探析数控高速加工技术综述

论文关键词:数控技术数控高速加工数控加工技术

论文摘要:高速切削技术是机械制造业发展的必然趋势，其应用将大幅度地提高加工效率和加工质量。高速切削技术不仅涉及到高速切削加工工艺及高速切削机理，而且包括高速切削所用的刀具、机床等诸多因素。本文着重介绍了高速切削各相关技术的研究动态，并对高速切削技术的应用前景进行了展望。 一、 高速加工的技术优势 高速加工在切削原理上是对传统切削认识的突破。据资料介绍，在国外的高速加工试验中已经证实，当切削速度超过一定值(V=600m/min)后，切削速度再增高，切削温度反而降低，在切削过程中产生的热量进入切削并从工件处被带走。试验条件下的测试证明了在大多数应用情况下，切削时工件温度的上升不会超过3℃。相应地，在已给定的金属切除率下，当切削速度超过某一数值之后，实际切削力会近似保持不变。 经过理想的高速加工后，切屑变形及其收缩加工的实现与应用对航空制造业有着重要的意义。高速加工自身必须是一个各相关要素相互协调的系统，是多项先进技术的综合应用，为此机床厂商应进行大力的开发研制，推出与高速加工相关的新技术设备。 二、 数控高速加工的发展现状 实用的高速加工技术跟随引进的先进数控自动生产线、刀具(工具)、数控机床(设备)，在机械制造业得到广泛应用，相应的管理模式、技术、理念随之融入企业。在我国航天、航空、汽轮机、模具等行业，程度不同地应用了高速加工技术，其间的差距在于国家对该行业投入资金、引进政策等支持的多少，以及企业家们对高速加工系统技术认识的深浅。相对于汽车制造业而言，这类机械制造行业基本上是属于工艺离散型制造业。其高速加工技术主要表征在对高速数控机床与刀具技术的应用上。目前国内已引进的加工中心、数控镗、铣床主轴转速一般≤8 000r/min(极少有12 000r/min)，快进速度≤40m/min。对铸铝、锻铝合金体、高强度铸铁和结构钢件，多采用超细硬质合金、涂层硬质合金刀具材料和标准结构的各类刀具加工。超硬刀具材料及专用结构刀具应用还较少，加之机床主轴转速偏低，一般不能进入高速切削领域。以铣削加工为例，这些行业加工铝合金工件:切削速度<1 000m/min，进给速度<15m/min，每齿进刀量<0.35mm。车削:切削速度<700m/min。铣削铸铁、结构钢(含不锈钢)工件:切削速度<500m/min，进给速度<10m/min，每齿进刀量<0.3mm。上述行业中，数控设备利用率仅为25%左右。预计“十五”期间，上述行业将会在应用高速加工技术方面发生跳跃式的进步与发展。 三、 数控高速加工机床的关键技术 高速机床是实现高速切削加工的前提和关键。具有高精度的高转速主轴，具有控制精度高的高轴向进给速度和进给加速度的轴向进给系统，又是高速机床的关键所在。分述如下: 1. 高速主轴 高速主轴是高速切削最关键零件之一。目前主轴转速在10 000～20 000 r/ min的加工中心越来越普及，转速高达100 000 r/ min、200 000 r/ min、250 000 r/ min的实用高速主轴也正在研制开发中。高速主轴转速极高，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)先进的润滑和冷却系统;(6)可靠的主轴监测系统。 2. 快速进给系统 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50m/min～120m/min，要实现并准确控制这样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，高速切削机床己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、更高速的直线电机己经发展起来。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、机械结构不需要维护等明显优点。