制造厂已可供应几百种规格电主轴。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核心,是决定高速主轴寿命和负载容量最核心部件。
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,是抱负支承元件,但其价格较高。
2. 2. 2 　液体动静压轴承
采用流体动、静力相结合办法,使主轴在油膜支撑中旋转,具备径、轴向跳动小、刚性好、阻尼特性好,适于粗、精加工,寿命长长处。但其无通用性,维护保养较困难。
2. 2. 3 　混合陶瓷轴承
用氮化硅制滚珠与钢制轨道相组合,是当前在高速切削机床主轴上使用最多支承元件,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 ,它原则化限度高,便于维护,价格低。
2.3 高精度迅速进给系统
高速切削是高切削速度、高进给率和小切削量组合，进给速度为老式5～10倍。这就规定机床进给系统高进给速度、良好加减速特性、高精度、快响应、宽调速范畴、低速大转矩。要实行这样并精确控制这样高进给速度，对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台构造提出了新规定。
高速机床普通采用线性滚动导轨代替了老式滑动导轨，其移动速度、摩擦阻力、动态响应特性和阻尼效果都不同于老式滑动导轨，其特有双V型导轨构造大大提高了机床抗扭能力，同步其磨损近乎为零，导轨精度和寿命都比以往提高几倍，配合以数字伺服电机，其进给和迅速进给从过去6m/min提高到了当前20～60m/min。
老式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驱动系统，影响和限制了机床性能。例如：电动机最大转速限制；高加速度下电动机轴产生扭曲变形和位置误差；丝杠自身受临界转速、间隙、扭曲、螺距误差、摩擦等影响，且其振动衰减时间很长；齿轮箱增长系统惯性，产生间隙。而直线电动机。
驱动机构则没有上述缺陷，能达到迅速移动（ 可以达到120m/min甚至200m/min速度） 和较短位置稳定期间，且能进一步减少机床不进行实际切削加工非生产时间。由于直线电动机驱动机构仅由两个互不接触部件构成，没有低效率中间传动部件，也无机械滞后以及螺距误差，从而可达到高效率，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,还要有高速伺服系统,这不但是为了提高生产效率,也是维持高速切削中刀具正常工作必要条件,否则会导致刀个急剧磨损与升温,破坏工件加工表面质量。
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一种推力装置,将机床进给传动链长度缩短为零,它动态响应性能敏捷、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,在加速度不不大于1g 状况下,是伺服系统唯一选取。
2.4. 2 　滚珠丝杠驱动装置
滚珠丝杠仍是高速伺服系统重要驱动装置,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1/2. 5。
2.5 高性能数控系统
数控系统选用要注意与否具备如下高速加工功能：①进给速度、加减速度控制，前馈控制，前瞻控制，冲击控制；②各种螺距补偿、反向间隙补偿、弯曲度补偿、温度补偿、跨象限补偿等；③大容量存储器，以适应复杂形状加工需要；④程序迅速输入和解决。
高性能数控系统构成当前惯用高性能数控系统有FANUC16i、SIEMENS840D和HEIDENHAINTNC430等，它们脉冲当量已达纳米级。
2.6 高速切削机床本体构造规定
高速切削机床规定机床本体具备较好静刚度、动刚度和热刚度特性等，特别对动态特性有很高规定。在设计时，从机床构造动态特性、固有频率角度，进行有限元分析或运用"多体系统"进行动态仿真，设计出最优床身构造。当前大多采用落地式床身，整体铸铁构造，龙门框架主轴立柱，并在立柱上增长恰当加强筋，使机床构造具备良好静、动态刚度和稳定性，且有较好吸振性。也可采用基于S tew art平台并联机床床身构造，以减轻重量，增长刚度。近年来高速机床床身和立柱材料采用了聚合物混凝土或称人造花岗石，这种材料阻尼特性为铸铁7~ 10倍，而比重只有铸铁三分之一，是制造高速机床支承件较为适当材料。
3 高速切削机床发展历史与现状
3.1 国外
20世纪80年代，世界机床制造强国德国、日本就在政府强有力资助下，联合众多机床制造公司，共同攻关，进行高速切削机床各有关硬件与软件开发，并迅速实现高速切削机床商品化。
1993年，汉诺威国际机床博览会上展出了德国制造世界上第一台用直线电动机驱动工作台高速加工中心，由此拉开了高速进给序幕，高速切削技术从此迅速走向成熟应用阶段。当前，德国高速立式铣削加工中心实用化主轴转速已经达到60 000r/min，迅速进给速度X 、Y 、Z 轴均为60m/m i n，加速度为2.5g ，重复定位精度±1μ m。在研制高速切削机床同步，德国还在高速切削工艺方面进行进一步研究，在有色金属、复合材料、铸铁及模具钢等高速切削机理研究方面形成系统理论，以加工效率、加工精度和加工零件表面完整性为目的，对高速切削工艺进行优化，对指引高速切削生产起到很大作用。
日本于1996年研制出第一台卧式高速切削加工中心，主轴转速30 000r/min，最大进给速度80m/min，加速度为2g ，重复定位精度±1μ m。同步在高速切削工艺方面进行了进一步研究，涉及高速切削工艺数据库、高速切削刀具磨损破损机理、切屑控制、高速切削过程C A D/C A M系统开发及质量控制等，从而加速高速切削技术产业化进程，在国际机床界产生重大影响。
近几年国外高速加工机床发展迅速，美国、法国、瑞士、英国、加拿大、意大利等国家相继开发出了各自高速切削机床。
3.2 国内
国内在20世纪90年代初开始关于高速切削机床及工艺研究。研究内容涉及水泥床身、超高速主轴系统、全陶瓷轴承及磁悬浮轴承、迅速进给系统、有色金属及铸铁超高速切削机理与适应刀具等方面。通过科技工作者艰难工作，各项核心技术都获得了明显进展。然而，由于种种因素，某些高速加工技术基本共性技术研究没有得到优化、集成和推广应用，未能形成系统理论，与国外发达国家差距明显。
在市场经济引进技术设备带动下，国内高速机床技术有了长足进步。当前国内10 000～15 000r/min立式加工中心、18 000r/min卧式加工中心、3 500～4 000r/min数控车床和车削中心已批量生产，切削速度达8 000r/min数控车床也已问世。高速机床高档数控系统和开放式数控系统正在进一步研究中，但当前重要还是依赖进口。当前国内正逐渐开始推广应用高速切削技术，重要是应用在航空航天、模具和汽车工业，加工铝合金和铸铁较多，采用刀具以进口为主。
国内当前国情是，在航空、汽车和模具等生产部门，已进口相称规模高速切削机床，并且进口高速切削机床数量还在进一步上升。
4 结束语
高速切削加工技术是一项全新、正在发展中先进实用技术，在理论和技术各方面尚有大量研究、开发工作要做。国内高速切削加工技术开发和应用还处在初步阶段，但国内已进口了大批高速加工设备，也开发了各种高速加工机床，只要咱们充分结识高速切削加工技术优越性，完全有也许把国内切削加工水平推动到一种新高度。
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