高逭欹劓加二二它训敏覆 二高速切削机床 (一)如何有效地选择高速切削机床 高速切削加工是最重要的现代制造技术,而实现高速切削的最关键技术是研究开发性能 优良的高速切削机床。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 术发展的主流。一般来说,一个完整的高速机床系统主要包括:高的静/动刚度支承构件(机 床的基本结构);高精度、高转速的高速主轴;高控制精度、高进给速度和高进给加速度的进 给系统;高速、高精度CNC系统;高效的冷却系统(干切削机床除外);安全防护与实时监控 系统等。 1、高速切削机床基本结构 机床的基本结构有床身、底座和立柱等,高速切削会产生很大的附加惯性力,因而机床床 身、立柱等必须具有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。很多高速机床的床身和立柱材料 采用聚合物混凝土(或人造花岗岩),这种材料阻尼特性为铸铁的7~10倍,比重只有铸铁的1/3 提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构,如将立柱和底座合为一个整体,使得机床可以依 靠自身的刚性来保持机床精度 2、高速主轴 高速主轴是实现高速切削最关键的技术之一。随着工业上对主轴转速要求不断提高,高速 主轴技术近年来得到了迅猛发展,在理论与实验研究的基础上研制开发出实用的高速主轴单元 已商品化。目前主轴转速在10000~20000/min的加工中心越来越普及,转速高达10000/min, 20000min,250000r/min的实用高速主轴也正在研制开发中。高速主轴由于转速极高,主轴 零件在离心力作用下产生振动和变形,髙速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和 变形,所以必须严格控制。为此对高速主轴提出如下性能要求 (1)高转速和高转速范围 (2)足够的刚性和较高的回转精度; (3)良好的热稳定性; (4)大功率 (5)可靠的工具装卡性能 (6)先进的润滑和冷却系统 (7)可靠的主轴监测系统 轴承作为高速主轴技术中的关键,它直接决定了主轴的负荷容量、工作性能(高速、高刚 度、高运动精度)、工作寿命及主轴的动、静态性能。为了适应高速切削加工,高速切削机床 的主轴设计采用了先进的主轴轴承和润滑、散热等新技术。目前高速主轴主要采用3种特殊轴 承:(1)陶瓷轴承;(2)磁力轴承:(3)空气轴承。主轴轴承润滑对主轴转速的提高起着重要作 用,高速主轴一般采用油雾润滑或喷油润滑
高速铣削加工工艺培训教程 9 二 高速切削机床 （—） 如何有效地选择高速切削机床 高速切削加工是最重要的现代制造技术，而实现高速切削的最关键技术是研究开发性能 优良的高速切削机床。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 术发展的主流。一般来说，一个完整的高速机床系统主要包括：高的静/动刚度支承构件（机 床的基本结构）；高精度、高转速的高速主轴；高控制精度、高进给速度和高进给加速度的进 给系统；高速、高精度 CNC 系统；高效的冷却系统（干切削机床除外）；安全防护与实时监控 系统等。 1、高速切削机床基本结构 机床的基本结构有床身、底座和立柱等，高速切削会产生很大的附加惯性力，因而机床床 身、立柱等必须具有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。很多高速机床的床身和立柱材料 采用聚合物混凝土(或人造花岗岩)，这种材料阻尼特性为铸铁的 7～10 倍，比重只有铸铁的 1/3。 提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构，如将立柱和底座合为一个整体，使得机床可以依 靠自身的刚性来保持机床精度。 2、高速主轴 高速主轴是实现高速切削最关键的技术之一。随着工业上对主轴转速要求不断提高，高速 主轴技术近年来得到了迅猛发展，在理论与实验研究的基础上研制开发出实用的高速主轴单元 已商品化。目前主轴转速在 10000～20000r/min 的加工中心越来越普及，转速高达 100000r/min， 200000r/min，250000r/min 的实用高速主轴也正在研制开发中。高速主轴由于转速极高，主轴 零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和 变形，所以必须严格控制。为此对高速主轴提出如下性能要求： (1) 高转速和高转速范围； (2) 足够的刚性和较高的回转精度； (3) 良好的热稳定性； (4) 大功率； (5) 可靠的工具装卡性能； (6) 先进的润滑和冷却系统； (7) 可靠的主轴监测系统。 轴承作为高速主轴技术中的关键，它直接决定了主轴的负荷容量、工作性能（高速、高刚 度、高运动精度）、工作寿命及主轴的动、静态性能。为了适应高速切削加工，高速切削机床 的主轴设计采用了先进的主轴轴承和润滑､散热等新技术。目前高速主轴主要采用 3 种特殊轴 承：(1) 陶瓷轴承；(2) 磁力轴承；(3) 空气轴承。主轴轴承润滑对主轴转速的提高起着重要作 用，高速主轴一般采用油雾润滑或喷油润滑
高逭欹劓加二二它训敏覆 3、高速进给机构 高速切削时,为了保持刀具每齿进给量基本不变,随着主轴转速的提高,进给速度也必 须大幅度地提高。目前髙速切削进给速度已高达50~120m/min,要实现并准确控制这样髙的 进给速度,对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。而且,由于机床 上直线运动行程一般较短,髙速加工机床必须实现较高的进给加减速才有意义。为了适应进 给运动高速化的要求,在高速加工机床上主要采用如下措施: (1)采用新型直线滚动导轨,直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积很小,其摩 擦系数仅为槽式导轨的1/20左右,而且,使用直线滚动导轨后,“爬行现象可大大 减少; (2)高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠,或粗螺距多头滚珠丝杠,其目的 是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度 (3)高速进给伺服系统已发展为数字化智能化和软件化。高速切削机床已开始采用全数 字交流伺服电机和控制技术 (4)为了尽量减少工作台重量但又不损失刚度,高速进给机构通常采用碳纤维增强复合 材料 (5)为提高进给速度,更先进、更高速的直线电机已经发展起来。直线电机消除了机械传动 系统的间隙、弹性变形等问题,减少了传动摩擦力,几乎没有反向间隙。直线电机具有 高加减速特性,加速度可达2g,为传统驱动装置的10~20倍,进给速度为传统的 4~5倍,采用直线电机驱动,具有单位面积推力大、易产生高速运动、机械结构不需 维护等明显优点 4、高速CNC控制系统 数控高速切削加工要求CNC控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性,以保证 在高速切削时(特别是在4~5轴坐标联动加工复杂曲面时)仍具有良好的加工性能。高速 CNC数控系统的数据处理能力有两个重要指标:一是单个程序段处理时间,为了适应高速, 要求单个程序段处理时间要短,为此,需使用32位CPU和64位CPU,并采用多处理器;二 是插补精度,为了确保高速下的插补精度,要有前馈和大数目超前程序段处理功能。此外, 还可釆用 NURBS(非线形B样条)插补、回冲加速、平滑插补、钟形加减速等轮廓控制技术。 高速切削加工CNC系统的功能特征包括: (1)加减预插补; (2)前馈控制; (3)精确矢量补偿; (4)最佳拐角减速度 5、高速切削机床安全防护与实时监控系统
高速铣削加工工艺培训教程 10 3、高速进给机构 高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必 须大幅度地提高。目前高速切削进给速度已高达 50～120m/min，要实现并准确控制这样高的 进给速度，对机床导轨､滚珠丝杠､伺服系统､工作台结构等提出了新的要求。而且，由于机床 上直线运动行程一般较短，高速加工机床必须实现较高的进给加减速才有意义。为了适应进 给运动高速化的要求，在高速加工机床上主要采用如下措施： (1) 采用新型直线滚动导轨，直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积很小，其摩 擦系数仅为槽式导轨的 1/20 左右，而且，使用直线滚动导轨后，“爬行”现象可大大 减少； (2) 高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠，或粗螺距多头滚珠丝杠，其目的 是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度； (3) 高速进给伺服系统已发展为数字化､智能化和软件化｡高速切削机床已开始采用全数 字交流伺服电机和控制技术； (4) 为了尽量减少工作台重量但又不损失刚度，高速进给机构通常采用碳纤维增强复合 材料； (5) 为提高进给速度，更先进､更高速的直线电机已经发展起来｡直线电机消除了机械传动 系统的间隙､弹性变形等问题，减少了传动摩擦力，几乎没有反向间隙｡直线电机具有 高加､减速特性，加速度可达 2g，为传统驱动装置的 10～20 倍，进给速度为传统的 4～5 倍，采用直线电机驱动，具有单位面积推力大､易产生高速运动､机械结构不需 维护等明显优点｡ 4、高速 CNC 控制系统 数控高速切削加工要求 CNC 控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性，以保证 在高速切削时（特别是在 4～5 轴坐标联动加工复杂曲面时）仍具有良好的加工性能。高速 CNC 数控系统的数据处理能力有两个重要指标：一是单个程序段处理时间，为了适应高速， 要求单个程序段处理时间要短，为此，需使用 32 位 CPU 和 64 位 CPU，并采用多处理器；二 是插补精度，为了确保高速下的插补精度，要有前馈和大数目超前程序段处理功能。此外， 还可采用 NURBS(非线形 B 样条)插补､回冲加速､平滑插补､钟形加减速等轮廓控制技术｡ 高速切削加工 CNC 系统的功能特征包括： (1) 加减预插补； (2) 前馈控制； (3) 精确矢量补偿； (4) 最佳拐角减速度｡ 5、高速切削机床安全防护与实时监控系统
高逭欹劓加二二它训敏覆 高速切削的速度相当高,当主轴转速达40000ymin时,若有刀片崩裂,掉下来的刀具碎 片就像出膛的子弹。因此,对高速切削引起的安全问题必须充分重视。从总体上讲,高速切 削的安全保障包括以下诸方面:机床操作者及机床周围现场人员的安全保障;避免机床、刀具、 工件及有关设施的损伤;识别和避免可能引起重大事故的工况。在机床结构方面,机床设有 安全保护墙和门窗。刀片,特别是抗变强度低的材料制成的机夹刀片,除结构上防止由于离 心力作用产生飞离外,还要进行极限转速的测定。刀具夹紧、工件夹紧必须绝对安全可靠,故 工况监测系统的可靠性就变得非常重要。机床及切削过程的监测包括:切削力监测,机床主 轴功率监测,主轴转速监测,刀具破损监测,主轴轴承状况监测,电器控制系统过程稳定性 监测等。 6、选购高速切削机床的方法 高速切削机床是实现高速切削加工的前提和关键。但是,如何有选择地购买高速切削机 床,怎样将高速切削机床融入现有的加工机制中,还有诸多的不确定性,该方面的技术知识 还很片面。应用合理、可靠的结构化程序,可以比较安全、稳妥地去选择高速切削机床。下 面将介绍一种有组织、有步骤地购买高速切削机床并将其应用到现有的生产环境中去的方法, 该方法包括五个阶段(如图6.1)。 第一步 第二步 第三步 第四步 第五步 基本投资订购准备 交付期 安装 开始生产 投资决定 订购 交付 使用 图6.1选购高速切削机床的步骤 6.1基本调研 购买高速切削机床,类似与购买其它的CNC机床。如图6.2,首先从公司中抽调出部分 员工组成“项目小组”,其职能应该包括:工作计划、生产、购买、控制等,该“项目小组”由 建设项目组 第一步:选择机床 投资决定 选择合适的高速加工工件 选择用于精度测试的工件 经济预算 规划将高速机床应用于生产 选择编程方法
高速铣削加工工艺培训教程 11 高速切削的速度相当高，当主轴转速达 40000r/min 时，若有刀片崩裂，掉下来的刀具碎 片就像出膛的子弹。因此，对高速切削引起的安全问题必须充分重视。从总体上讲，高速切 削的安全保障包括以下诸方面:机床操作者及机床周围现场人员的安全保障；避免机床、刀具、 工件及有关设施的损伤；识别和避免可能引起重大事故的工况。在机床结构方面，机床设有 安全保护墙和门窗。刀片，特别是抗变强度低的材料制成的机夹刀片，除结构上防止由于离 心力作用产生飞离外，还要进行极限转速的测定。刀具夹紧､工件夹紧必须绝对安全可靠，故 工况监测系统的可靠性就变得非常重要。机床及切削过程的监测包括：切削力监测，机床主 轴功率监测，主轴转速监测，刀具破损监测，主轴轴承状况监测，电器控制系统过程稳定性 监测等。 6、选购高速切削机床的方法 高速切削机床是实现高速切削加工的前提和关键。但是，如何有选择地购买高速切削机 床，怎样将高速切削机床融入现有的加工机制中，还有诸多的不确定性，该方面的技术知识 还很片面。应用合理、可靠的结构化程序，可以比较安全、稳妥地去选择高速切削机床。下 面将介绍一种有组织、有步骤地购买高速切削机床并将其应用到现有的生产环境中去的方法， 该方法包括五个阶段(如图6.1)。 图6.1 选购高速切削机床的步骤 6.1 基本调研 购买高速切削机床，类似与购买其它的 CNC 机床。如图 6.2，首先从公司中抽调出部分 员工组成“项目小组”，其职能应该包括：工作计划、生产、购买、控制等，该“项目小组”由 第一步 第二步 第三步 第四步 第五步 基本投资 订购准备 交付期 安装 开始生产 投资决定 订购 交付 使用 建设项目组 第一步：选择机床 投资决定 选择合适的高速加工工件 选择用于精度测试的工件 经济预算 规划将高速机床应用于生产 选择编程方法
高逭欹劓加二二它训敏覆 图6.2购买高速机床第一步 位项目经理领导。首先是选择基本上适合于高速加工机床加工的工件,并选择一两个将来 用于新机床验收测试的工件,尤其是有关精确性和时间方面的测试。选择两三个代表性工件 用于加工时间的计算,以之作为后来收益评价的依据。除此之外,初步计划将新的高速机床 应用于生产需要加工的相关工作,并分析评估现有的编程过程能否用于新的工件,是否需要 采用新的工艺措施。这些信息对于决定全部的投资数目非常重要。 6.2订购准备工作 当对购买高速切削机床的基本决定做出积极的评估之后,第2步工作即来决定购买哪一 种机床(如图6.3)。 投资决定第二步:准备订购 机床订购 决定用于高速加工的工件 资金预算 附件设施规划 机床加工能力与机床精度测试 如图6.3购买高速机床第三步 第2步中有关工作是整个购买过程中最关键的部分。首先从那些可以由高速切削机床加 工的系列工件中选出部分工件,用于在该机床上试切。以此考虑机床功率、精确度以及可能 的加工极限能否满足要求。为了精确预算总投资花费,在本阶段必须对相关附件设备及任何 可能需要的资金从细节上进行精密计划 不过,在本阶段最重要的一个环节就是要对机床的性能和精度方面进行测试,该测试当 然也针对那些在考虑范围之内的机床。当然,由于高速切削机床的速度范围与常规切削机床 有较大的区别,有必要对这一方面进行细致的测试。对单一轴向精度,应该依照ⅤDI/DGQ2331 (如图6.4)来测试。 目 Y轴位置(mm)
高速铣削加工工艺培训教程 12 图 6.2 购买高速机床第一步 一位项目经理领导。首先是选择基本上适合于高速加工机床加工的工件，并选择一两个将来 用于新机床验收测试的工件, 尤其是有关精确性和时间方面的测试。选择两三个代表性工件 用于加工时间的计算，以之作为后来收益评价的依据。除此之外，初步计划将新的高速机床 应用于生产需要加工的相关工作，并分析评估现有的编程过程能否用于新的工件，是否需要 采用新的工艺措施。这些信息对于决定全部的投资数目非常重要。 6.2 订购准备工作 当对购买高速切削机床的基本决定做出积极的评估之后,第 2 步工作即来决定购买哪一 种机床（如图 6.3）。 如图 6.3 购买高速机床第三步 第 2 步中有关工作是整个购买过程中最关键的部分。首先从那些可以由高速切削机床加 工的系列工件中选出部分工件，用于在该机床上试切。以此考虑机床功率、精确度以及可能 的加工极限能否满足要求。为了精确预算总投资花费，在本阶段必须对相关附件设备及任何 可能需要的资金从细节上进行精密计划。 不过，在本阶段最重要的一个环节就是要对机床的性能和精度方面进行测试，该测试当 然也针对那些在考虑范围之内的机床。当然，由于高速切削机床的速度范围与常规切削机床 有较大的区别,有必要对这一方面进行细致的测试。对单一轴向精度，应该依照 VDI/DGQ2331 （如图 6.4）来测试。 Y 轴位置（mm） 投资决定 第二步：准备订购 机床订购 决定用于高速加工的工件 资金预算 附件设施规划 机床加工能力与机床精度测试 偏差（μm） U Pa Ps
高逭欹劓加二二它训敏覆 图6.4单轴位置精度 在图6.4中,位置偏差(图中绿色)Pa=1.550μm,最大位置偏差范围(图中红色) Ps. max==281lμm,最大反向间隙宽度(图中黄色Jmax=0.600um,平均位置偏差范围(图中红 色)Ps,mean=1.356的μm,平均反向间隙宽度(图中黄色 Umean=0.277um 圆度测试 技术数据: (X-Y平面) 进给: 直径:60mm f=8000mm/min 平均径向偏差: f=26. 25ft/min DR-1. 2 H m 速度增益系数 象限过渡区域最 Kv=15m/min/mm 大偏差: 测量方法: Fmax=2.0μm Heidenhain测量仪 图6.5圆度测试 然而,只有圆形的轮廓测试将会提供关于多轴联动的相关信息(如图6.5)。这将有可能 发现各种不同机床在质量上有实质的区别(如图6.6)。 v=5000= 厂商 Teilstrich ②=20mm 图6.6不同机床的圆度测试 不过,对于效益至关重要的一点,就是工件在该机床上可以被加工出的精度。虽然上述 13
高速铣削加工工艺培训教程 13 图 6.4 单轴位置精度 在图 6.4 中，位置偏差(图中绿色) Pa=1.550μm，最大位置偏差范围(图中红色) Ps,max=2.811μm，最大反向间隙宽度(图中黄色)Umax=0.600μm，平均位置偏差范围(图中红 色)Ps,mean=1.356 的μm，平均反向间隙宽度(图中黄色)Umean=0.277μm。 图 6.5 圆度测试 然而，只有圆形的轮廓测试将会提供关于多轴联动的相关信息(如图 6.5)。 这将有可能 发现各种不同机床在质量上有实质的区别(如图 6.6)。 图 6.6 不同机床的圆度测试 不过，对于效益至关重要的一点，就是工件在该机床上可以被加工出的精度。虽然上述