高速切削机床的选型.docx

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高速切削机床的选型

高速切削机床的选型

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。

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。

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

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”由一位项目经理领导。

第一步：

选择机床

●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

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

●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

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来测试。

单轴位置精度

在图中，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。

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。

这将有可能发现各种不同机床在质量上有实质的区别。

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。

虽然上述的测试将会提供非常有价值的数据，但是这与机床的实际加工运行情况并不完全相符。

因此，可以选用德国数控加工界推荐的一些典型的工件样品进行加工测试。

是否有必要从自己本身所拥有的产品中选择一个测试工件进行加工，则必须由各自的特殊情况决定。

基于所有的这些生产测试结果，将会很容易做出适当的技术评估。

6.3交货期间的工作

在递交定货单和交货这段时间内，必须完成所有的准备工作，使得在机床交接工作完成之后可立刻按照预定计划开始生产实验工作，而没有任何的拖延。

第三步：

交付期间的活动

●对刀具、夹具等进行计划订购

●建造地基

●安装附件

●工件运送及管理计划

●订购服务设施

●订购编程设备

●建立服务组及选择操作人员

●选择编程人员

●订购用于精度测试的工件

●订购CAD/CAM系统

●对进行精度测试的工件进行编程

6.4安装和生产启动

当上述的工作被预期完成以后,余下的工作可以在安装阶段来做。

然而，对于比较小的机床来说，如果该阶段非常短暂，则有必要尽可能地实施工作，这已经在第3步中提及。

在机床被最终接受以后，就可以开始生产工作。

不过，在大多数情况下，在验收阶段还应包括许多反复的测试工作，以之作为机床选择的依据。

从一开始的时候，机床维护和故障记录就应该被保留，为新机床的技术可行性方面的确切定论创建一种依据。

然而，根据在高速切削机床方面存在的广泛实际经验，最好是等待大约三到六个月的操作测试之后，再考虑后来的去评估机床的真正可行性的工作。

最好能把该阶段作为一种故障担保期，尽可能的写进订购契约。

通过以上所提及的理论指导，在选购高速切削机床方面，应当不会再有问题。

所提及的各种不同的验收测试将会确保所购买新机床的实际性能，提供不同货源之间的技术对比。

当然，在高速切削机床上节约的时间也可以获得显著的利润。

总之,全面的了解、认识高速切削加工所具有的特殊切削条件将非常重要。