高速切削理論及相關(guān)技術(shù)

高速切削理論及其相關(guān)技術(shù)

定義及特點(diǎn)

條件和機(jī)理

現(xiàn)狀和趨勢高速切削概念是誰提出的？高速切削有哪些特點(diǎn)？高速切削應(yīng)用在那些方面？高速切削對加工裝備的要求有哪些？機(jī)床和刀具是什么樣的？機(jī)理？重要試驗(yàn)？發(fā)展趨勢？一、高速切削技術(shù)的定義二、高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用三、高速切削的裝備條件及關(guān)鍵技術(shù)四、高速切削機(jī)理五、高速切削技術(shù)的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢概要20世紀(jì)20年代末，德國的切削物理學(xué)家薩洛蒙（CarlSalomon）博士進(jìn)行了超高速模擬實(shí)驗(yàn)，并于1931年4月首次提出高速加工（HighSpeedMachining）概念并獲得專利，簡稱HSM。在切削速度達(dá)到一個臨界值之后的一個范圍內(nèi)，切削速度增加，則切削溫度下降。結(jié)論Yeah！IGETIT！要多少才算？

按工件材料劃分：

鋁合金：1500~5500m/min鑄鐵：750~2500m/min普通鋼：600~1200m/min

銅材：1000m/min

塑料：1150m/min

按加工工藝劃分：

車削：700~7000m/min銑削：300~6000m/min鉆削：200~1100m/min磨削:5000~10000m/min

銅材：1000m/min

塑料：1150m/min進(jìn)給速度：20~40m/min由于刀具、工件材料和加工工藝的多樣性，對高速切削不可能用一個確定的速度指標(biāo)來定義。ISO1940規(guī)定主軸轉(zhuǎn)速大于8000r/min的加工形式為高速切削?，F(xiàn)階段一般把主軸轉(zhuǎn)速在10000r/min以上的加工形式視為高速切削。

事實(shí)上，HSM不是簡單意義上的高切削速度。它應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是用特定方法和生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行加工的工藝。一、高速切削技術(shù)的定義二、高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用三、高速切削的裝備條件及關(guān)鍵技術(shù)四、高速切削機(jī)理五、高速切削技術(shù)的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢概要到哪？高效率高質(zhì)量低能耗高精度效率高！高速切削條件下，雖然切削深度和厚度小，但由于主軸轉(zhuǎn)速高，進(jìn)給速度快，單位將時間內(nèi)的金屬切除量反而增加了。因此，加工效率也相應(yīng)提高了。以瑞士MIKRON公司生產(chǎn)HSM-700高速銑床為例，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)42000r/min，是普通銑削轉(zhuǎn)速的幾十倍，加工效率自然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通銑削加工。精度高！

對于同樣的切削層參數(shù)，高速切削的單位切削力明顯減小。這對減小振動和偏差非常重要，也使工件在切削過程的受力變形顯著減小。質(zhì)量高！

一方面，高速切削的力值及其變化幅度小，與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)的激振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于切削工藝系統(tǒng)的高階固有頻率。

另一方面，也是的傳入工件的切削熱的比例大幅度減少，加工表面受熱時間短、切削溫度低，因此熱影響區(qū)和熱影響程度都較小。加工表面質(zhì)量顯著提高。低能耗！

高速切削時，單位功率所切削的切削曾材料體積顯著增大。由于采用較小的背吃刀量，刀具每刃的切削量很小，因而機(jī)床的主軸、導(dǎo)軌的受力就小，機(jī)床的精度壽命長，同時刀具壽命也延長了。

高速加工機(jī)床振動小、噪聲低、少用或不用切削液，也符合環(huán)保要求。速切削用在……？一、高速切削技術(shù)的定義二、高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用三、高速切削的裝備條件及關(guān)鍵技術(shù)四、高速切削機(jī)理五、高速切削技術(shù)的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢概要速切削的裝備條件？機(jī)床？裝備刀具？

主軸？

軸承？

進(jìn)給系統(tǒng)？

驅(qū)動系統(tǒng)？

實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)？

材料？

型號？

參數(shù)？

磨損？

對高速切削主軸系統(tǒng)的要求：噪音小啟停性能良好足夠的剛性和回轉(zhuǎn)精度先進(jìn)的潤滑冷卻系統(tǒng)可靠的主軸檢測系統(tǒng)大功率結(jié)構(gòu)緊湊總質(zhì)量小熱穩(wěn)定性良好主軸系統(tǒng)

為了提高機(jī)床的主軸靜態(tài)和動態(tài)精度，必須減少各主軸部件的制造誤差及裝備誤差，更重要的是，應(yīng)盡可能減少主軸系統(tǒng)中的誤差源，盡可能縮短主軸傳動鏈的長度。借助電氣傳動技術(shù)，主軸電動機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式——“電主軸”應(yīng)運(yùn)而生。由于主要采用交流高頻電動機(jī)，故又稱“高頻主軸”。電主軸工作原理：

電動機(jī)定子通過冷卻套固裝在電主軸殼體中，其轉(zhuǎn)子就是機(jī)床的主軸，電主軸箱體就是電動機(jī)座。

主軸轉(zhuǎn)速通過電動機(jī)的變頻調(diào)速與矢量控制裝置來改變。在主軸的后部安裝有出盤和測速、測角傳感器，主軸前端外伸部分的內(nèi)錐孔和端面用于安裝和固定加工中心可換刀柄。一些常見的電主軸：

在國外，電主軸已成為一種機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)品。國際上著名的電主軸生產(chǎn)廠家有：瑞士的FISCHER公司、IBAG公司和STEP-UP公司，德國的GMN公司和FAG公司，美國的PRECISE公司，意大利的GAMFIOR公司和FORMAT公司，日本的NSK公司和KOYO公司以及瑞典的SKF公司。

高速主軸電動機(jī)的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖：陶瓷軸承磁懸浮軸承高速主軸常用軸承：

陶瓷球軸承具有耐溫高、轉(zhuǎn)速高、壽命長、絕緣的特點(diǎn),且其本身具有自潤滑性，常用的陶瓷球材料有氧化鋯（ZRO2）和氮化硅（SI3N4）；常用的套圈材料有軸承鋼（GCR15）和不銹鐵（440、440C）及不銹鋼。

磁懸浮軸承（MagneticBearing）是利用磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空中,使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機(jī)械接觸。磁感應(yīng)線與磁浮線成垂直，軸芯與磁浮線是平行的，所以轉(zhuǎn)子的重量就固定在運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道上，利用幾乎是無負(fù)載的軸芯往反磁浮線方向頂撐，形成整個轉(zhuǎn)子懸空。機(jī)械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染。

電主軸的電動機(jī)均采用交流異步感應(yīng)電動機(jī)，有兩種驅(qū)動和控制方式：

（1）普通變頻器標(biāo)量驅(qū)動控制以IBAG公司的HFK90S型電主軸用的普通變頻器為例說明。這類驅(qū)動控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，輸出功率和轉(zhuǎn)速成正比。

優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：起速時輸出功率不穩(wěn)定，不能滿足低速大轉(zhuǎn)矩要求，也不具備主軸的準(zhǔn)停和C軸控制功能。應(yīng)用：高速工作范圍電主軸，如磨削、銷孔鉆削等。

（2）矢量控制驅(qū)動器驅(qū)動控制以IBAG公司的HFK250電主軸的矢量控制驅(qū)動器為例說明。其特性為低速端恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動以及中、高速端的恒功率驅(qū)動。

這種驅(qū)動方式又有開環(huán)和閉環(huán)控制兩種。在閉環(huán)工作方式下可通過主軸上的位置傳感器來實(shí)現(xiàn)位置和速度反饋，并實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停和C軸控制功能。對高速機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的要求：高速度（60~120m/min）1

高加速度（普通機(jī)床1~2g，最高可達(dá)2~10g）2高靜態(tài)、動態(tài)精度3高安全性4低成本5

目前，高速機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)主要有：高速滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)和直線電動機(jī)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)。傳統(tǒng)的滾珠絲杠副在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用比較廣泛，但其在高速場合下具有下列缺點(diǎn)：●系統(tǒng)剛度低，動態(tài)特性差?！窀咚傧聼嶙冃螄?yán)重?！裨肼暣螅瑝勖?，不易檢驗(yàn)維修。

下面介紹一下滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)。

滾珠絲杠是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成執(zhí)行件的直線運(yùn)動的運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，由螺母、絲杠、滾珠、回珠器、密封環(huán)等組成。滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小，傳動效率高。

滾珠絲杠主要承受軸向載荷，因此對絲杠軸承的軸向精度和剛度要求較高，長采用角接觸球軸承或雙向推力圓柱滾子軸承與滾針軸承的組合軸承方式。針對滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)的優(yōu)化措施：●提高系統(tǒng)剛度。絲杠采用中空結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行預(yù)拉伸處理；底稿絲杠的支撐剛度；優(yōu)化滾珠滾道接觸狀態(tài)；提高系統(tǒng)的接觸剛度。●增大絲杠螺母的導(dǎo)程和螺紋頭數(shù)，提高運(yùn)動精度?！駨?qiáng)制冷卻，減小熱變形?？蓪⒀h(huán)冷卻液通入其內(nèi)部?！癫捎眯滦吐菽附Y(jié)構(gòu)。例如減小滾珠直徑，鋼珠中空。●采用新材料制造滾珠。例如陶瓷?！駥β菽割A(yù)緊力進(jìn)行控制。可以使用壓電陶瓷。●采用螺母旋轉(zhuǎn)絲杠不動的運(yùn)動方案。●采用雙電動機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)。使其分別驅(qū)動絲杠和螺母。滾珠絲杠副傳動則仍然存在以下問題：▲高速滾珠絲杠螺母副制造困難，成本較高。▲速度和加速度的提高有較大限制?！M(jìn)給行程有限（4~2m）?！]環(huán)時系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

與傳統(tǒng)的滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)相比，直線電動機(jī)高速進(jìn)給系統(tǒng)有諸多優(yōu)點(diǎn)。

直線伺服電動機(jī)是一種能直接將電能轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動機(jī)械能的電力驅(qū)動裝置，是適應(yīng)超高速加工技術(shù)發(fā)展的需要而出現(xiàn)的一種新型電動機(jī)。它代替了傳統(tǒng)的由回轉(zhuǎn)型伺服電動機(jī)加滾珠絲杠的伺服進(jìn)給系統(tǒng)其最大的特點(diǎn)是從電動機(jī)到工作臺之間的一切中間傳動都沒有了，可直接驅(qū)動工作臺進(jìn)行直線運(yùn)動，使工作臺的加/減速提高到傳統(tǒng)機(jī)床的10~20倍，速度提高3~4倍。直線電動伺服電動機(jī)工作原理：定子初級轉(zhuǎn)子次級旋轉(zhuǎn)磁場平磁場

直線伺服電動機(jī)分為短初級和短次級兩種形式。

直線伺服電動機(jī)也分為同步式與感應(yīng)式兩種。通電繞組初級永磁鐵次級

同步式

感應(yīng)式與同步式最大的區(qū)別是在定件上用不同點(diǎn)的繞組取代同步式的永磁鐵，且每個繞組中的每一匝都是短路的。通電后在定件和動件之間的間隙中產(chǎn)生一個大的行波磁場，依靠磁力推動工作臺做直線運(yùn)動。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)簡便，可靠性高，體積小，傳動剛度高，響應(yīng)快，可得到瞬時高的加速度。