摘要：介紹了趣高逮加工機(jī)床及刀具新進(jìn)展。對超高速機(jī)床的幾個主要關(guān)鍵技術(shù)高速主軸單元、高速主軸軸承、直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)、高速機(jī)床控制系統(tǒng)以及高速加工刀具進(jìn)行了討論。并就我國發(fā)展超高速機(jī)床和刀具技術(shù)進(jìn)行了討論。 關(guān)鍵詞：高速機(jī)床高速主軸直線電機(jī)高速刀具 超高速加工是指高于常規(guī)切削速度5倍乃至十幾倍條件下所進(jìn)行的切削加工。例如在試驗(yàn)室中，鋁臺金加工已達(dá)6000m/lmin；而在實(shí)際生產(chǎn)中也達(dá)到了1500～5500m/min。在實(shí)驗(yàn)室中，磨削中單層鍍砂輪磨削速度達(dá)3001～S，目前正探索500m/s速度的磨削；而實(shí)際生產(chǎn)中也達(dá)到了250m/s。超高速加工不但可 太幅度提商零件的加工效率、縮短加工時間、降低加工成本；而且可以使零件的表面加工質(zhì)量和加工精度達(dá)到更高的水平。 一、高速機(jī)床的主軸加工單元 高速主軸單元是高速、超高速加工機(jī)床最為關(guān)鍵的部件。其主要類型有電主軸。在國外具備各種先進(jìn)的電氣驅(qū)動和控制技術(shù)的電主軸已經(jīng)達(dá)到專業(yè)化生產(chǎn)和商品化供應(yīng)，如瑞士的Fisher公司生產(chǎn)的電主軸。這些技術(shù)包括可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停的變額驅(qū)動，變速精度在0.5%內(nèi)的優(yōu)化矢量控制，帶c軸功能的矢量控制。在這些主軸單元，主軸套筒外徑從33-250min有十多個規(guī)格。轉(zhuǎn)速最高達(dá)18000m/min，功率最大可達(dá)70kw。在EN097上，電主軸是機(jī)床制造技術(shù)中最熱門的功能部件，參展商達(dá)76家。而且瑞士著名的Micron機(jī)床廠的成員Step-Tec公司已專業(yè)生產(chǎn)電主軸部件。 在高速主軸系窺中成功地采用了各種超高速軸承。這種軸承要求主軸旋轉(zhuǎn)時有較高剮度和承載能力，而且要求有較長的使用壽命。這種軸承是高精度陶瓷球角接觸球軸承、磁力軸承、流體動靜壓軸承。 為了減少高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力，高精度陶瓷球角接觸球軸承中，滾動體使用熱壓氮化硅（s N4）陶瓷材料，軸承內(nèi)外圈仍為軸承鋼。這種軸承為密珠結(jié)構(gòu)，接觸角為l5。，而且是外徑定心的保持器，前后兩個支承處安排兩個背靠背安裝陶瓷軸承。這種軸承的 n值已超過2 x 10[sup]6[/sup]mm·r/rain，陶瓷球密度低、離心力??；剛度高；發(fā)熱少；熱穩(wěn)定性好；壽命長；為了增加軸承滾道的耐磨性，可以對滾道進(jìn)行涂層處理或其他表面處理。這種軸承轉(zhuǎn)速比相應(yīng)規(guī)格的錒軸承提高50％以上，溫升可減少35％6o％ ，彈性模量是軸承鋼的1．5倍。這種軸承的極限轉(zhuǎn)速與其潤滑方式有著重要的關(guān)系 一般都采用油氣潤滑和噴油潤滑。油氣為空氣與有的混合，壓縮空氣（來自工廠氣源，經(jīng)精細(xì)過濾器）常供，麗油（少數(shù)廠家還加某種添加劑）采取定時、必需的最小量的供給。油氣潤滑軸承極限轉(zhuǎn)速可以達(dá)（1.8～2.1）×10[sup]6[/sup]/min。噴油潤滑軸承極限轉(zhuǎn)速可達(dá)（2.3-2.5）×10[sup]6[/sup]/min，這種潤滑方式會污染環(huán)境。而這兩種潤滑方式需要專門的潤滑裝置。一般采用迷宮和壓縮空氣外吹的方式。 流體動靜壓軸承在高速主軸系統(tǒng)中也應(yīng)用較多 美國k口mou公司在HvM8∞ 高速加工中心上采用液體動靜壓軸承，主軸轉(zhuǎn)速可超過；20000r/min，軸頸表面圓周速度達(dá)50m/s 軸承的特點(diǎn)為高壓、大間隙、小孔節(jié)流。國外從90年代開始投A大量人力物力開發(fā)高速動靜壓軸承，對這種軸承的剛度、承載能力、溫升、穩(wěn)定性作了大量的研究。目前美國已推出了主軸轉(zhuǎn)速超過40000r/rain的高速液體動靜壓軸承，潤滑劑采用水。高速液體動靜壓軸承設(shè)計制造技術(shù)在國外已成熟。同時，高速動靜壓軸承與主軸系統(tǒng)一體化技術(shù)也在發(fā)展中。 磁懸浮軸承因其不可比擬的優(yōu)越性而受到青睞。磁力懸浮軸承Dmn值可達(dá)4×10[sup]6[/sup] mm/min，承載力達(dá)300kN，軸向靜剛度達(dá)2000N/um，動剛度達(dá)100N/um，可靠性超過4000h。瑞士Ibag公司主軸制造廠制造的采用磁懸浮軸承的主軸單元，主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)201300～40000r/min，最高可達(dá)200000r/min。德國KAPP公司采用的磁懸浮軸承砂輪主軸，轉(zhuǎn)速達(dá)60000r/rain。目前市場上有Ibag 、GNN和日本Seiko—Seiki三家公司供應(yīng)帶磁懸浮軸承的電主軸。 綜上所述，目前高速大功率主軸單元中，基于功能和經(jīng)濟(jì)性的要求，采用陶瓷混合球速承或液體動靜壓軸承。但隨著主軸向更高速發(fā)展，磁懸浮軸承是各研究機(jī)構(gòu)和制造商更為重視的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。 二、高速機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng) 超高速機(jī)床要求進(jìn)給系統(tǒng)有與主軸高轉(zhuǎn)速相應(yīng)的高速進(jìn)給運(yùn)動（空行程時的移動速度更高），直線電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)了無接觸直接驅(qū)動，避免r滾珠絲杼（齒輪、齒條）傳動中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛度不足等缺點(diǎn)，可獲得高精度的高速移動并具有極好的穩(wěn)定性。最早開發(fā)使用進(jìn)給直線電機(jī)的美國Ingersoll公司在其I-WN8加工中心的x、y、z軸上使用了永磁式直線電機(jī)，進(jìn)給最高速度達(dá)76.2m/min。意太利Vigolzone公司生產(chǎn)的高速臥式加工中心，三軸采用直線電機(jī)，進(jìn)給速度三軸均達(dá)到70m/min，加速度到1gc德國的Extcell-0公司生產(chǎn)的XHC24臥式加工中心，采用了I公司的直線驅(qū)動電機(jī)，最高進(jìn)給速度可達(dá)60m/rain，加速度為l 在CIMT97上德國西門子公司作了直線電機(jī)120m/rain高速進(jìn)給表演，該公司直線電機(jī)最大的進(jìn)給速度達(dá)2oom/min，最大推力可達(dá)6600N，最大位移距離為504mm。目前直線電機(jī)加速度可達(dá)2g以上。另外，日本Mazak公司的直線電機(jī)也在市場上占較大份額。 三、高速加工機(jī)床的控制系統(tǒng) 目前，主軸電機(jī)的設(shè)計仍然是在現(xiàn)有的矢量控制變頻調(diào)速交流電機(jī)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化現(xiàn)有的技術(shù)，呆用更復(fù)雜的、性能更好的半導(dǎo)體器件和處理速度更高的處理器以及進(jìn)一步優(yōu)化矢量控制技術(shù)等。高速機(jī)床中，數(shù)字主軸控制系統(tǒng)和數(shù)字伺服軸驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具有超高速響應(yīng)特征。主軸單元的控制系統(tǒng)，除了要求控制主軸電機(jī)時有很高的快速響應(yīng)特性之外，對主軸支撐系統(tǒng)也應(yīng)該有很好的動態(tài)響應(yīng)特征。采用液壓或磁懸浮軸承軸承時，要能夠根據(jù)不同的加工材料、不同的刀具材料 及加工過程的動態(tài)變化自動調(diào)整相關(guān)參數(shù) 工件加工的監(jiān)測裝置應(yīng)選用如雙頻激光干涉儀這樣的具有高的跟蹤特性和分辨率的監(jiān)測元件。 進(jìn)給直線電機(jī)的控制系統(tǒng)利用現(xiàn)有的變頻調(diào)速和矢量控制技術(shù)，并不斷完善在高速加工中，輸入的控制程序仍是標(biāo)準(zhǔn)ISONC代碼。但在高速條件下，傳統(tǒng)的NC程序存在很多問題，諸如應(yīng)采用特殊的編程方法，使切削數(shù)據(jù)適合高速主軸的功率特征曲線的問題；如何解決高速加工時CAD，CAM高速通信時的可靠性問題等，需進(jìn)一步研究加以解決。 四、高性能的刀具系統(tǒng)技術(shù) 對于安裝在超高速主軸上的旋轉(zhuǎn)類刀具（包括砂輪）來說，刀具的結(jié)構(gòu)安全性和高精度的動平衡是至關(guān)重要的。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過10000r/min時一方面由于離心力的作用使主軸傳統(tǒng)的7：24錐度端口產(chǎn)生擴(kuò)張，刀具的定位精度和連接剛性下降，振動加劇，甚至發(fā)生連接部的咬合現(xiàn)象。另一方面常用刀片夾緊機(jī)構(gòu)的可靠性下降，刀具整體不平衡量的影響加強(qiáng)（與轉(zhuǎn)速平方成正比）。為此，德國開發(fā)出HSK（短錐空心柄）連接方式和對刀具進(jìn)行等級平衡及主軸自動平衡的系統(tǒng)技術(shù)。HSK連接具有很高的接觸剮度、夾緊可靠、重復(fù)定位精度高．適合于20000～46000r/min的超高速主軸。而主軸自動化平衡系統(tǒng)能把由刀具殘余不平衡和配合誤差引起的振動降低90％ 以上。近幾年開發(fā)了不少適合于超高速切削的刀具，采用比強(qiáng)高的刀體材料和零件少、簡單、安全的刀體結(jié)構(gòu)，同時具有較短切削刃、較大刀尖角、較強(qiáng)斷屑能力和經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的切削幾何角度。如今一些刀具公司已能提供具有HSK接口和不同平衡精度的超高速刀具，如KOMET和SAD—VIC．已用于飛機(jī)和汽車的高速加工。 [b] 五、機(jī)床支承技術(shù)與輔助單元技術(shù)[/b] 機(jī)床支承技術(shù)主要指機(jī)床的支承構(gòu)件的設(shè)計及制造技術(shù)。輔助單元技術(shù)包括快速工件裝夾技術(shù)、機(jī)床安全裝置、高效冷卻潤滑液過濾系統(tǒng)、切削處理及工件清潔技術(shù)。機(jī)床的床身和立柱和底座等支撐基礎(chǔ)件，要求有良好的靜剛度、動剛度和熱剛度。對精密高速機(jī)床，國內(nèi)外都有采用聚合物混凝土（人造花崗石）來制造床身和立柱，也有的將立柱和底座采用鑄鐵澆鑄而成，還有采用鋼板焊接件，井將阻尼材料填充其內(nèi)腔以提高抗震性。效果很好。 六、國同內(nèi)高速機(jī)床技術(shù)的發(fā)展 我國有關(guān)單位在研究和開發(fā)超高速機(jī)床加工技術(shù)亦取得不小進(jìn)步。沈陽工學(xué)院研制超高速車銑床，已取得階段性成果。北京機(jī)床研究所生產(chǎn)出主軸轉(zhuǎn)速達(dá)8000r/min、功率達(dá)7kw的立式加工中心。同濟(jì)大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)分別對主軸單元動特性和直線電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。東北大學(xué)研究了熱壓氮化硅陶瓷球軸承，建立r超高速磨削實(shí)驗(yàn)臺，能進(jìn)行200m/s的磨削加工試驗(yàn)。 七、超高速機(jī)床發(fā)展趨勢 隨著制造觀念更新和制造技術(shù)的全面進(jìn)步，超高速切削和超高速機(jī)床將在如下幾個方面取得新發(fā)展： （1）在干切削或準(zhǔn)干切削狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)綠色的超高速切削采用于切削或最小量霧化潤滑的準(zhǔn)干切削方式，會從根本上改善切削的環(huán)境狀態(tài)，達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的有關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)（璐014000系列）要求，同時節(jié)省對切削的直接投資和廢液處理及環(huán)保費(fèi)用。刀具技術(shù)是達(dá)到這一目的的關(guān)鍵。 （2）在重切削工藝中進(jìn)行超高速切削 這對提高我國大中型設(shè)備制造的生產(chǎn)效益有十分重要的作用，如新日本工機(jī)5NK的某車床超高速加工大型軋輥，比普通加工效率提高5倍。 （3）開發(fā)完善各種超高速切削工藝如超高速 L加工。超高速車床有更高、更可靠的動態(tài)特性和自動平衡能力。 （4）基于新型檢測技術(shù)的加工狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)工況監(jiān)控增加加工過程的穩(wěn)定性和安全性，對監(jiān)控系統(tǒng)靈敏l生、瞬時響應(yīng)性和可靠性提出了更高的要求，采用新的檢測方法 例如采用質(zhì)量輕、體積小、靈敏度高的新型傳感器（如z元件）和開發(fā)具有多項檢測功能的超高速切削監(jiān)控系統(tǒng)。 八、發(fā)展我國的超高速機(jī)床技術(shù) 我國在超高速機(jī)床技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了一定程度的研究，但與國外先進(jìn)技術(shù)相比，尚有很大差距亟待發(fā)展。顯然，刀具、數(shù)控機(jī)床和加工中心均為超高速加工的關(guān)鍵。應(yīng)重點(diǎn)研究開發(fā)，主要內(nèi)容如下： （1）大功率、超高速主軸單元技術(shù)研究 包括內(nèi)裝式高速大功率主軸電機(jī)及其矢量控制調(diào)速和監(jiān)控系統(tǒng)，主軸材料、結(jié)構(gòu)（具有HSK63錐孔）、高速精密陶瓷滾動軸承、液體動靜壓混合軸承設(shè)計與開發(fā)；主軸系統(tǒng)動特性及熱特性的研究，柔性主軸及其軸承的彈性支承技術(shù)研究；主軸單元的自動平衡裝置；主軸系統(tǒng)的潤滑與冷卻技術(shù)的研究；主軸的多目標(biāo)優(yōu)化與虛擬設(shè)計技術(shù)研究；主軸換刀技術(shù)的研究使主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)10000r/min～30000 r/min。 （2）超高速進(jìn)給單元技術(shù) 包括高速直線進(jìn)給電機(jī)的研究；高速位置芯片環(huán)的研制，高加減速控制技術(shù)、高速精密交流伺服系統(tǒng)及電機(jī)的研究；系統(tǒng)慣量與伺服電機(jī)參數(shù)匹配關(guān)系的研究；精密滾珠絲杠副投大導(dǎo)程絲杠副的研制等。高速進(jìn)給系統(tǒng)的快移速度達(dá)40m/rain～80m/trt1．n、切削進(jìn)給速度達(dá)_94～60m/rain，加減速度大于lg。 （3）超高速加工測試技術(shù) 開發(fā)對超高速加：機(jī)麻主軸單元、進(jìn)給單元系統(tǒng)和機(jī)床支承及輔助單元系統(tǒng)等功能部件和驅(qū)動控制系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)。超高速進(jìn)給單元技術(shù)。超高速切削刀具磨、破損，磨具的修整等狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及保證快速反應(yīng)替換的刀具管理系統(tǒng)軟件，刀具磨損破損監(jiān)控系統(tǒng)的智能化。在超高速切 I5過程中的工件加工精度、加工表面質(zhì)量及安全狀態(tài)的在線監(jiān)控技術(shù)。 （4）超高速刀具 高速高精度端面定位的HSK刀具錐柄及工具系統(tǒng)，包括高速ATC自動換刀裝置、機(jī)械手換刀方式、刀一刀達(dá)15s。超高速切削刀具幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括刀具幾何角度的優(yōu)化選擇、刀體安全結(jié)構(gòu)、刀片夾緊結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)刀具的動平衡及其安全性技術(shù)（旋轉(zhuǎn)刀片應(yīng)在2倍于最高轉(zhuǎn)速時不破裂）。開發(fā)超高速加工新型刀具、磨具材料，使刀具的切削速度達(dá)到國際工業(yè)發(fā)達(dá)國家9o年代末水平，砂輪磨削速度達(dá)100m/s～150m/s。 （5）高速CNC系統(tǒng)技術(shù) 包括平滑加減特性的智能控制、誤差補(bǔ)償、前饋控制。 總之，如何針對上述領(lǐng)域、集中有限資金，協(xié)同攻關(guān)，避免項目低水平的重復(fù)開發(fā)，對我國機(jī)床行業(yè)的振興及長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義。 [b][align=center]詳細(xì)內(nèi)容請點(diǎn)擊： 超高速加工機(jī)床及刀具技術(shù)新發(fā)展[/align][/b]