超高速微细加工技术素材.pptx

第一节第一节 超高速加工技术超高速加工技术 一、超高速加工的概念与内涵一、超高速加工的概念与内涵超高速加工是一个相对的概念，由于不超高速加工是一个相对的概念，由于不同的加工方式、不同工件材料有不同的高速同的加工方式、不同工件材料有不同的高速加工范围，因而很难就超高速加工的切削速加工范围，因而很难就超高速加工的切削速度给出一个确切的定义。度给出一个确切的定义。概括地说概括地说，超高速，超高速加工技术是指采用超硬材料的刀具与磨具，加工技术是指采用超硬材料的刀具与磨具，能可靠地实现高速运动，极大地提高材料切能可靠地实现高速运动，极大地提高材料切除率，除率，并保证加工精度和加工质量的现代并保证加工精度和加工质量的现代 制造加工技术，其切削速度通常比常规高制造加工技术，其切削速度通常比常规高1010倍左右。倍左右。德国切削物理学家萨洛蒙德国切削物理学家萨洛蒙(Carl Salomon)(Carl Salomon)博博士于士于19311931年提出的著名切削理论认为：一定年提出的著名切削理论认为：一定的工件材料对应有一个临界切削速度，在该的工件材料对应有一个临界切削速度，在该切削速度下其切削温度最高。图切削速度下其切削温度最高。图3-193-19所示为所示为“萨洛蒙曲线萨洛蒙曲线”。在常规切削速度范围内。在常规切削速度范围内(图图3-193-19中中A A区区)，切削温度随着切削速度的增大，切削温度随着切削速度的增大而提高。而提高。图图3-19 3-19 萨洛蒙曲线萨洛蒙曲线 在切削速度达到临界切削速度后，随着切削在切削速度达到临界切削速度后，随着切削速度的增大切削温度反而下降。速度的增大切削温度反而下降。SalomonSalomon的切的切削理论给人们一个重要的启示：如果切削速削理论给人们一个重要的启示：如果切削速度能超越切削度能超越切削“死谷死谷”(图图3-193-19中中B B区区)在超高在超高速区内速区内(图图3-193-19中中C C区区)进行切削，则有可能用进行切削，则有可能用现有的刀具进行高速切削，从而可大大减少现有的刀具进行高速切削，从而可大大减少切削工时，成倍地提高机床的生产率。切削工时，成倍地提高机床的生产率。表表6-3 不同加工工艺、加工材料超高速加工切削速度范围不同加工工艺、加工材料超高速加工切削速度范围 应应当当指指出出的的是是，超超高高速速加加工工的的切切削削速速度度不不仅仅是是一一个个技技术术指指标标，而而且且是是一一个个经经济济指指标标。也也就就是是说说，它它不不仅仅仅仅是是一一个个技技术术上上可可实实现现的的切切削削速速度度，而而且且必必须须是是一一个个可可由由此此获获得得较较大大经经济济效效益益的的高高切切削削速速度度。没没有有经经济济效效益益的的高高切切削削速速度度是是没没有有工工程程意意义义的的。目目前前定定位位的的经经济济效效益益指指标标是是：在在保保证证加加工工精精度度和和加加工工质质量量的的前前提提下下，将将通通常常切切削削速速度度加加工工的的加加工工时时间间减少减少9090，同时将加工费用减少同时将加工费用减少5050，以此来衡量高切削速度的合理性。以此来衡量高切削速度的合理性。二、超高速加工技术的现状及发展趋势二、超高速加工技术的现状及发展趋势自自2020世纪世纪3030年代德国萨洛蒙博士首次提出年代德国萨洛蒙博士首次提出高速切削概念以来，经过高速切削概念以来，经过5050年代的机理与可年代的机理与可行性研究，行性研究，7070年代的工艺技术研究，年代的工艺技术研究，8080年代年代全面系统的高速切削技术研究，到全面系统的高速切削技术研究，到2020世纪世纪9090年代后期，商品化高速切削机床大量涌现；年代后期，商品化高速切削机床大量涌现；2121世纪初，高速加工技术在工业发达国家得世纪初，高速加工技术在工业发达国家得到普遍应用，正成为切削加工的主流技术。到普遍应用，正成为切削加工的主流技术。工业发达国家对超高速加工的研究起步早，工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。在此项技术中，处于领先地位的国水平高。在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。家主要有德国、日本、美国、意大利等。在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件。超高速切削超高速加工的前提和先决条件。超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。工的关键设备。目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石人造金刚石及聚晶金刚石(PCD)(PCD)、立方氮化硼、立方氮化硼(CBN)(CBN)及聚晶立方氮化硼及聚晶立方氮化硼(PCBN)(PCBN)。切削速度亦。切削速度亦随着刀具材料的创新而从以前的随着刀具材料的创新而从以前的12m/min12m/min提高提高到到1200m/min1200m/min以上。以上。砂轮材料过去主要采用砂轮材料过去主要采用刚玉系、碳化硅系材料，美国刚玉系、碳化硅系材料，美国GEGE公司于公司于2020世世纪纪5050年代首先在金刚石人工合成方面取得成年代首先在金刚石人工合成方面取得成功，功，6060年代又首先研制成功年代又首先研制成功CBNCBN。2020世纪世纪9090年代陶瓷或树脂结合剂年代陶瓷或树脂结合剂CBNCBN砂轮、金砂轮、金刚石砂轮线速度可达刚石砂轮线速度可达125 m/s125 m/s，有的可达，有的可达150 150 m/sm/s，而单层电镀，而单层电镀CBNCBN砂轮可达砂轮可达250 m/s250 m/s。因此。因此有人认为，随着新刀具有人认为，随着新刀具(磨具磨具)材料的不断发材料的不断发展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速乃至超声速加工的出现不会太遥远了。乃至超声速加工的出现不会太遥远了。在超高速切削技术方面，近年来，高速、超在超高速切削技术方面，近年来，高速、超高速加工的实际应用和实验研究取得了显著高速加工的实际应用和实验研究取得了显著成果。成果。世界许多著名公司的加工中心，如美国的世界许多著名公司的加工中心，如美国的CincinnatiCincinnati和和IngersollIngersoll、日本牧野、意大利、日本牧野、意大利的的RambaudiRambaudi等公司，其标准主轴转速配置可等公司，其标准主轴转速配置可达达8000800010000 r/min10000 r/min，可选的，可选的20000 r/min20000 r/min以下的主轴单元已处于商品化阶段。采用滚以下的主轴单元已处于商品化阶段。采用滚珠丝杠的进给系统，快速进给速度可以达到珠丝杠的进给系统，快速进给速度可以达到404060m/min60m/min，加速度达到，加速度达到1g1g，工作进给可达，工作进给可达到到30m/min30m/min以上，定位精度达到以上，定位精度达到202025m25m。采采用用直直线线电电机机的的进进给给驱驱动动系系统统，快快速速进进给给可可以以达达到到160 160 m/minm/min，进进给给加加速速度度达达到到2.5g2.5g以以上上，定定位位精精度度高高达达0.050.050.5m0.5m甚甚至至更更高高。这这些些加加工工中中心心的的刀刀具具到到刀刀具具的的换换刀刀时时间间小小于于1 1 s s，切切削削到到切切削削的的换换刀刀时时间间小小于于2.4s2.4s，托托盘盘交交换换时时间间小小于于10s10s。日日本本日日立立精精机机的的HG400IIIHG400III型型加加工工中中心心主主轴轴最最高高转转速速达达360003600040000 40000 r/minr/min，工作台快速移动速度为，工作台快速移动速度为363640 m/min40 m/min。高速磨削在高速磨削在2020世纪世纪6060年代初，砂轮磨削速度年代初，砂轮磨削速度曾一度达到曾一度达到90m/s90m/s，但更多的还是在，但更多的还是在454560 60 m/sm/s之间。德国居林公司之间。德国居林公司19831983年制造出了当时年制造出了当时世界上第一台最具威力的高效深切快进给磨世界上第一台最具威力的高效深切快进给磨床，即床，即HEDGHEDG磨床，其主轴功率为磨床，其主轴功率为60kW60kW，砂轮，砂轮直径为直径为400mm400mm，砂轮转速为，砂轮转速为10000 r/min10000 r/min，vsvs达到达到100100180 m/s180 m/s。BremenBremen大大学学在在高高效效深深磨磨的的研研究究方方面面取取得得了了世世界界公公认认的的高高水水平平成成果果，并并积积极极在在铝铝合合金金、钛钛合合金金、铬铬镍镍合合金金等等难难加加工工材材料料方方面面进进行行高高效效深磨的研究。深磨的研究。近近年年来来，我我国国在在高高速速、超超高高速速加加工工的的各各关关键键领领域域(如如大大功功率率高高速速主主轴轴单单元元、高高加加减减速速直直线线进进给给电电机机、陶陶瓷瓷滚滚动动轴轴承承等等方方面面)也也进进行行了了较较多的研究并有相应的研究成果。多的研究并有相应的研究成果。50 m/s50 m/s高速磨削研究起始于高速磨削研究起始于19581958年，近年，近2020年年来其发展十分缓慢。实验室超高速磨削速度来其发展十分缓慢。实验室超高速磨削速度曾达到曾达到250 m/s250 m/s，但离产业化还有一段距离。，但离产业化还有一段距离。目前工业应用的磨削速度未能超过目前工业应用的磨削速度未能超过100 m/s100 m/s。显然，国内在超高速磨削技术方面与国外差显然，国内在超高速磨削技术方面与国外差距很大。距很大。三、超高速加工技术的优势三、超高速加工技术的优势1.1.超高速切削加工的优越性超高速切削加工的优越性(1)(1)加工效率高。加工效率高。(2)(2)切削力小。切削力小。(3)(3)热变形小。热变形小。(4)(4)加工精度高。加工精度高。(5)(5)工艺系统振动减小。工艺系统振动减小。(6)(6)减少后续加工工序。减少后续加工工序。(7)(7)良好的技术经济效益。良好的技术经济效益。2.2.超高速磨削加工的优越性超高速磨削加工的优越性(1)(1)可以大幅度提高磨削效率。可以大幅度提高磨削效率。(2)(2)磨削力小，零件加工精度高。磨削力小，零件加工精度高。(3)(3)可以获得低粗糙度表面。可以获得低粗糙度表面。(4)(4)可大幅度延长砂轮寿命，有助于实现磨可大幅度延长砂轮寿命，有助于实现磨削加工自动化。削加工自动化。(5)(5)可以改善加工表面的完整性。可以改善加工表面的完整性。四、四、超高速切削的相关技术超高速切削的相关技术 图图6-20 6-20 超高速切削的相关技术超高速切削的相关技术 1.1.超高速切削的刀具技术超高速切削的刀具技术1)1)超高速切削的刀具材料超高速切削的刀具材料 (1)(1)涂层刀具材料。涂层刀具材料。涂层刀具通过在刀具基体上涂覆金属化合物涂层刀具通过在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。常用的刀具基体材料主要有高的切削性能。常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷等；速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷等；涂层涂层既可以是单涂层、双涂层或多涂层，也可以既可以是单涂层、双涂层或多涂层，也可以是由几种涂层材料复合而成的复合涂层。是由几种涂层材料复合而成的复合涂层。硬硬涂涂层层刀刀具具的的涂涂层层材材料料主主要要有有氮氮化化钛钛(TiN)(TiN)、碳碳氮氮化化钛钛(TiCN)(TiCN)、氮氮化化铝铝钛钛(TiAlN)(TiAlN)、碳碳氮氮化化铝铝钛钛(TiAlCN)(TiAlCN)等等，其其中中TiAlNTiAlN在在超超高高速速切切削削中中性性能能优优异异，其其最最高高工工作作温温度度可可达达800800。软软涂涂层层刀刀具具(如如采采用用硫硫族族化化合合物物MoS2MoS2、WS2WS2作作为为涂涂层层材材料料的的高高速速钢钢刀刀具具)主主要要用用于于加加工工高高强强度度铝铝合金、钛合金或贵重金属材料。合金、钛合金或贵重金属材料。(2)(2)金属陶瓷刀具材料。金属陶瓷具有较高金属陶瓷刀具材料。金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性。金的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性。金属陶瓷材料主要包括高耐磨性属陶瓷材料主要包括高耐磨性TiCTiC基硬质合金基硬质合金(TiC(TiCNiNi或或Mo)Mo)、高韧性、高韧性TiCTiC基硬质合金基硬质合金(TiC(TiCTaCTaCWC)WC)、强韧、强韧TiNTiN基硬质合金基硬质合金(以以TiNTiN为主为主体体)、高强韧性、高强韧性TiCNTiCN基硬质合金基硬质合金(TiCN(TiCNNbC)NbC)等。金属陶瓷刀具可在等。金属陶瓷刀具可在300300500 m/min500 m/min的切的切削速度范围内高速精车钢和铸铁。削速度范围内高速精车钢和铸铁。(3)(3)陶瓷刀具材料。陶瓷刀具材料主要有氧化陶瓷刀具材料。陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类，是通过在氧化铝和氮铝基和氮化硅基两大类，是通过在氧化铝和氮化硅基体中分别加入碳化物、氨化物、硼化物、化硅基体中分别加入碳化物、氨化物、硼化物、氧化物等得到的，此外还有多相陶瓷材料。目氧化物等得到的，此外还有多相陶瓷材料。目前国外开发的氧化铝基陶瓷刀具约有前国外开发的氧化铝基陶瓷刀具约有2020余个品余个品种，约占陶瓷刀具总量的种，约占陶瓷刀具总量的2/32/3；氮化硅基陶瓷；氮化硅基陶瓷刀具约有刀具约有1010余个品种，约占陶瓷刀具总量的余个品种，约占陶瓷刀具总量的1/31/3。陶瓷刀具可在。陶瓷刀具可在2002001000 m/min1000 m/min的切削的切削 速度范围内高速切削软钢速度范围内高速切削软钢(如如A3A3钢钢)、淬硬钢、淬硬钢、铸铁等。铸铁等。(4)PCD(4)PCD刀具材料。刀具材料。PCDPCD是在高温高压条件下通是在高温高压条件下通过金属结合剂将金刚石微粉聚合而成的多晶过金属结合剂将金刚石微粉聚合而成的多晶材料。虽然它的硬度低于单晶金刚石，但有材料。虽然它的硬度低于单晶金刚石，但有较高的抗弯强度和韧性。较高的抗弯强度和韧性。PCDPCD材料还具有高导材料还具有高导热性和低摩擦系数。另外，其价格只有天然热性和低摩擦系数。另外，其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一，因此得金刚石的几十分之一至十几分之一，因此得以广泛应用。以广泛应用。PCDPCD刀具主要用于加工耐磨有色金属和非金属，刀具主要用于加工耐磨有色金属和非金属，与硬质合金刀具相比能在切削过程中保持锋与硬质合金刀具相比能在切削过程中保持锋利刃口和切削效率，使用寿命一般高于硬质利刃口和切削效率，使用寿命一般高于硬质合金刀具合金刀具1010500500倍。倍。(5)CBN(5)CBN刀具材料。立方氮化硼的硬度仅次于刀具材料。立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，它的突出优点是热稳定性金刚石，它的突出优点是热稳定性(140)(140)好，好，化学惰性大，在化学惰性大，在1200120013001300下也不发生化下也不发生化学反应。学反应。CBNCBN刀具具有极高的硬度及红硬性，可承受高刀具具有极高的硬度及红硬性，可承受高切削速度，适用于超高速加工钢铁类工件，切削速度，适用于超高速加工钢铁类工件，是超高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸是超高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等的理想刀具材料。铁、高温合金等的理想刀具材料。PCBNPCBN的制造方法与的制造方法与PCDPCD相同。相同。PCBNPCBN主要用于主要用于加工黑色金属等难加工材料，特别适于切削加工黑色金属等难加工材料，特别适于切削HRC45HRC456565的淬硬钢、耐热合金、高速钢的淬硬钢、耐热合金、高速钢(HSS)(HSS)、灰铸铁等。、灰铸铁等。PCBNPCBN、PCDPCD是超高速切削中工作寿命最长的刀是超高速切削中工作寿命最长的刀具，但具，但PCBNPCBN、PCDPCD对振动比较敏感，在应用中对振动比较敏感，在应用中机床结构和工件夹持状况对刀具寿命有很大机床结构和工件夹持状况对刀具寿命有很大影响。影响。2)2)超高速切削刀具的结构超高速切削刀具的结构超高速切削刀具的结构主要从加工精度、超高速切削刀具的结构主要从加工精度、安全性、高效方面考虑，如超高速刀具的几安全性、高效方面考虑，如超高速刀具的几何结构和刀具的装夹结构。何结构和刀具的装夹结构。为为了了使使刀刀具具具具有有足足够够的的使使用用寿寿命命和和低低的的切切削削力力，刀刀具具的的几几何何角角度度必必须须选选择择最最佳佳数数值值。如如超超高高速速切切削削铝铝合合金金时时，刀刀具具最最佳佳前前角角数数值值为为12121515，后后角角数数值值为为13131515；超超高高速速切切削削钢钢材材时时，对对应应的的是是0055和和12121616，铸铸铁铁对对应应的的是是00和和1212，铜铜合合金金是是88和和1616；超超高高速速切切削削纤纤维维强强化化复复合合材材料料时时，最佳前角数值为最佳前角数值为2020，后角为，后角为15152020。用用于于超超高高速速切切削削(n(n6000 6000 r/min)r/min)的的可可转转位位面面铣铣刀刀由由于于刀刀体体和和可可转转位位刀刀片片均均受受很很大大的的离离心心力力作作用用，通通常常不不允允许许采采用用摩摩擦擦力力夹夹紧紧方方式式，而而必必须须采采用用带带中中心心孔孔的的刀刀片片，用用螺螺钉钉夹夹紧紧，并并控控制制螺螺钉钉在在静静止止状状态态下下夹夹紧紧刀刀片片时时所所受受预预应应力力的的大大小小。刀刀片片、刀刀座座夹夹紧紧力力方方向向最最好好与与离心力方向一致。离心力方向一致。刀体的设计应减轻质量，减小直径，增加高刀体的设计应减轻质量，减小直径，增加高度，选用比重轻、强度高的材料。铣刀结构度，选用比重轻、强度高的材料。铣刀结构应尽量避免采用贯通式刀槽，减少尖角，防应尽量避免采用贯通式刀槽，减少尖角，防止应力集中；还应减少机夹零件的数量；刀止应力集中；还应减少机夹零件的数量；刀体结构应对称于回转轴，使其重心通过铣刀体结构应对称于回转轴，使其重心通过铣刀轴线。超高速回转刀具还应提出动平衡要求。轴线。超高速回转刀具还应提出动平衡要求。高速切削不仅要求刀具本身具有良好的刚性、高速切削不仅要求刀具本身具有良好的刚性、韧性、动平衡性和可操作性，同时对刀具与韧性、动平衡性和可操作性，同时对刀具与机床主轴间的连接刚性、精度和可靠性都提机床主轴间的连接刚性、精度和可靠性都提出了严格的要求。当主轴转速超过出了严格的要求。当主轴转速超过15 000 15 000 r/minr/min时，由于离心力的作用将使主轴锥孔扩时，由于离心力的作用将使主轴锥孔扩张，刀柄与主轴的连接刚度会明显降低，径张，刀柄与主轴的连接刚度会明显降低，径向跳动精度会急剧下降，甚至出现颤振。向跳动精度会急剧下降，甚至出现颤振。为为了了满满足足高高速速旋旋转转时时不不降降低低刀刀柄柄的的接接触触精精度度，一一种种新新型型的的双双定定位位刀刀柄柄已已在在高高速速切切削削机机床床上上得得到到应应用用。这这种种刀刀柄柄的的锥锥部部和和端端面面同同时时与与主主轴轴保保持持面面接接触触，定定位位精精度度明明显显提提高高，轴轴向向定定位位重重复复精精度度可可达达0.001 0.001 mmmm。这这种种刀刀柄柄结结构构在在高高速速转转动动的的离离心心力力作作用用下下会会更更牢牢固固地地锁锁紧紧，在在整整个个转转速速范范围围内内保保持持较较高高的的静静态态和和动动态态刚刚性性。图图3-213-21所所示示的的德德国国HSKHSK刀刀柄柄就就采采用用这这种种结结构。构。图3-21 HSK刀柄结构(a)刀柄结构原理；(b)刀柄结构型式 HSKHSK刀柄结构采用刀柄结构采用110110锥度，刀柄为中空短锥度，刀柄为中空短柄，如图柄，如图3-213-21所示。其工作原理是靠锁紧力所示。其工作原理是靠锁紧力及主轴内孔的弹性膨胀补偿端面间隙。由于及主轴内孔的弹性膨胀补偿端面间隙。由于中空刀柄自身有较大的弹性变形，因此对刀中空刀柄自身有较大的弹性变形，因此对刀柄的制造精度要求可低一些。但中空刀柄结柄的制造精度要求可低一些。但中空刀柄结构也使其刚度和强度受到一定影响。构也使其刚度和强度受到一定影响。HSKHSK整体整体式刀柄采用平衡式设计，刀柄结构有式刀柄采用平衡式设计，刀柄结构有A A型、型、B B型、型、C C型、型、D D型、型、E E型、型、F F型等六种型式，如图型等六种型式，如图3-21(b)3-21(b)所示。所示。2.2.超高速切削机床超高速切削机床1)1)超高速切削的主轴系统超高速切削的主轴系统超高速主轴单元是超高速加工机床最关键超高速主轴单元是超高速加工机床最关键的基础部件。高速主轴单元的设计是实现高的基础部件。高速主轴单元的设计是实现高速加工最关键的技术之一。超高速主轴单元速加工最关键的技术之一。超高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架四个主包括主轴动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分。高速主轴单元在结构上分为两类，要部分。高速主轴单元在结构上分为两类，即分离式高速主轴与内装式电主轴。即分离式高速主轴与内装式电主轴。分离式高速主轴采用皮带传动，其核心技术分离式高速主轴采用皮带传动，其核心技术是主轴单元结构设计，主轴轴承的合理选择、是主轴单元结构设计，主轴轴承的合理选择、装配及调整，主轴单元冷却系统的设计及主装配及调整，主轴单元冷却系统的设计及主轴单元的试制等。轴单元的试制等。内装式电主轴采用电机直接驱动方式，主轴内装式电主轴采用电机直接驱动方式，主轴电机与机床主轴合二为一，将其空心转子直电机与机床主轴合二为一，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内。安装在主轴单元的壳体内。这样，电机的转子就是机床的主轴，机床主这样，电机的转子就是机床的主轴，机床主轴单元的壳体就是电机座，从而实现了变频轴单元的壳体就是电机座，从而实现了变频电机与机床主轴的一体化。由于它取消了从电机与机床主轴的一体化。由于它取消了从主电机到机床主轴之间的一切中间传动环节，主电机到机床主轴之间的一切中间传动环节，因而把主传动链的长度缩短为零。我们称这因而把主传动链的长度缩短为零。我们称这种新型的驱动与传动方式为种新型的驱动与传动方式为“零传动零传动”。超。超高速电主轴如图高速电主轴如图3-223-22所示。所示。图6-22 超高速电主轴 集成式电机主轴振动小，由于直接传动，因集成式电机主轴振动小，由于直接传动，因而减少了高精密齿轮等关键零件，消除了齿而减少了高精密齿轮等关键零件，消除了齿轮的传动误差。同时，集成式主轴也简化了轮的传动误差。同时，集成式主轴也简化了机床设计中一些关键性的工作，如简化了机机床设计中一些关键性的工作，如简化了机床外型设计，容易实现高速加工中快速换刀床外型设计，容易实现高速加工中快速换刀时的主轴定位等。时的主轴定位等。这种电主轴和以前用于内圆磨床的内装式这种电主轴和以前用于内圆磨床的内装式电机主轴有很大的区别，主要表现在：电机主轴有很大的区别，主要表现在：(1)(1)有很大的驱动功率和扭矩；有很大的驱动功率和扭矩；(2)(2)有较宽的调速范围；有较宽的调速范围；(3)(3)有一系列监控主轴振动、轴承和电机温有一系列监控主轴振动、轴承和电机温升等运行参数的传感器、测试控制和报警系升等运行参数的传感器、测试控制和报警系统，以确保主轴超高速运转的可靠性与安全统，以确保主轴超高速运转的可靠性与安全性。性。国外超高速主轴单元的发展较快，中等国外超高速主轴单元的发展较快，中等规格的加工中心的主轴转速已普遍达到规格的加工中心的主轴转速已普遍达到10 10 000 r/min000 r/min，甚至更高。，甚至更高。美美国国福福特特汽汽车车公公司司推推出出的的HVM800HVM800卧卧式式加加工工中中心心主主轴轴单单元元采采用用液液体体动动静静压压，轴轴承承最最高高转转速速为为15 15 000 000 r/minr/min。瑞瑞士士米米克克朗朗公公司司作作为为铣铣削削行行业业的的先先锋锋企企业业，一一直直致致力力于于超超高高速速加加工工机机床床的的研研制制开开发发，先先后后推推出出了了主主轴轴转转速速42 42 000 000 r/minr/min和和60 60 000 000 r/minr/min的的超超高高速速铣铣削削加加工工中中心心。我我国国北北京京第第一一机机床床厂厂的的VRA400VRA400立立式式加加工工中中心心，其其主主轴轴转转速速也也达达到到了了20 20 000 000 r/minr/min，快快速速移移动速度动速度X X、Y Y轴为轴为48 m/min48 m/min，Z Z轴为轴为24 m/min24 m/min。2)2)超高速轴承技术超高速轴承技术轴承是超高速主轴系统的核心零部件。超轴承是超高速主轴系统的核心零部件。超高速主轴采用的轴承有滚动轴承、气浮轴承、高速主轴采用的轴承有滚动轴承、气浮轴承、液体静压轴承和磁悬浮轴承几种形式。液体静压轴承和磁悬浮轴承几种形式。因滚动轴承有很多优点，故多数超高速铣因滚动轴承有很多优点，故多数超高速铣床主轴上采用的是滚动轴承，轴承滚珠由氮床主轴上采用的是滚动轴承，轴承滚珠由氮化硅陶瓷制成。化硅陶瓷制成。陶瓷球轴承具有重量轻、热膨胀系数小、硬陶瓷球轴承具有重量轻、热膨胀系数小、硬度高、耐高温、超高温时尺寸稳定、耐腐蚀、度高、耐高温、超高温时尺寸稳定、耐腐蚀、弹性模量比钢高、非磁性等优点；缺点是制弹性模量比钢高、非磁性等优点；缺点是制造难度大，成本高，对拉伸应力和缺口应力造难度大，成本高，对拉伸应力和缺口应力较敏感。较敏感。气浮轴承主轴的优点在于具有高回气浮轴承主轴的优点在于具有高回转精度、高转速和低温升，其缺点是承载能转精度、高转速和低温升，其缺点是承载能力较低，因而主要适用于工件形状精度较高、力较低，因而主要适用于工件形状精度较高、所需承载能力不大的场合。所需承载能力不大的场合。液体静压轴承主轴的最大特点是运动精度高，液体静压轴承主轴的最大特点是运动精度高，回转误差一般在回转误差一般在0.2 m0.2 m以下；动态刚度大，以下；动态刚度大，特别适合于像铣削这样的断续切削过程。但特别适合于像铣削这样的断续切削过程。但液体静压轴承的最大不足是高压液压油会引液体静压轴承的最大不足是高压液压油会引起油温升高，造成热变形，影响主轴精度。起油温升高，造成热变形，影响主轴精度。磁悬浮轴承采用电磁力将主轴无机械接触地磁悬浮轴承采用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来，其间隙一般在悬浮起来，其间隙一般在0.1 mm0.1 mm左右。左右。由由于于空空气气间间隙隙的的摩摩擦擦热热量量小小，因因此此磁磁悬悬浮浮轴轴承承可可达达到到更更高高的的转转速速，其其转转速速特特征征值值可可达达4.0106 4.0106 mmmmr/minr/min以以上上，为为滚滚动动轴轴承承主主轴轴的的两两倍倍。高高精精度度、高高转转速速和和高高刚刚度度是是磁磁悬悬浮浮轴轴承承的的优优点点；但但由由于于机机械械结结构构复复杂杂，需需要要一一整整套套传传感感器器系系统统和和控控制制电电路路，因因而而其其造造价价也也是滚动轴承主轴的两倍。是滚动轴承主轴的两倍。3)3)超高速切削机床的进给系统超高速切削机床的进给系统超高速切削进给系统是评价超高速机床性超高速切削进给系统是评价超高速机床性能的重要指标之一，不仅对提高生产率有重能的重要指标之一，不仅对提高生产率有重要意义，而且也是维持超高速切削中刀具正要意义，而且也是维持超高速切削中刀具正常工作的必要条件。超高速切削在提高主轴常工作的必要条件。超高速切削在提高主轴速度的同时必须提高进给速度，并且要求进速度的同时必须提高进给速度，并且要求进给运动能在瞬时达到高速和瞬时准停等。给运动能在瞬时达到高速和瞬时准停等。传统机床采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给传统机床采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案，由于其工作台的惯性以及受螺母丝杆方案，由于其工作台的惯性以及受螺母丝杆本身结构的限制，因而进给速度和加速度一本身结构的限制，因而进给速度和加速度一般比较小。目前进给系统采用滚珠丝杠结构般比较小。目前进给系统采用滚珠丝杠结构的加工中心最高的快速进给速度是的加工中心最高的快速进给速度是60 m/min60 m/min，工作进给速度是，工作进给速度是40 m/min40 m/min。直线电机驱动系统如图直线电机驱动系统如图3-233-23所示。所示。直线电机直接驱动时，把电机平铺下来，电直线电机直接驱动时，把电机平铺下来，电机的动子部分直接与机床工作台相连，从而机的动子部分直接与机床工作台相连，从而消除了一切中间传动环节，实现了直接驱动。消除了一切中间传动环节，实现了直接驱动。直线驱动最高加速度可提高到直线驱动最高加速度可提高到1g1g以上，加速以上，加速度的提高可大大提高盲孔加工、任意曲线曲度的提高可大大提高盲孔加工、任意曲线曲面加工的生产率。面加工的生产率。图3-23 直线电机驱动系统(a)原理图；(b)外形图 直线电机直接驱动的优点是：直线电机直接驱动的优点是：(1)(1)控制特性好，增益大，滞动小，在高控制特性好，增益大，滞动小，在高速运动中保持较高的位移精度；速运动中保持较高的位移精度；(2)(2)高运动速度，因为是直接驱动，最大高运动速度，因为是直接驱动，最大进给速度可高达进给速度可高达100100180 m/min180 m/min；(3)(3)高加速度，由于结构简单、质量轻，高加速度，由于结构简单、质量轻，可实现的最大加速度高达可实现的最大加速度高达2 210 g10 g；(4)(4)无限运动长度；无限运动长度；(5)(5)定位精度和跟踪精度高，以光栅尺为定定位精度和跟踪精度高，以光栅尺为定位测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作位测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作台的定位精度高达台的定位精度高达0.10.10.01m0.01m；(6)(6)起动推力大起动推力大(可达可达12 000 N)12 000 N)；(7)(7)由于无传动环节，因而无摩擦、无往返由于无传动环节，因而无摩擦、无往返程空隙，且运动平稳；程空隙，且运动平稳；(8)(8)有较大的静、动态刚度。有较大的静、动态刚度。直线电机直接驱动的缺点是：直线电机直接驱动的缺点是：(1)(1)由于电磁铁热效应对机床结构有较大的由于电磁铁热效应对机床结构有较大的热影响，故需附设冷却系统；热影响，故需附设冷却系统；(2)(2)存在电磁场干扰，需设置挡切屑防护；存在电磁场干扰，需设置挡切屑防护；(3)(3)有较大功率损失；有较大功率损失；(4)(4)缺少力转换环节，需增加工作台制动锁缺少力转换环节，需增加工作台制动锁紧机构；紧机构；(5)(5)由于磁吸力作用，造成装配困难；由于磁吸力作用，造成装配困难；(6)(6)系统价格较高。系统价格较高。4)4)超高速切削机床结构的变化超高速切削机床结构的变化随着高速加工的不断发展，机床设计思想有随着高速加工的不断发展，机床设计思想有了重大突破，新型的并联虚拟轴机床诞生。高了重大突破，新型的并联虚拟轴机床诞生。高速切削的基本要求是刀具与工件间相对运动的速切削的基本要求是刀具与工件间相对运动的速度要快，即高切削速度、高进给速度、高加速度要快，即高切削速度、高进给速度、高加速度。高速度必然导致运动部件轻型化。由于速度。高速度必然导致运动部件轻型化。由于主轴和刀具与工件相比，一般重量小而且基本主轴和刀具与工件相比，一般重量小而且基本确定，因而机床设计在构思上趋于让工件处于确定，因而机床设计在构思上趋于让工件处于静止而让主轴和刀具运动。静止而让主轴和刀具运动。新型并联虚拟轴机床六杆并联机床结构原理新型并联虚拟轴机床六杆并联机床结构原理如图如图6-246-24所示。所示。美国美国IngersollIngersoll公司研制的公司研制的六杆并联机床如图六杆并联机床如图3-253-25所示。所示。图图3-24 3-24 六杆并联机床结构原理六杆并联机床结构原理 这种机床的优点是：这种机床的优点是：(1)(1)结构简单、刚性好，采用框架结构和伸结构简单、刚性好，采用框架结构和伸缩杆的球头万向节联结，各杆只受拉力或压缩杆的球头万向节联结，各杆只受拉力或压力；力；(2)(2)运动和定位精度高，机床无导轨，主轴运动和定位精度高，机床无导轨，主轴头的运动、定位精度不受其他部件影响；头的运动、定位精度不受其他部件影响；(3)(3)运动质量小，可以高速度运动；运动质量小，可以高速度运动；(4)(4)对构架的制造、装配无特别精度要求。对构架的制造、装配无特别精度要求。它的主要缺点是：它的主要缺点是：(1)(1)测量控制的计算量大，即便是简单的直测量控制的计算量大，即便是简单的直线运动或绕某一轴线转动也须六轴联动；线运动或绕某一轴线转动也须六轴联动；(2)(2)与同样结构尺寸的机床相比其工作空间与同样结构尺寸的机床相比其工作空间较小；较小；(3)(3)目前价格很高。目前价格很高。五、五、超高速磨削的相关技术超高速磨削的相关技术1.1.超高速磨削砂轮超高速磨削砂轮1)1)超高速磨削砂轮的材料超高速磨削砂轮的材料超高速磨削用砂轮应具有强度高、抗冲击强度超高速磨削用砂轮应具有强度高、抗冲击强度高、耐热性好、微破碎性好、杂质含量低等高、耐热性好、微破碎性好、杂质含量低等优点。超高速磨削砂轮可以使用优点。超高速磨削砂轮可以使用AlAl2 2O O3 3、SiCSiC、CBNCBN和金刚石磨料。从超高速磨削的发展趋势和金刚石磨料。从超高速磨削的发展趋势看，看，CBNCBN和金刚石砂轮在超高速磨削中所占的和金刚石砂轮在超高速磨削中所占的比重越来越大。比重越来越大。超超高高速速磨磨削削砂砂轮轮的的结结合合剂剂可可以以是是树树脂脂、陶陶瓷瓷和和金金属属结结合合剂剂。2020世世纪纪9090年年代代，采采用用陶陶瓷瓷或或树树脂脂结结合合剂剂、AlAl2 2O O3 3、SiCSiC或或CBNCBN磨磨料料的的砂砂轮轮其其线线速速度度可可达达125 125 m/sm/s，极极硬硬的的CBNCBN或或金金刚刚石石砂砂轮轮的的使使用用速速度度可可达达150 150 m/sm/s，而而单单层层电电镀镀CBNCBN砂轮的线速度可达砂轮的线速度可达250 m/s250 m/s左右，甚至更高。左右，甚至更高。2)2)超高速砂轮的修整超高速砂轮的修整超高速单层电镀砂轮一般不需修整。超高速单层电镀砂轮一般不需修整。特殊特殊情况下利用粗磨粒、低浓度电镀杯形金刚石情况下利用粗磨粒、低浓度电镀杯形金刚石修整器对个别高点进行微米级修整。试验表修整器对个别高点进行微米级修整。试验表明，当修整轮进给量在明，当修整轮进给量在 3 35 m5 m时不仅保证时不仅保证了工件质量，而且可以延长砂轮寿命。了工件质量，而且可以延长砂轮寿命。超高速金属结合剂砂轮一般采用电解修锐。超高速金属结合剂砂轮一般采用电解修锐。超高速陶瓷结合剂砂轮的修整精度对加工质超高速陶瓷结合剂砂轮的修整精度对加工质量有重要影响。日本丰田工机在量有重要影响。日本丰田工机在GZ50GZ50超高速超高速外圆磨床的主轴后部装有全自动修整装置，外圆磨床的主轴后部装有全自动修整装置，金刚石滚轮以金刚石滚轮以25000 r/min25000 r/min的速度回转，的速度回转，采用声发射传感器对采用声发射传感器对CBNCBN砂轮表面接触进行检砂轮表面接触进行检测，以测，以0.lm0.lm的进给精