呂巖超

摘要：高速切削技術(shù)是一門先進的工藝制造技術(shù)，在各類機械產(chǎn)品的制造加工中具有獨特優(yōu)勢。 高速切削機床作為高速切削技術(shù)的重要組成部分，呈現(xiàn)出超高速化、高精密度的發(fā)展趨勢，是當(dāng)今機械裝備研究與開發(fā)的重點。 系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外高速機床的最新發(fā)展動態(tài)與趨勢；詳細分析了高速機床中的高速主軸系統(tǒng)、高速進給驅(qū)動系統(tǒng)、高性能控制系統(tǒng)和刀具系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，為機床的技術(shù)改進和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新提供了專業(yè)建議與設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：高速切削；數(shù)控機床；加工技術(shù)

引言

高速切削技術(shù)作為一種近年來逐漸發(fā)展起來的生產(chǎn)技術(shù)，加工范圍廣，加工精度高，普遍應(yīng)用于航空航天、船舶交通和模具制造等領(lǐng)域，生產(chǎn)效率高，具有良好的應(yīng)用前景和開闊的發(fā)展市場，為社會帶來了巨大的經(jīng)濟效益。高速切削機床是借助高速切削技術(shù)迅速成長起來的一種新型機床，它摒棄了傳統(tǒng)機床在加工速度和精度等方面存在的劣勢，擴大了加工范圍，并不斷地在機床關(guān)鍵技術(shù)上尋求突破，使復(fù)雜類機械產(chǎn)品的加工成為可能。

一、關(guān)鍵技術(shù)研究

（一）高速主軸系統(tǒng)

（1）高速軸承技術(shù)

為了保證主軸高速旋轉(zhuǎn)時支撐部件的強度和剛度，對所選用軸承的特性提出了很高的要求。 隨著機械制造工業(yè)的迅速發(fā)展和新材料、新結(jié)構(gòu)的高速應(yīng)用，軸承逐漸被開發(fā)出來，如動靜壓液體軸承、磁浮和混合球軸承等，根據(jù)主軸功率的不同，選擇合適的軸承支撐，當(dāng)主軸功率較小時，主軸一般采用高精度的滾動球軸承，當(dāng)主軸功率較大時，主軸可采用陶瓷滾珠球軸承作為支撐。

（2）高速電機技術(shù)

由于高速電機具有轉(zhuǎn)動速度高、響應(yīng)能力快、傳動效率高等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于高速主軸系統(tǒng)中。 同時，隨著機床主軸高速化進程的發(fā)展，倘若電機仍然依靠皮帶或齒輪等傳統(tǒng)驅(qū)動方式，將會造成機床的噪聲和振動問題，影響機床的加工精度和效率；采用電機內(nèi)裝直接驅(qū)動的形式，省去皮帶等中間環(huán)節(jié)，可以有效減小主軸傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，從而提高生產(chǎn)效率。

（二）高速進給驅(qū)動系統(tǒng)

動力學(xué)分析表明，想要獲得較高的進給加減速度，就必須盡可能大程度地降低移動零部件的質(zhì)量、提高電動機的進給驅(qū)動力。

（1）電動機

直線電機因速度高、加速度大、行程不受控制以及定位和跟蹤精度都很高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于機床進給系統(tǒng)中。 直線電機驅(qū)動系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上摒棄了低效率的中間環(huán)節(jié)，僅由兩個互不接觸的部件組成，因此不存在摩擦磨損，具有良好的靜動態(tài)性能和較高的速度響應(yīng)能力，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢上又顯著提高了加工效率。

（2）導(dǎo)軌

導(dǎo)軌是進給驅(qū)動系統(tǒng)中的引導(dǎo)運動部件，面對機床高速化的發(fā)展趨勢，直線滾動導(dǎo)軌的應(yīng)用日益廣泛，其主要部件包括導(dǎo)軌、滑塊、鋼球和返向器等，其中，導(dǎo)軌為支撐部件，安裝于工作機上；滑塊是移動部件，安裝于導(dǎo)軌部件上，當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對運動時，鋼球沿導(dǎo)軌上的滾道滾動，到達滑塊端部后又可以通過返向器再次進入滾道，從而實現(xiàn)往復(fù)滾動運動。 同時，由于直線滾動導(dǎo)軌采用點或線接觸，減小了摩擦系數(shù)，提升了機床的響應(yīng)速度和快移速度，提高加工效率。

（3）滾珠絲杠

滾珠絲杠可以改變運動形式，且傳動具有可逆性；滾珠絲杠可以進行預(yù)緊并消除間隙，因而軸向剛度高，定位精度高；同時，滾珠絲杠具有運動靈敏、效率高、發(fā)熱小等優(yōu)點，在高速機床上得以廣泛應(yīng)用。為使進給驅(qū)動系統(tǒng)滿足高速切削進給的要求，滾珠絲杠可選擇螺紋頭數(shù)較多的粗螺距滾珠絲杠，也可以選擇小螺距的大型號滾珠絲杠，兩種機構(gòu)都可以在保證加工精度的前提下提高進給速度。

（三）高性能控制系統(tǒng)

（1）數(shù)據(jù)處理能力

高性能的 CNC 控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在高速機床上，其 CPU 為 32 位或 64 位，程序的處理速度可以達到 1.6m/s。 高速切削技術(shù)對 CNC 控制系統(tǒng)大致有如下兩點要求：一是處理單個程序段的速度要快；二是在高速下仍要保證插補的精確度。 此外，目前的 CNC 系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開放性，利用網(wǎng)絡(luò)平臺既可以傳輸圖形數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)和產(chǎn)品的加工狀態(tài)等多方面的資料，又便于給用戶提供所需的技術(shù)支持，完善機床服務(wù)，在很大程度上提高了產(chǎn)品的加工效率。

（2）檢測系統(tǒng)

高性能控制系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵在于具有準確的檢測系統(tǒng)，同時依靠進給速度和位置閉環(huán)配合控制。如今一種變結(jié)構(gòu)的伺服控制方式正得到廣泛應(yīng)用，該控制方式對系統(tǒng)參數(shù)和外部擾動的變化均不敏感，且能夠根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)在瞬態(tài)過程中的變化，同時可實現(xiàn)對給定的描述曲線準確、快速地檢測和追蹤，能有效改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。

二、數(shù)控機床中高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用展望

（一）高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷拓展

現(xiàn)階段，高速切削機床主要應(yīng)用于汽車生產(chǎn)中，但未來高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用范圍必將進一步拓展。首先，電加工機床高速化發(fā)展成為重要趨勢。在許多生產(chǎn)領(lǐng)域，鋁合金零件的應(yīng)用替代了傳統(tǒng)的零件更換，具有多種功能的高速切削機床成為發(fā)展的核心。由于高速切削具有較強優(yōu)越性，不同領(lǐng)域中高速切削都獲得了較為廣泛的應(yīng)用，并推動了數(shù)控機床的全面發(fā)展。此外，關(guān)于高速切削的配套技術(shù)也獲得了全面發(fā)展，使得轉(zhuǎn)速與進給速度都不斷提升。

（二）精細程度不斷提升

高速切削在提升速度的同時還必須保證精確度，否則速度的提升完全沒有意義。近幾年，為了保障高速切削下的加工精度，人們對各種配套技術(shù)進行了大量研究，并取得了較為顯著的進展。通過計算機仿真進行設(shè)計，有效改善多功能數(shù)控機床的靜力、動力與熱力性能。目前，高速數(shù)控機床在精度方面獲得了較大提升，大多數(shù)高速數(shù)控機床的全行程定位精度可以控制在 0.005mm 之內(nèi)。

三、結(jié)語

高速切削技術(shù)在數(shù)控機床中的應(yīng)用具有較為廣泛的前景，不僅能有效降低能源消耗，也能避免環(huán)境污染?；诖?，本文對當(dāng)前高速切削技術(shù)在數(shù)控機床中的應(yīng)用進行分析，并指明了未來數(shù)控機床的發(fā)展方向。

參考文獻：

[1]張立波.中國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].機床與液壓，2018（5）：22-23