1、高速机床的关键技术和发展趋势【摘要】高速切削是切削加工发展的主要方向之一，高速机床是实现高速切削的基础。近年来，高速切削技术的快速发展带动了高速机床制造技术的进步，不仅体现在传统机床关键部件的重大改进，而且产生了新的机床结构以及关键零部件，把机床制造技术带入了一个新的领域。本文具体分析研究了高速机床的关键技术和发展趋势。 【关键词】高速机床关键技术发展趋势 中图分类号：TG508 文献标识码：A 文章编号： 高速机床是指能够进行高速切削的机床。目前适用于进行高速切削的加工中心和数控机床，其主轴转速一般都在 10000r/min 以上，有的高达 60000-100000r/min，主电机功率 1
2、5-80kW。高速切削还在进一步发展中，不同加工方式和不同材料的高速切削范围也有所差别，表 1 给出了几种典型加工方式的高速切削范围。 表 1 典型加工方式的高速加工范围 高速切削要求高速机床的主轴和工作台具备极高的加速度性能，主轴从启动到最高转速（或相反）只用 1-2s，工作台的加速（减速）度要达到 1-10g。如此高的加速度会对机床造成巨大的动载荷，必须提高机床的动、静刚度，因此高速机床的产生使机床从“速度设计”进入“加速度设计”的新阶段。 与常规加工相比，高速加工有许多突出的优点：单位时间的材料切除率可增加 3-6 倍；切削力可降低 30%以上，特别有利于薄壁细长工件的高速精密加工；95
3、%-98%的切削热被切屑带走，工件可基本保持冷态；高速加工能加工出非常光洁、精密的零件，如高速铣削和高速车削可以达到磨削的光洁度；工件表面残余应力非常小。高速加工技术首先在美国航空航天工业中得到广泛应用，如今汽车工业和模具工业也越来越多采用高速加工。例如用小直径立铣刀对模具型腔进行超高速铣削，因为效率高、精度高、表面光洁，故可省去后续的电加工和手工研磨等工序，大大加快了新产品的开发周期。 常用的机床关键件如钢球式机械主轴、滚珠丝杆、数控系统以及现有的设计理念已不能支撑高速机床, 由此产生了一系列的技术创新, 如高速滚珠丝杆、直线电机、电主轴、高性能数控系统、新型结构及新设计理念。 一、高速滚珠
4、丝杆 用滚珠丝杆驱动运动部件是最常见的结构设计。但高速运动与快速启动使常用的滚珠丝杆产生了严重的发热、噪声等精度和性能问题。因此, 制造商采取了多种措施, 提高滚珠丝杆的高速性能, 由此产生了高速滚珠丝杆。通常的滚珠丝杆的 d?n 值为 80 000r?mm/ min, 高速化的滚珠丝杆的 d?n 值达到 150 000r?mm/ min 以上, 这样可方便地将机床进给速度提高到 40m/ min 左右。当然, 对丝杆制造商来说, 其难度相当大, 需对滚珠运动轨道、滚珠及材料、滚珠保持架等多方面进行重大突破。 为解决丝杆高速运转时产生的高热量问题, 制造商对丝杆结构进行改进, 将丝杆做成中空式
5、, 把恒温冷却液导入丝杆的内孔中, 对滚珠丝杆进行强制冷却, 保持丝杆副的恒定温度, 从而提高滚珠丝杆的高速性能和工作精度。 二、直线电机 高线速度的滚珠丝杆对运动件速度的提高还是有限的。20 世纪 90 年代, 德国和美国相继研制出一种新型电机直线电机, 直线电机的开发与应用, 创造了一种全新的驱动方式。直线电机的原理是把旋转电机径向剖开, 然后拉直演变而成的,它是使电能直接转变成直线机械运动的一种推力装置, 从而取消了电动机到工作台之间的所有中间机械传动环节, 把机床进给传动链的长度缩短为零, 实现了机床进给系统的“零传动”, 并消除了机械传动系统的能量损耗。 直线电机用于机床进给系统时,
6、 通常能达到的指标为:进给速度可达90 180m/ min, 甚至更快;实现的最大加速度高达 2 10 g;定位精度高达 0. 1 0. 01Lm。 当然, 直线电机毕竟属于电机的一种, 虽然集成的水冷系统能抑制电机的发热, 但移动部件(直线电机的次级) 的发热相对大些, 这是机械设计需考虑的问题。 三、电主轴 传统的主轴电机通过皮带或齿轮带动主轴转动。这种传动系统已无法达到高速切削的速度或性能( 如噪声、振动等) 要求。与直线电机的思路相似, 发明者将主轴电机与机床主轴合二为一, 即出现了电主轴。 电主轴单元主要由主轴、轴承、内装式电机和刀具( 或工件) 夹持装置( 卡盘) 等 4 部分组成
7、。电主轴的机械结构虽然简单, 但制造精度要求极高。其中轴承是决定高速主轴寿命和负载容量的最关键部件, 也是高速切削机床的核心部件之一。 电主轴的轴承有 4 种: ( 1) 混合陶瓷轴承 , 用氮化硅制成的滚珠与钢制轨道相组合, 在高速转动时离心力小、刚性好、温度低、寿命长, 功率可达 80kW,转速高达 150 000r/ min。是目前在高速切削机床主轴上使用最多的支承元件。( 2) 磁悬浮轴承, 它是用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来, 其转速可达 45 000r/ min, 功率为 20kW, 精度高, 可成为未来超高速主轴轴承的一种选择, 但其价格较高, 目前应用还不够广泛。( 3)
8、液体动静压轴承, 采用流体动、静力相结合的办法, 使主轴在油膜支承中旋转, 径向和轴向跳动小, 刚性好, 阻尼特性好, 适于粗、精加工, 寿命长。但其无通用性, 维护保养比较困难。目前主要用于重载主轴, 也逐渐用于高速主轴。( 4) 空气静压轴承, 采用空气冷却和气膜支承, 运转平滑, 由于气体的粘度小, 允许在摩擦损耗不大、润滑剂和支承温升不高的情况下实现高速旋转, 适合作高速回转副的支承元件, 但由于其可承受切削载荷及过载能力较小, 主要用于高速、轻载和超精密的场合, 如高速内圆磨床主轴的轴承。 四、高性能数控系统 为满足高速化条件下机床精度的要求, 控制系统在电机反馈元件、控制技术、驱动
9、技术、插补技术等方面也作了相应的创新, 向更强( power) 、更大( torque) 、更高( speed) 、更长( life) 的目标发展。如西门子公司开发的 611D 控制模块等。 五、新型设计理念和新型结构 高速切削机床, 除要求其具有高的主轴运转速度和高的运动部件移动速度, 还要求它们具有高的加速度性能。通常, 主轴从启动到最高转速( 停止时相反) 应在极短的时间内完成( 1 2s) , 同样理由, 运动部件的加速度( 或减速度) 也非常高( 1 10g 或更高) 。如此大的加减速度给机床带来了极大的动载荷, 加上直线电机的发热等因素, 传统的设计理念已不适用了。一是必须用多种方
10、式提高机床的动静刚度, 满足高加减速度需求, 一是利用补偿技术, 消除客观存在的发热的影响等。这些都是设计理念的变化。 除此以外, 甚至跳出常见结构的框框, 发明一些新型的结构方案, 并联机床结构就是其中的代表。所谓并联机床结构, 就是由 1 个活动平台( 末端执行器) 和 1 个固定平台及 6 个杆副组成, 杆副分别以球铰( 或固定平台上的虎克铰) 联接两平台。变化 6 杆长度( 每杆由 1 个驱动器驱动) , 活动平台得到 6 个自由度的空间运动。这种结构没有固定方向的导轨副, 机床上工件固定不动, 6 杆共同驱动电主轴, 每杆只受拉压不受弯矩, 因而容易获得快速进给和高加速度, 机床总体刚性大。当然这种机床因关节多而且关节精度不易达到要求, 且编程坐标轴多, 不直观, 也很复杂, 加上空间布局限制了机床加工能力, 目前的发展受到限制。但它的出现, 拓展了人们的思维, 并在天文等领域有了应用。 参考文献： 1 单东日,张青.我国高速、高精、复合数控机床研发目标及关键技术J. 制造技术与机床. 2009(06) 2 赵中太,陈波.浅谈高速机床的振动J. 制造技术与机床. 2010(02) 3 丁锦宏.高速数控机床概述J. 中国制造业信息化. 2006(11)
